PCI-E基礎

PCI-Express(peripheral component interconnect express)是一種高速串行計算機擴展總線標準,是由英特爾在2001年提出的。PCIe屬於高速串行點對點雙通道高帶寬傳輸,所連接的設備分配獨享通道帶寬,不共享總線帶寬,主要支持主動電源管理,錯誤報告,端對端的可靠性傳輸,熱插拔以及服務質量(QOS)等功能。是PCI的更高發展,PCIe比以前的標準有許多改進,包括更高的最大系統總線吞吐量,更低的I/O引腳數量和更小的物理尺寸,更好的總線設備性能縮放,更詳細的錯誤檢測和報告機制(高級錯誤報告,AER)和本機熱插拔功能。PCIe標準的更新版本爲I/O虛擬化提供了硬件支持。PCIe的主要優勢在於其減少延遲的能力。PCIe設備和PCIe總線直接相連,使緩存和數據更接近CPU。他們消除了傳統存儲協議的開銷,並且EMC公司認爲在合適的條件下能實現遠遠優於從08年開始銷售的串列SCSI和SATA的固態硬盤SSD的性能。

在概念上,PCI Express總線是較舊的PCI/ PCI-X總線的高速串行替換。PCI Express總線與舊PCI之間的主要區別之一是總線拓撲。 PCI使用共享並行總線架構,其中PCI主機和所有設備共享一組通用的地址,數據和控制線。 相比之下,PCI Express基於點到點拓撲,單獨的串行鏈路將每個設備連接到根系統(主機)。 由於其共享總線拓撲,可以對單個方向上的PCI總線進行仲裁(在多個主機的情況下),並且一次限制爲一個主機。 此外,舊的PCI時鐘方案將總線時鐘限制在總線上最慢的外設(不管總線事務中涉及的設備如何)。 相比之下,PCI Express總線鏈路支持任何兩個端點之間的全雙工通信,同時跨多個端點的併發訪問沒有固有的限制。PCI插槽和PCI Express插槽不可互換。

單通道PCI Express(×1)卡可以插入多通道插槽(×4,×8等),初始化週期自動協商最高相互支持的通道數。該鏈接可以動態地自動配置自己,以便使用較少的通道,在存在不良或不可靠的通道的情況下提供故障容限。

 

串行接口不會出現定時偏移,因爲每個通道中每個方向只有一個差分信號,並且由於時鐘信息嵌入在串行信號本身中,所以沒有外部時鐘信號。因此,串行信號的典型帶寬限制在幾千兆赫範圍內。 PCI Express是串行互連替代並行總線的一般趨勢的一個例子;其他示例包括Serial ATA(SATA),USB,Serial Attached SCSI(SAS),FireWire(IEEE 1394)和RapidIO。在數字視頻中,常用的例子有DVI,HDMI和DisplayPort。

多通道串行設計增加了靈活性,其能夠爲較慢的設備分配較少的通道。

1. PCI-E插槽金手指實物圖

PCI-E插槽,從上至下依次爲PCI-E 4X、PCI-E 16X、PCI-E 1X。

PCI-E 1X金手指:

 

PCI-E 4X金手指:

 

PCI-E 16X金手指:

 

 

2. PCI-E接口定義

說明:

Ground pin Zero volt reference  
Power pin Supplies power to the PCIe card / 爲PCIe卡供電  
Card-to-host pin Signal from the card to the motherboard / 從卡到主板的信號    
Host-to-card pin Signal from the motherboard to the card / 從主板到卡的信號    
Open drain May be pulled low or sensed by multiple cards / 可能拉低或由多張卡感應
Sense pin / 感應針 Tied together on card / 綁在一張卡上  
Reserved Not presently used, do not connect  

 

