跑步迎接新的高速總線?。校茫伞。牛穑颍澹螅蟆。常罢Q生前夜

沈　亮

不知何時(shí)，我們已經(jīng)習(xí)慣了顯卡的PCI Express(以下簡稱PCI-E)接口，曾經(jīng)流行的AGP接口已經(jīng)完全被主流市場(chǎng)淘汰。從第一代PCI-E顯卡GeForce 5750到GeF0roe GTX295，從Radeon X600到即將發(fā)布的Radeon HD X5800，顯卡的性能提高了數(shù)十倍，但是沒有變的就是PCI-E接口。其實(shí)，你看到的只是表面，PCI-E接口同樣“與時(shí)俱進(jìn)”，內(nèi)在已經(jīng)發(fā)生了重太的變化。如同過去AGP存在2x、4x和8x的區(qū)別，PCI-E也從發(fā)布時(shí)的1.O，發(fā)展到目前的2.0標(biāo)準(zhǔn)。而在接下來的幾個(gè)月里，我們將迎來新的PCI-E 3.0標(biāo)準(zhǔn)。

長江后浪推前浪——PCI-E總線誕生

在PCI-E顯卡正式大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的2004年，占據(jù)系統(tǒng)總線主導(dǎo)地位的是誕生于1992年的PCI(Peripheral Component Interconnect，外部部件互聯(lián))總線以及顯卡專用的AGP總線。其中PCI總線的頻率為33MHz，位寬為32bn，帶來了133MB／s的峰值帶寬。在更早之前，即使是共享PCI總線的方式也能夠滿足2D顯卡、聲卡、10M網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸要求。而且PCI總線擁有效率更高的同步傳輸機(jī)制、獨(dú)立的總線控制和負(fù)載、支持即插即用等優(yōu)勢(shì)，面市后迅速取代了老舊的ISA(Industry StandardArchitecture工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))總線。也正是以上的優(yōu)勢(shì)，PCI總線為家庭多媒體電腦的普及立下汗馬功勞，至今已經(jīng)努力工作了近17個(gè)年頭。

但是隨著電腦娛樂和寬帶互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，高數(shù)據(jù)吞吐量的3D加速顯卡、多硬盤陣列卡和100M／1000M網(wǎng)卡很快榨干了PCI僅有的133MB/s特寬。因此，由PCI總線衍生出來了一些其它總線，如PCI-X。而且工程師們另辟蹊徑，還發(fā)展了顯卡專用的AGP總線和千兆網(wǎng)卡CSA專用通道，以此分擔(dān)PCI的帶寬壓力。從此，PCI淪為低速設(shè)備的專用總線，應(yīng)用對(duì)象僅僅是聲卡、100M網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、USB／1394擴(kuò)展卡等中低速部件。

在3D顯卡發(fā)展初期，AGP(Accelerated Graphics Port)成為新的顯卡接口。AGP同樣是32bit位寬，但它的工作頻率從66MH開始。AGP1X規(guī)范在每個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿傳輸數(shù)據(jù)，可以提供266MB／s的帶寬，而AGP 2X可以同時(shí)利用時(shí)鐘周期的上升和下降沿傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到了533MB／s的帶寬，AGP 8X則將帶寬提高到了2.12GB／s，足以滿足當(dāng)時(shí)的3D顯卡。

專用總線的設(shè)計(jì)不過是個(gè)權(quán)宜之計(jì)，如果每種高速設(shè)備都新設(shè)計(jì)一種專用總線，是不現(xiàn)實(shí)的。世間之事，合久必分，分久必和。在PCI、AGP，CSA等多種總線共存著進(jìn)入新千年后，2002年P(guān)CI-E的前身3GIO(3G+IO，第三代輸入輸出)總線的發(fā)布，標(biāo)志著電腦系統(tǒng)再次合并到一種總線標(biāo)準(zhǔn)中。PCI-E總線沿用了PCI總線的編程概念和通信標(biāo)準(zhǔn)，但是PCI—E最大的革新在于摒棄了并行共享總線，使用了串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸機(jī)制，此舉顯著地提升了總線帶寬和效率。

PCI-E總線優(yōu)勢(shì)

