PCIE 全揭秘：芯片公司竞相追逐的关键技术

在计算机硬件领域，PCI Express（PCIe）是一个至关重要的技术。对于游戏爱好者或者硬件爱好者来说，显卡通常插在主板的扩展槽上，而显卡与 CPU 交互正是通过 PCIE 协议实现的，如今常见的扩展槽便是 PCIE 槽。不过，很多人虽听说过 PCIE，但对其具体功能和含义却并不清楚。接下来，我们将深入探讨 PCIE 的相关知识。

PCIE 的发展史

PCI Express（PCIe）的发展可追溯到 PCI（Peripheral Component Interconnect）。1991 年，Intel 提出了 PCI 这一计算机总线标准，主要用于连接计算机的外围设备，如硬盘控制器、声卡、显卡和网卡等，这些设备通过 PCI 插槽连接到计算机主板。随着 Intel Pentium 处理器的诞生，PCI 总线得到了快速发展。最初的 PCI 总线工作频率为 33MHz，传输带宽达 132MB/s，基本满足了当时处理器的发展需求。之后，为了追求更高性能，PCI 总线频率提升到 66MHz，传输带宽也提高到 264MB/s。

然而，PCI 总线速率的瓶颈逐渐显现，特别是在服务器和工作站中，高速磁盘和网络适配器对更高带宽的需求日益迫切。为满足这一需求，PCI 技术向更高速率方向发展，形成了 PCI - X 新总线标准。尽管 PCI - X 最大支持到 64bit/533M，但第二代之后仍存在一定局限性。

随后，PCIe 作为 PCI 的串行总线版本被推出。2003 年，PCIe 1.0 问世，支持更高的数据传输速率；2007 年，PCIe 2.0 推出，进一步提升了传输速率；2010 年，PCIe 3.0 推出，最高速率可达 8GT/s；2017 年，PCIe 4.0 标准发布，带宽最高达 16GT/s；2019 年，PCIe 5.0 标准发布，传输速率最高可达 32GT/s；2021 年，PCI - SIG 组织发布 PCIe 6.0，速率达到 64GT/s；2024 年，PCI - SIG 组织公布了 PCIe 7.0 标准，预计 2025 年正式推行，在 x16 双向传输模式下，速率高达 512GB/s，这对于云端应用、大数据中心等领域而言，是一个巨大的飞跃。PCIe 的发展历程体现了计算机技术从并行总线到串行总线、从低传输速率到极高传输速率的不断进步，满足了不断增长的数据处理和传输需求。

PCIE 的使用场景

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）凭借高带宽、低延迟和灵活性等特点，在众多计算和数据密集型场景中得到广泛应用。

图形处理单元 (GPU 显卡)：在游戏和图形渲染方面，PCIe 插槽用于连接高性能显卡，为桌面和工作站提供高质量的游戏画面渲染和三维建模能力；在深度学习与 AI 训练中，GPU 加速卡通过 PCIe 接口与主机相连，用于大规模并行计算，加速机器学习模型的训练过程。

高速存储：NVMe SSD 可利用 PCIe 通道直接与 CPU 通信，提供极高的读写速度，适用于大型数据库、高性能计算集群以及对存储速度要求极高的应用程序。

网络接口卡（NIC）：高速网络适配器通过 PCIe 接口接入服务器或工作站，实现万兆或更高速度的以太网连接，满足数据中心内部或互联网之间的高速数据传输需求。

加速卡与协处理器：FPGA 加速卡、智能网卡、加密 / 解密加速卡等通过 PCIe 连接到系统，提供特定领域的加速计算，如金融交易、密码破解、大数据分析等。

专业音频与视频采集卡：高级的多通道音频和视频输入输出设备通常使用 PCIe 接口，以实现高清视频流的实时处理和传输。

科研仪器与工业控制：在实验室环境和工业自动化领域，高端测量设备和控制器可通过 PCIe 接口与计算机整合，实现高效的数据采集和处理。

PCIe 在需要高速、低延迟数据交换的场合广泛应用，特别是那些需要大量并发数据处理、高速存取或高吞吐量网络连接的场景。随着 PCIe 规范的持续演进，其应用范围将进一步拓宽。

