在 PCI Express 誕生 20 周年之際，我們回顧一下這一盛行的擴展插槽的過去和未來。

PCI Express (PCIe) 總線誕生于 PC 中的擴展插槽數(shù)量與 CPU 時鐘速度或系統(tǒng) RAM 數(shù)量同等重要的時代。此后，PCIe總線從一組插槽、插入式擴展卡發(fā)展到高速互連拓撲。

最新的 SSD（固態(tài)硬盤）接口是 PCIe 4.0、M.2 外形尺寸的四通道接口。

PCIe 總線的開始：IBM 和 5150 PC

PCIe 總線起源于 1981 年推出的IBM PC 型號 5150。5150 的熱門前身（例如 Apple II）使用開放標準總線或發(fā)布了第三方擴展板的總線規(guī)范。這種競爭壓力促使 IBM 開放 5150 總線并發(fā)布其規(guī)范。

在 IBM 的支持下，整個行業(yè)都是圍繞為 IBM PC 總線設計和提供擴展卡而建立的。IBM 的第二個 PC 型號 PC/AT 將總線數(shù)據(jù)寬度從 8 位提高到 16 位，并保持開放式架構。許多公司在他們的 PC 克隆中使用了總線，稱為 PC 兼容機?？偩€在擴展板和 PC 克隆行業(yè)中的廣泛使用導致了總線的行業(yè)標準架構 (ISA)。這對消費者和 PC 克隆制造商來說是件好事，但它奪走了 IBM 的控制權和許可收入。

IBM 試圖重新獲得標準控制權

20 世紀 80 年代末，新的處理器和更快的速度使得 ISA 總線變得過時。IBM 推出了其新的專有微通道總線，試圖解決 ISA 的缺點。該公司保持微通道的專有性，以從出售給 PC 兼容制造商的許可費中獲利。然而，PC 行業(yè)遷移到由PCI 特別興趣小組(PCI-SIG ) 維護的英特爾 32 位外圍組件互連 (PCI) 總線 。

1995 年最先進的 PC 兼容 i80486 主板，支持 ISA（前景中的四個黑色插槽）和 PCI（中間的三個白色插槽）。

雖然 PCI 總線與微通道一樣速度更快，但它是一個開放的行業(yè)標準。PCI 開創(chuàng)了一種無需附加卡即可將主板內(nèi)置外設連接到總線的架構。在以前的 ISA 架構中，主板內(nèi)置的外設通常需要定制的非標準接口電路。PCI 總線提供了一個板載外圍接口，在電氣上相當于將板插入插槽，從而更容易實現(xiàn)板載集成和軟件支持。

PCI 總線（仍然）不足

盡管 PCI 提供了比 ISA 更高的性能，但它繼承了 ISA 拓撲的許多缺點。與 ISA 一樣，PCI 總線也采用共享并行數(shù)據(jù)總線架構。雖然 PCI 在速度潛力和信號完整性方面取得了重大進步，但它仍然需要每個外設共享資源并協(xié)商單獨的總線訪問。

圖形加速卡制造商比其他接口卡制造商更早遇到這些限制，這促使了加速圖形端口(AGP)的開發(fā)。AGP 是 PCI 的超集，它脫離了總線共享，并在 AGP 卡插槽和主板芯片組之間提供了直接路徑。

輸入 PCI Express

2003 年，PCI-SIG 進一步應對這些挑戰(zhàn)，推出了至今仍在使用的PCI Express 總線。PCIe 取代了所有主流 PC 總線，包括 AGP 接口。PCI-SIG 在 2001 年至 2003 年間制定了該標準，PCI 產(chǎn)品于 2004 年開始發(fā)貨。

PCIe 總線與 PCI 總線有兩個重要的區(qū)別。它沒有使用共享總線主控拓撲，而是采用點對點系統(tǒng)通過通用主機控制器直接連接設備。它還從并行數(shù)據(jù)路徑轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虼袛?shù)據(jù)路徑。

PCI 中的共享總線與 PCIe 中的串行點對點拓撲。

使用舊的 PCI 和 ISA 總線主控拓撲，一次只有一個外設可以訪問總線。每個都根據(jù)需要協(xié)商主站狀態(tài)，等到它能夠獲得控制權，然后采取行動。即使使用直接內(nèi)存訪問 (DMA)，也幾乎無法并行執(zhí)行。這些舊拓撲滿足了 20 世紀 80 年代緩慢應用程序的需求，但遠遠不足以滿足新千年出現(xiàn)的游戲、高速網(wǎng)絡或復雜圖形界面的需求。