1)采用LVDS(Low VoltageDifferential Signal，低電壓差分信號(hào))的串行總線

串行通訊是電腦系統(tǒng)在21世紀(jì)的發(fā)展方向，依靠串行差分信號(hào)，PCI-E獲得了比PCI高得多的頻率和帶寬。為了保證高速串行信號(hào)的完整性，PCI-E1.O和PCI-E 2.0產(chǎn)用了8b／10b的編碼方式，通過插入2位輔助碼來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。而且PCI—E支持雙向傳輸模式和數(shù)據(jù)分通道傳輸模式，單通道(x1)單向傳輸帶寬即可達(dá)到250MB／s，雙向傳輸帶寬為500MB／s。而在需要更多帶寬時(shí)，PCI—E允許多通道合并使用，這樣運(yùn)用于顯卡的16通道PCI-Ex16接口雙向傳輸帶寬更是達(dá)到8GB／s(PCI-E 1.O標(biāo)準(zhǔn))。單通道8位的PCI—E數(shù)據(jù)線比起PCI動(dòng)輒32位、64位的數(shù)據(jù)線，在提升頻率和布線上要容易得多。

2)PCI-E總線充分利用先進(jìn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連、基于交換的技術(shù)、基于包的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)新的總線特征。

和過去PCI共享方式相比，PCI-E就相當(dāng)刊、區(qū)共享10M上網(wǎng)和個(gè)人10M專線上網(wǎng)的區(qū)別，隨時(shí)都能保證單個(gè)設(shè)備的帶寬要求。同時(shí)PCI-E還加入了電源管理、服務(wù)質(zhì)量(QOS)、熱插拔支持、數(shù)據(jù)完整性、錯(cuò)誤處理機(jī)制等高級(jí)特征，使總線能夠工作于多種場(chǎng)合和多種模式。

3)與PCI總線良好的繼承性，可以保持軟件的繼承和可靠性。

PCI-E僅僅在最下面的物理層將PCI的共享總線換成了一個(gè)高速的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)總線，之后的數(shù)據(jù)連接層、交換層和軟件層保持不變。雖然在物理插槽方面和以前的PCI不兼容，但是與PCI總線良好的繼承性，可以保持軟件的繼承和可靠性。PCI-E總線關(guān)鍵的PCI特征，比如應(yīng)用模型、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、軟件接口等與傳統(tǒng)PCI總線保持一致。

通過PCI-E特殊興趣組(簡稱PCI—SIG)的推廣和各大IT生產(chǎn)商的積極配合，PCI-E以摧枯拉朽之勢(shì)淘汰了AGP接口，成為新一代顯卡的首選接口。而板載網(wǎng)卡芯片(以板載千兆芯片為主)，如常見的Realtek 8111千兆網(wǎng)卡芯片，也已經(jīng)采用PCI-E接口和系統(tǒng)相連。就連常見的南北橋芯片也能使用PCI-E通道進(jìn)行互聯(lián)，充分顯示了PCI-E的擴(kuò)展性。

總線規(guī)格更新——PCI-E 2.0上位

由于3D顯卡性能和功能的顯著增長，對(duì)PCI-E總線的帶寬和供電能力提出了新的要求。在1.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布4年后的2006年，新的PCI-E 2.0總線標(biāo)準(zhǔn)誕生了。依靠2.5GHz的最高工作頻率，PCI-E 2.0單通道的單向最大帶寬即達(dá)到了500MB／s，進(jìn)一步滿足了高數(shù)據(jù)吞吐設(shè)備的帶寬要求。比如有的芯片組在支持SLI或者CrossFireX多顯卡互聯(lián)時(shí)僅能提供兩路PCI-E x8接口，而不是兩路PCI-E x16，每塊顯卡只能獲得4GB／s的雙向帶寬。而在運(yùn)用PCI-E 2.0標(biāo)準(zhǔn)后，即使是PCI-Ex8接口也能提供8GB／s的雙向帶寬。

另外，PCI-E 2.0還新增動(dòng)態(tài)連接功能，系統(tǒng)可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)、連續(xù)地調(diào)整總線的速度，達(dá)到降低功耗的目的，這一功能對(duì)于節(jié)電至上的移動(dòng)設(shè)備來說尤其重要。其次，PCI，E 2.0規(guī)范具有訪問控制功能，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中，軟件可以對(duì)互連的包路由進(jìn)行控制，防止黑客通過欺騙、數(shù)據(jù)重新路由的手段來竊取數(shù)據(jù)。

