PCI-E基础

PCI-Express(peripheral component interconnect express)是一种高速串行计算机扩展总线标准,是由英特尔在2001年提出的。PCIe属于高速串行点对点双通道高带宽传输,所连接的设备分配独享通道带宽,不共享总线带宽,主要支持主动电源管理,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。是PCI的更高发展,PCIe比以前的标准有许多改进,包括更高的最大系统总线吞吐量,更低的I/O引脚数量和更小的物理尺寸,更好的总线设备性能缩放,更详细的错误检测和报告机制(高级错误报告,AER)和本机热插拔功能。PCIe标准的更新版本为I/O虚拟化提供了硬件支持。PCIe的主要优势在于其减少延迟的能力。PCIe设备和PCIe总线直接相连,使缓存和数据更接近CPU。他们消除了传统存储协议的开销,并且EMC公司认为在合适的条件下能实现远远优于从08年开始销售的串列SCSI和SATA的固态硬盘SSD的性能。

在概念上,PCI Express总线是较旧的PCI/ PCI-X总线的高速串行替换。PCI Express总线与旧PCI之间的主要区别之一是总线拓扑。 PCI使用共享并行总线架构,其中PCI主机和所有设备共享一组通用的地址,数据和控制线。 相比之下,PCI Express基于点到点拓扑,单独的串行链路将每个设备连接到根系统(主机)。 由于其共享总线拓扑,可以对单个方向上的PCI总线进行仲裁(在多个主机的情况下),并且一次限制为一个主机。 此外,旧的PCI时钟方案将总线时钟限制在总线上最慢的外设(不管总线事务中涉及的设备如何)。 相比之下,PCI Express总线链路支持任何两个端点之间的全双工通信,同时跨多个端点的并发访问没有固有的限制。PCI插槽和PCI Express插槽不可互换。

单通道PCI Express(×1)卡可以插入多通道插槽(×4,×8等),初始化周期自动协商最高相互支持的通道数。该链接可以动态地自动配置自己,以便使用较少的通道,在存在不良或不可靠的通道的情况下提供故障容限。

串行接口不会出现定时偏移,因为每个通道中每个方向只有一个差分信号,并且由于时钟信息嵌入在串行信号本身中,所以没有外部时钟信号。因此,串行信号的典型带宽限制在几千兆赫范围内。 PCI Express是串行互连替代并行总线的一般趋势的一个例子;其他示例包括Serial ATA(SATA),USB,Serial Attached SCSI(SAS),FireWire(IEEE 1394)和RapidIO。在数字视频中,常用的例子有DVI,HDMI和DisplayPort。

多通道串行设计增加了灵活性,其能够为较慢的设备分配较少的通道。

1. PCI-E插槽金手指实物图

PCI-E插槽,从上至下依次为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接口定义

说明:

Ground pin Zero volt reference  
Power pin Supplies power to the PCIe card / 为PCIe卡供电  
Card-to-host pin Signal from the card to the motherboard / 从卡到主板的信号    
Host-to-card pin Signal from the motherboard to the card / 从主板到卡的信号    
Open drain May be pulled low or sensed by multiple cards / 可能拉低或由多张卡感应
Sense pin / 感应针 Tied together on card / 绑在一张卡上  
Reserved Not presently used, do not connect  
PCI-Express Connector Pin-Out / PCIE连接器引脚
Pin Side B Connector / B侧 Side A Connector / A侧
# Name Description Name Description
1 +12v +12 volt power /主电源引脚 PRSNT#1 Hot plug presence detect  / 热插拔存在检测,必须连接到最远的PRSNT2 #
2 +12v +12 volt power +12v +12 volt power
3 +12v +12 volt power /有的标为保留针脚RSVD +12v +12 volt power
4 GND Ground GND Ground
5 SMCLK SMBus clock /系统管理总线 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 /备用(辅助)电源 +3.3v +3.3 volt power
11 WAKE# Link Reactivation /链接激活信号 PWRGD Power Good /电源准备好信号 有歧义,有的当做复位用
Mechanical Key
12 RSVD Reserved /有的标为CLKREQ#,请求运行时钟 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 / 热插拔存在检测 HSIn(0) Differential pair
18 GND Ground GND Ground
End of the 1X connector / PCI Express×1卡在引脚18处结束
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带宽模式在引脚32处结束
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卡在引脚49处结束
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规格

传输通道数
脚Pin总数
主接口区Pin数
总 长 度
主接口区 长度
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
规格
总线宽度
工作时脉
传输速率
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 行代码 传输速率 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:带宽、传输速率与吞吐量区别

举个例吧
一条路每秒最多能过100辆车(宽带就相当于100辆/秒)。
而并不是每秒都会有100辆车过,假如第一秒有0辆,第二秒有10辆...,(但是最多不能超过100辆)。
所以有第1秒0辆/秒,第2秒10辆/秒,第3秒30辆/秒,这不能说带宽多少吧,于是就用吞吐量表示具体时间通过的量有多少(也有可能等于带宽的量)。
由此可知带宽是说的是最大值速率,吞吐量说的是某时刻速率。但吞吐量不能超过最大速率

传输速率又称作带宽,在数据传输的过程中,两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率,单位bps。各种传输媒介中信号的流动速度是恒定的,即使数据链路的传输速率不同,也不会出现忽快忽慢的情况。传输速率不是指单位数据流动的速度有多快,而是指单位时间内传输的数据量有多少。
以我们生活中的道路交通为例,低速数据链路如同车道较少无法让很多车同时通过的情况,与之相反,高速数据链路就相当于有多个车道,一次允许更多车辆行驶的道路。带宽越大网络传输能力就越强。
主机之间实际的传输速率被称作吞吐量。其单位与带宽相同,都是bps(Bits per second)。吞吐量不仅衡量带宽,同时也衡量主机的CPU处理能力、网络的拥堵程度、报文中数据字段的占有份额等信息。

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