PCIE 的架构

PCIe 的结构采用分层设计，旨在确保模块化和灵活性，同时提供强大的性能。

1.物理层（Physical Layer）：是 PCIe 架构的底层，负责实际的信号传输。包括物理逻辑子层（PLSL）、物理编码子层（PCS）、物理介质附属子层（PMAS）、物理介质相关子层（PMDS）等。采用差分信号传输，降低电磁干扰并提高信号完整性。链路训练与状态机（LTSSM）负责初始化和管理 PCIe 链路的状态。此外，还生成和处理用于链路训练和管理的物理层包（PLP），以及包含发射和接收电路的电气子层。

2.数据链路层（Data Link Layer）：位于物理层之上，负责数据包的封装、解码和错误检测。包括帧化与去帧化、错误检测与校正、流量控制、链路状态管理、链路功耗管理等功能。还定义了链路层报文（LLPs）和特殊的 DLLP，用于执行特定的控制和状态管理任务。

3.事务层（Transaction Layer）：是 PCIe 结构的第三层，负责处理事务级的操作，如读取、写入和 I/O 操作。主要功能包括 TLP 处理、命令与响应处理、虚拟通道（VC）管理、地址翻译、数据缓冲与分段、流控制、事务排序和错误处理等。

4.设备层和应用层：在事务层之上，提供对 PCIe 设备的抽象和接口，使得上层软件能够方便地与 PCIe 设备进行交互。设备层定义了 PCIe 设备的特定属性和功能，应用层则提供了对这些功能的访问和使用。

5.端点（Endpoints）和根联合体（Root Complex）：端点是实际的数据源或数据目的地，如显卡、网卡等；根联合体是连接 CPU 和内存的子系统，作为 PCIe 系统的主机，负责管理 PCIe 总线上的设备，并协调它们之间的数据传输。

6.交换机（Switches）和桥接器（Bridges）：在复杂的 PCIe 系统中，交换机用于在多个 PCIe 设备之间提供数据通道，桥接器用于连接不同类型的总线，实现不同总线之间的通信。

总体而言，PCIe 的结构设计充分考虑了模块化和灵活性，确保了其能够满足不断变化的应用需求，并提供持续的性能提升。

PCIE 未来发展趋势

PCIe 未来的发展趋势主要集中在以下几个方面：

●更高的传输速率：随着数据中心和高性能计算需求的增加，PCIe 标准的传输速率将持续提升。例如，PCIe 5.0 相比 PCIe 4.0 带宽翻倍，而正在开发中的 PCIe 6.0 和 PCIe 7.0 将进一步大幅提高速率。

●更低的延迟：为满足实时计算和网络通信的需求，PCIe 的未来发展将致力于减少传输延迟，提高数据处理效率。

●能效优化：随着绿色计算和可持续发展的重视，PCIe 技术的能效比将成为重要指标。未来将着重降低能耗，特别是在空闲或低负载状态下。

●增强的虚拟通道功能：虚拟通道技术允许 PCIe 设备在多个通道上同时进行数据传输，提高带宽利用率。未来的 PCIe 版本可能会进一步增强 VC 的功能，提供更多的通道以及更复杂的调度策略。

●更好的兼容性与互操作性：随着不同代数的 PCIe 设备并存，确保新旧设备间的兼容性和互操作性将是 PCIe 发展的关键。

●集成安全特性：为应对日益增长的安全威胁，PCIe 未来可能会集成更多的安全特性，如硬件加密和认证机制，以保护数据传输过程中的安全性。

●扩展应用场景：PCIe 不仅应用于传统的计算机和服务器领域，还将拓展至更多新兴领域，如汽车电子、物联网设备等，以满足这些领域的特定需求。

综上所述，PCIe 的未来发展将围绕提升性能、降低功耗、增强安全性以及扩大应用范围等方面展开。随着技术的不断进步，PCIe 将继续作为连接各种硬件组件的关键桥梁，支撑着现代计算和通讯技术的发展。