PCI-Express Connector Pin-Out / PCIE連接器引腳
Pin Side B Connector / B側 Side A Connector / A側
# Name Description Name Description
1 +12v +12 volt power /主電源引腳 PRSNT#1 Hot plug presence detect  / 熱插拔存在檢測,必須連接到最遠的PRSNT2 #
2 +12v +12 volt power +12v +12 volt power
3 +12v +12 volt power /有的標爲保留針腳RSVD +12v +12 volt power
4 GND Ground GND Ground
5 SMCLK SMBus clock /系統管理總線 JTAG2 TCK
6 SMDAT SMBus data JTAG3 TDI
7 GND Ground JTAG4 TDO
8 +3.3v +3.3 volt power JTAG5 TMS
9 JTAG1 +TRST# +3.3v +3.3 volt power
10 3.3Vaux 3.3v volt power /備用(輔助)電源 +3.3v +3.3 volt power
11 WAKE# Link Reactivation /鏈接激活信號 PWRGD Power Good /電源準備好信號 有歧義,有的當做復位用
Mechanical Key
12 RSVD Reserved /有的標爲CLKREQ#,請求運行時鐘 GND Ground
13 GND Ground REFCLK+ Reference Clock
14 HSOp(0) Transmitter Lane 0, REFCLK- Differential pair
15 HSOn(0) Differential pair GND Ground
16 GND Ground HSIp(0) Receiver Lane 0,
17 PRSNT#2 Hotplug detect / 熱插拔存在檢測 HSIn(0) Differential pair
18 GND Ground GND Ground
End of the 1X connector / PCI Express×1卡在引腳18處結束
19 HSOp(1) Transmitter Lane 1, RSVD Reserved
20 HSOn(1) Differential pair GND Ground
21 GND Ground HSIp(1) Receiver Lane 1,
22 GND Ground HSIn(1) Differential pair
23 HSOp(2) Transmitter Lane 2, GND Ground
24 HSOn(2) Differential pair GND Ground
25 GND Ground HSIp(2) Receiver Lane 2,
26 GND Ground HSIn(2) Differential pair
27 HSOp(3) Transmitter Lane 3, GND Ground
28 HSOn(3) Differential pair GND Ground
29 GND Ground HSIp(3) Receiver Lane 3,
30 RSVD Reserved HSIn(3) Differential pair
31 PRSNT#2 Hot plug detect GND Ground
32 GND Ground RSVD Reserved
End of the 4X connector / PCI Express×4帶寬模式在引腳32處結束
33 HSOp(4) Transmitter Lane 4, RSVD Reserved
34 HSOn(4) Differential pair GND Ground
35 GND Ground HSIp(4) Receiver Lane 4,
36 GND Ground HSIn(4) Differential pair
37 HSOp(5) Transmitter Lane 5, GND Ground
38 HSOn(5) Differential pair GND Ground
39 GND Ground HSIp(5) Receiver Lane 5,
40 GND Ground HSIn(5) Differential pair
41 HSOp(6) Transmitter Lane 6, GND Ground
42 HSOn(6) Differential pair GND Ground
43 GND Ground HSIp(6) Receiver Lane 6,
44 GND Ground HSIn(6) Differential pair
45 HSOp(7) Transmitter Lane 7, GND Ground
46 HSOn(7) Differential pair GND Ground
47 GND Ground HSIp(7) Receiver Lane 7,
48 PRSNT#2 Hot plug detect HSIn(7) Differential pair
49 GND Ground GND Ground
End of the 8X connector / PCI Express×8卡在引腳49處結束
50 HSOp(8) Transmitter Lane 8, RSVD Reserved
51 HSOn(8) Differential pair GND Ground
52 GND Ground HSIp(8) Receiver Lane 8,
53 GND Ground HSIn(8) Differential pair
54 HSOp(9) Transmitter Lane 9, GND Ground
55 HSOn(9) Differential pair GND Ground
56 GND Ground HSIp(9) Receiver Lane 9,
57 GND Ground HSIn(9) Differential pair
58 HSOp(10) Transmitter Lane 10, GND Ground
59 HSOn(10) Differential pair GND Ground
60 GND Ground HSIp(10) Receiver Lane 10,
61 GND Ground HSIn(10) Differential pair
62 HSOp(11) Transmitter Lane 11, GND Ground
63 HSOn(11) Differential pair GND Ground
64 GND Ground HSIp(11) Receiver Lane 11,
65 GND Ground HSIn(11) Differential pair
66 HSOp(12) Transmitter Lane 12, GND Ground
67 HSOn(12) Differential pair GND Ground
68 GND Ground HSIp(12) Receiver Lane 12,
69 GND Ground HSIn(12) Differential pair
70 HSOp(13) Transmitter Lane 13, GND Ground
71 HSOn(13) Differential pair GND Ground
72 GND Ground HSIp(13) Receiver Lane 13,
73 GND Ground HSIn(13) Differential pair
74 HSOp(14) Transmitter Lane 14, GND Ground
75 HSOn(14) Differential pair GND Ground
76 GND Ground HSIp(14) Receiver Lane 14,
77 GND Ground HSIn(14) Differential pair
78 HSOp(15) Transmitter Lane 15, GND Ground
79 HSOn(15) Differential pair GND Ground
80 GND Ground HSIp(15) Receiver Lane 15,
81 PRSNT#2 Hot plug present detect HSIn(15) Differential pair
82 RSVD#2 Hot Plug Detect GND Ground
End of the 16X connector

