关于“路”的记忆 PCIE总线技术简析

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    其实地上本没有路，走的人多了，也变成了路。

    对于大多数人来说，“路”这东西从来都是最熟悉却又最容易被遗忘的存在。宽广平坦的道路可以让我们更加快速的到达目的地，甚至能够让我们的路途变成享受，但在绝大多数时候，我们都会将注意力集中在路旁的风景上，进而忽略脚下的道路这个最重要的存在。

    被遗忘的不光是现实生活中的道路，其实在面对PC的“高速公路”——数据总线时，我们通常也会选择遗忘和忽视，并将自己的注意力转向“令人窒息的运算速度 提升”或者“日趋真实的视觉特效”之类看似更加精彩的领域。总线就像道路一样，似乎是理所当然的一种存在，没什么值得大书特书的地方。

    这显然并不公平。

PCIE总线

    作为绝大多数PC设备的数据总线，PCIE总线承载着PC内部最重要的数据的交换衔接和传递任务，如果没有这条总线的保障，显示系统将无法正常工作，甚至 最基本的数据存储都无从谈起，一切运算以及应用都将成为空谈。所以在今天的这篇小品级的文字当中，就让我们一起来看看PCIE总线这位被经常被忽略，却又 极端重要的幕后英雄吧。

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    ● 宽广的高速公路

    每条高速公路几乎都有自己的简称，“八高”、“京开”等等都是我们所耳熟能详的。同这些简称一样，“PCIE”本身也是一种简明扼要的称呼。为了尊重并感谢这条为PC的日常使用带来便利的数据高速公路，我们还是应该了解一下PCIE总线背后的故事的。

    PCIE全称PCI-Express，这条原名“3GIO”的串行总线最初由Intel提出，其初衷意在取代原有的五花八门的总线接口规范，在新一代高速I/O接口当中形成统一独立的标准。换句话说，它的出现代表了Intel的野心，同时也意味着一个统一I/O时代的来临。

PCI-Express

    在总线类型方面，PCIE属于典型的高速串行点对点双通道高带宽传输型，数据可以双向传输，所连接的设备均分配独享的通道带宽，设备间不共享资源，同时支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量(QOS)等功能。

    除了点对点以及串行之外，PCIE总线最大的特点在于带宽拓展的迅速和便捷。标准的PCIE连接可以包含多个lane（讯道），当需要增加数据传输带宽 时，除了传统的针对信号上下沿进行的一系列操作之外，PCIE总线还可以很方便通过简单增加lane的数量来达到目的。单个PCIE 1.0的lane可以提供单向256MB/S的带宽，如果将lane总量提升至16，由此获得的PCIE X16 1.0总线便可以达到8GB/S的双向带宽。

规划中的PCIE总线曾经拥有的形态

    简单且不怎么精确的描述，我们在主板上 经常看到的PCIE接口其实就是一个由一组组独立的单个高速双向总线并在一起的汇总接口。一个PCIE X1接口，里面只包含了一条lane的PCIE总线，而PCIE X16接口则是16条lane汇总的结果。这些lane都有属于自己的线缆界面和设备连接界面，每条lane在物理上都是独立的，我们甚至仅凭长度便能判 断出PCIE接口的带宽。这种简单的可拓展性不仅赋予了PCIE更高的灵活度，同时也为显卡之类大数据带宽需求设备提供了良好的总线支持。

PCIE总线

    对于显卡所处理的常 规任务，动辄过G的大尺寸材质以及画面的高速更迭都会带来极大地数据交换量，这种问题在多卡互联的场合尤为明显，如果不能为其准备一条通畅的用来交换数据 的“高速公路”，再强大的处理能力也是形同虚设。PCIE总线就是这样一条我们所需要的高速总线，你完全可以将一个PCIE X16接口理解成一条最多可以同时拥有双向32车道的数据高速公路，插在上面的设备可以独享这条宽阔的高速公路带来的通畅。

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    ● 更宽、更快、更强

    说来可能有些可笑，也许是因为我是一个“念旧”的人吧，反正在我个人的感觉中，经典的AGP总线仿佛并没有消失很久，PCIE总线的兴起应该也不是一件离 我已经很遥远的事情。所以当我开始着手准备这篇关于PCIE总线的科普小文时，出现在脑海里的第一个清晰概念就把自己吓了一跳——PCIE总线在不经意间 已经走过了超过10个年头了。

    作为一种经典的并行数据传输总线，PCI曾经为PC中的几乎所有设备提供了强大的支持，但随着新一代图形加速卡，声卡甚至是更高速的存储设备的出现，PCI总线那133MB/S的总带宽渐渐变得力不从心。先后出现的AGP/PCI-X/HL等等新的数据总线虽然在一定程度上缓解了各种设备的带宽需求，但纷繁复杂的总线类型也给兼容性和设备支持提出了更高的要求。

PCI接口依旧存在，但早已脱离主流

    为了解决这一问题，Intel在2001年春季召开的IDF大会上正式提出了继ISA和PCI之后的第三代I/O技术，并将该总线的相关规范交由AWG（Arapahoe Working Group，Intel支持）制定，翌年4月17日，AWG将完成的规范交给PCI-SIG进行审核，以此为标志，PCIE总线正式诞生。