為什么 PCIe 向前邁出了一大步

PCIe 不僅僅是一個物理插槽標準?？偩€的主力是拓撲。PCIe 用于連接內(nèi)置外設、筆記本電腦和迷你 PC 的附加卡以及 SSD 存儲。Mini PCIe 使用相同的拓撲、編碼和規(guī)格，并且與常規(guī) PCIe 電氣兼容。現(xiàn)在常見的M.2 SSD接口也采用PCIe拓撲。

PCIe 的串行數(shù)據(jù)路徑使用單向差分對來提高信號完整性。雖然這些線對需要進行長度匹配才能消除偏斜，但每對的兩條跡線比 8、16 或 32 條跡線更容易處理。

差分信號走線的去偏技術

高速并行總線也可能受到串擾的影響，串擾是一種從一條走線到另一條走線的信號泄漏。這會導致數(shù)據(jù)損壞并限制帶寬。差分配對信號可消除大部分串擾并提供更清晰的信號。

PCIe 差分對的優(yōu)勢

PCIe的單向差分對由四根走線組成，作為每個方向的差分對。每組四個連接稱為一個通道，PCIe 插槽可支持 1 到 16 個通道。用于連接兩個 PCIe 設備的通道組稱為互連或鏈路。現(xiàn)代圖形加速器通常使用 16 通道插槽，有些需要兩個插槽和額外的電源連接。

差分對布置可加快傳輸速度并提高可靠性。在 PCIe 版本 1.0 和 2.0 中，數(shù)據(jù)以帶有兩個開銷位的 8 位字傳輸，稱為 8b/10b 編碼。這意味著 20% 的傳輸比特是開銷，而不是數(shù)據(jù)。PCI 3.0 將這一數(shù)字提升至 128b/130b 編碼，產(chǎn)生 98.5% 的數(shù)據(jù)率和 1.5% 的開銷。這種編碼從 PCIe 1.0 到 5.0 一直保留，表示具有不歸零(NRZ) 格式的二進制數(shù)據(jù)。

PCIe 1.0 至 7.0：傳輸速度加倍

PCIe 1.0 每通道傳輸速度高達 2.5 GB/s，16 通道互連時最高傳輸速度為 4 GB/s。隨著協(xié)議和芯片制造能力的改進，PCIe 2.0 使這一數(shù)字翻了一番。PCIe 3.0 從 8b/10b 提升到 128b/130b，速度幾乎翻倍至每通道 8 GB/s。此后的每個新版本的數(shù)據(jù)速率都增加了一倍。

2022 年推出的 PCIe 6.0 在編碼和協(xié)議方面帶來了重大變化，將速度提升至 64 GB/s。PCIe 6.0 從 NRZ 數(shù)據(jù)格式更改為脈沖幅度調(diào)制 4 級(PAM4) 信令。PAM 表示與 NRZ 中的一位相同單位間隔中的兩位，它給出四個值而不是兩個。這有效地用兩位值替換了二進制位。PAM4 的錯誤率要高得多，因此需要高級糾錯。截至撰寫本文時，使用此標準的卡尚未上市。

PCI-SIG 預計自 2022 年 6 月以來一直在開發(fā)的 PCIe 7.0 將在 2024 年得到鞏固。該標準承諾通過微調(diào)通道參數(shù)來提高功率效率并減少信號損失，從而將 PCIe 6.0 數(shù)據(jù)速率提高一倍。PCIe 7.0 硬件要到 2027 年才會出現(xiàn)在市場上。

擴展槽的日子已經(jīng)屈指可數(shù)了嗎？

20 年前的 PCIe 總線在當今的 PC 世界中仍然可以辨認，2004 年的主板設計人員也可能很容易認出今天的 PCIe。然而，20年后情況可能并非如此。

當 PCIe 開發(fā)時，USB 還處于起步階段。多種設備需要計算機中的插槽。那個時代的許多個人電腦仍然需要附加聲卡、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡和無線接口。對于當今的典型用戶來說，這些應用程序都不需要附加卡。雖然游戲圖形加速器、高端視頻和聲音處理設備以及奇異或特殊用途的產(chǎn)品仍然使用插入式 PCIe 板，但大多數(shù)家庭和商用 PC 和筆記本電腦都內(nèi)置了所有這些（以及更多）或可通過USB。

目前大多數(shù)筆記本電腦和迷你電腦除了 M.2 SSD 接口外不使用卡插槽。雖然人們?nèi)匀皇褂?PCIe 連接主板上的各個子系統(tǒng)，但使用許多擴展插槽的日子可能已經(jīng)屈指可數(shù)了。

審核編輯：湯梓紅