 

PCIE規格

傳輸通道數
腳Pin總數
主接口區Pin數
總 長 度
主接口區 長度
1
36
14
25 mm
7.65 mm
4
64
42
39 mm
21.65 mm
8
98
76
56 mm
38.65 mm
16
164
142
89 mm
71.65 mm
規格
總線寬度
工作時脈
傳輸速率
PCI-E x1
8 位
2.5 GHz
512 MiB/s
PCI-E x2
8 位
2.5 GHz
1.0 GiB/s
PCI-E x4
8 位
2.5 GHz
2.0 GiB/s
PCI-E x8
8 位
2.5 GHz
4.0 GiB/s
PCI-E x16
8 位
2.5 GHz
8.0 GiB/s

 

PCI Express 版本 行代碼 傳輸速率 吞吐量
×1 ×4 ×8 ×16
1.0 8b/10b 2.5GT/s 250MB/s 1GB/s 2GB/s 4GB/s
2.0 8b/10b 5GT/s 500MB/s 2GB/s 4GB/s 8GB/s
3.0 128b/130b 8GT/s 984.6MB/s 3.938GB/s 7.877GB/s 15.754GB/s
4.0 128b/130b 16GT/s 1.969GB/s 7.877GB/s 15.754GB/s 31.508GB/s
5.0 128b/130b 32 or 25GT/s 3.9 or 3.08GB/s 15.8 or 12.3GB/s 31.5 or 24.6GB/s 63.0 or 49.2GB/s

 

PS:帶寬、傳輸速率與吞吐量區別

舉個例吧
一條路每秒最多能過100輛車(寬帶就相當於100輛/秒)。
而並不是每秒都會有100輛車過,假如第一秒有0輛,第二秒有10輛...,(但是最多不能超過100輛)。
所以有第1秒0輛/秒,第2秒10輛/秒,第3秒30輛/秒,這不能說帶寬多少吧,於是就用吞吐量表示具體時間通過的量有多少(也有可能等於帶寬的量)。
由此可知帶寬是說的是最大值速率,吞吐量說的是某時刻速率。但吞吐量不能超過最大速率

傳輸速率又稱作帶寬,在數據傳輸的過程中,兩個設備之間數據流動的物理速度稱爲傳輸速率,單位bps。各種傳輸媒介中信號的流動速度是恆定的,即使數據鏈路的傳輸速率不同,也不會出現忽快忽慢的情況。傳輸速率不是指單位數據流動的速度有多快,而是指單位時間內傳輸的數據量有多少。
以我們生活中的道路交通爲例,低速數據鏈路如同車道較少無法讓很多車同時通過的情況,與之相反,高速數據鏈路就相當於有多個車道,一次允許更多車輛行駛的道路。帶寬越大網絡傳輸能力就越強。
主機之間實際的傳輸速率被稱作吞吐量。其單位與帶寬相同,都是bps(Bits per second)。吞吐量不僅衡量帶寬,同時也衡量主機的CPU處理能力、網絡的擁堵程度、報文中數據字段的佔有份額等信息。

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