    在设计之初，AWG充分考虑到了新总线对于设备、软件以及操作系统带来的负担，所以PCIE总线保留了传统PCI总线的设备初始化以及内存操作模式，这一举措为支持传统PCI设备的软件提供了兼容性保障，同时也意味着驱动程序和操作系统不必为数据传输环境的改变而大费周章的“彻底砍翻重练”。正是这种全面的考虑，为未来PCIE总线的顺利换代提供了必要的基础。

PCI-SIG

    在历经超过10年的发展演变之后，PCIE总线已经从最初的1.0进化到了当前的3.0版本，单个lane的数据带宽亦由256MB/S提升到了 1024MB/S，编码方案也从原来的8b/10b变为更高效的128b/130b。最新的PCIE X16 3.0接口可以提供16GB/S单向带宽，以民用领域而言，这样的带宽对于包括最新显卡在内的单个设备而言都是充沛的了。

PCIE总线最终取代了备受瞩目的PCI-X总线

    10年的时间里，PCIE这条数据高速公路不仅变得更为宽广，其上的通行速度也变得更快了。每次升级都会如约光临的翻倍的数据吞吐量给PC内所有设备的发展提供了强有力的保障，如果没有PCIE总线的出现，诸如高速显卡、高速串行接口硬盘/固态硬盘以及千兆网卡之类设备的发展都将举步维艰。尽管PCIE总线是最容易被我们所忽视的PC组成部分，但它的确是PC业界发展最重要的基石。

    当你酣战于流光溢彩的游戏世界时，别忘了感谢一下经常被忽视却又在背后默默的提供坚定支持的PCIE总线。

通达天下的未来

    ● 通达天下的未来

    在历经了10年的发展之后，PCIE总线来到了一个重要的十字路口。尽管当前的PC业界处于一种没人愿意面对却又无法将之无视掉的疲软，甚至可以说是持续 衰退的状态当中，但这并不代表PCIE总线的发展就该因此而停滞。需求催生进步，而对于PCIE总线而言，这样的需求依然有很多，比如说HPC高性能计算 领域。

    HPC业界的蓬勃发展和高速增长与PC业界形成了鲜明对比，每年都有大量全新的超级计算机集群投入现役并为各个国家和组织提供运算服务，在这些造价不菲的新集群当中，基于PCIE总线的GPGPU/MIC计算卡又是增长最为迅猛的部分，无论Intel还是NVIDIA都在这条战场上投注了巨量的精力和资源。正是这种蓬勃增长的需求，对PCIE总线提出了新的要求。

即便最顶级的Xeon Phi的板载内存依旧远远不能满足运算所需

    对于HPC计算任务而言，充沛的内存是最重要的缓冲资源，而GPGPU/MIC这样的计算卡显然无法提供任务所需的必要缓冲资源，无论Tesla还是Phi，其板载显存的容量都很难达到正常CPU可以调配的内存容量的等级。如果不想在内存不足时中断任务就必须透过总线以统一寻址的方式直接访问系统主内存，但当前的PCIE总线带宽以及延迟对于这一需求来说显然都是远远不够的。

    以桌面的眼光来衡量，单向16G的最大总线带宽在常规显卡应用看来似乎十分充沛，但与已经超过50G的系统内存带宽相比仍旧明显不足，甚至即便是最普通的双通道DDR3-1600都能提供25.6GB/S的带宽，PCIE 3.0总线所能提供的数字与之相比显然存在不小的差距的。GPGPU/MIC运算方案如果想继续发展并走向兴盛，给PCIE总线的未来提出了新的更高的带宽要求无疑是必须的。

Tesla K20

    根据PCI-SIG组织的分析，以现有的铜缆为介质的PCIE总线可以在当前工艺下再实现一次通讯带宽的翻倍，其成本并不会有大幅提升，所以在2011年 11月底，理论上可行的PCIE 4.0方案规划正式启动。新版本PCIE总线的单lane单向带宽将进一步提升至2GB/S，基于PCIE X16 4.0的接口设备将因此而获得双向64GB/S的总线带宽，这对于渴望内存的HPC用GPGPU/MIC加速卡方案而言无疑是值得高兴的事。在此基础上，PCIE 4.0标准还会针对PCIE接口的存储设备，诸如固态硬盘或者RAID卡等进行优化，尽可能发挥PCIE总线的低延迟优势，这对于传统的桌面PC设备同样是好消息。

PCIE 4.0即将来临

    除了带宽增长以及延迟优化之外，PCIE 4.0总线标准还将包含全新的外接式PCIE规范，PCI-SIG将该规范称为PCIE OCuLink，这是一种类似ThunderBolt的全新接口。按照规划，PCIE OCuLink将会基于PCIE 3.0规范开发，继续采用铜缆作为连接介质，并可提供最低1GB/S（单lane）或者最高4GB/S（PCIE 3.0 x4）的连接速率。很明显的，大量外接设备以及高速移动存储设备都将因此获益。

    无论面向传统领域还是应对HPC这样全新挑战，PCIE总线都将继续伴随我们前行，也许下一代的GeForce GTX 800、Tesla K30/M40、Xeon Phi2或者Radeon HD R10就会将新的PCIE总线带到我们的面前。这条我们已经熟悉数据高速公路究竟能够延伸多远，它是否能够变得更加宽广、迅捷以及舒适，就让我们拭目以待 吧。

    责编点评：你对显卡了解吗？你知道PCI-Express吗？让我们通过本文的科普小文，让您全面了解PCI-Express总线在现如今电脑中的重要意义。