PCI-E 2.O經(jīng)過三年多的推廣，已經(jīng)騰無聲息地取代了大部分顯卡和主板上的PCI-E 1.O接口。這時(shí)新升級(jí)的總線協(xié)議又即將來到我們面前，這就是今天單向單通道帶寬修煉至GB級(jí)的PCI-E 3.0總線標(biāo)準(zhǔn)。

新王者降臨——PCI-E 3.0草案公布

PCI-E 3.0標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于2.0最明顯的變化還是速度上的升級(jí)。下表就是PCI-E三代總線的原始傳輸率和數(shù)據(jù)帶寬。而PCI-E 3.0為了在相同物理結(jié)構(gòu)下再次提高數(shù)據(jù)帶寬，對(duì)內(nèi)部協(xié)議做了多方面優(yōu)化和升級(jí)。

更新的編碼方式

前面提到PCI-E 1.0和2.0總線使用了8b／10b的編碼方式來避免串行傳輸錯(cuò)誤——即在每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)(8位)中再加入2位輔助位來提高直流傳輸特性，避免多周期相同數(shù)據(jù)傳輸可能帶來的接收同步錯(cuò)誤(長時(shí)間全O或者全1)。因此數(shù)據(jù)帶寬實(shí)際上是原始傳輸率的4／5。按照這種規(guī)律，PCI-E 3.0要將原始傳輸率提高到10GT／s才能實(shí)現(xiàn)相對(duì)PCI-E 2.0帶寬翻倍的任務(wù)。但是經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析，PCI-SIG發(fā)現(xiàn)10GT／s的原始傳輸率對(duì)PCI-E芯片和電路板布線要求很高，而在相同硬件條件下只有8GT／s能夠穩(wěn)定完成傳輸任務(wù)。

于是，PCI-E 3.0標(biāo)準(zhǔn)放棄了一直沿用的8b／10b編碼方式，采用加擾(serambling)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸。加擾的技術(shù)原理是將可能產(chǎn)生恒定電平的01序列用足夠多的跳變替代，來滿足同步要求。由于加擾不需加入額外的輔助碼，這樣即使工作在8GT／sT的PCI-E3.0標(biāo)準(zhǔn)也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬上的翻倍，達(dá)到8Gb／s。

更強(qiáng)的供電能力

除了總線帶寬，PCI—E接口輸出功率也成為近幾年我們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，這完全歸咎于功耗飆升的GPU。隨著GPU集成度的快速提高，其集成度和功率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CPU。比如Athlon X25200+CPU的TDP在90W左右，尚不及Radeon HD4850顯卡滿載功率(大于200W)的一半。因此PCI-E高性能顯卡外接電源已成為常事，并且一路發(fā)展到極端的雙8pin供電。回頭來看看一路走來顯卡接口的供電能力，即使PCI-E 2.0也難以滿足未來500元～1000元這個(gè)主流價(jià)位區(qū)間顯卡的供電。

因此在PCI-E 3.0中，插槽供電能力被一舉提高到300W，再結(jié)合目前GPU界開始的節(jié)能減排風(fēng)，PCI-E 3.0的300W供電能力估計(jì)能夠在一段時(shí)間內(nèi)滿足大眾顯卡的要求。至于旗艦GPU和雙GPU顯卡，仍然需要使用外接供電。

外置顯卡走向?qū)嶋H

筆記本電腦的3D性能不甚理想，當(dāng)PCI-E融入筆記本誕生ExpressCard后，期待在筆記本電腦上玩《Crysis》的發(fā)燒友們又重新燃起了希望。既然PCI-E x1的顯卡已經(jīng)誕生，那么在ExpressCard上不是也能發(fā)展顯卡嗎?

沒錯(cuò)，華碩和AMD都提出了自己的外置顯卡計(jì)劃和樣品。但是由于這些產(chǎn)品最高只能使用PCI-E x8(2.0)雙向4GB／s的帶寬，只能滿足中檔顯卡的要求。對(duì)于一些移動(dòng)發(fā)燒友來說，為了買一臺(tái)支持外置顯卡的高性能筆記本而支付了不菲的價(jià)格，卻只能使用1000元左右的顯卡，顯然是不可接受的。好在當(dāng)外置顯卡技術(shù)足夠成熟后，3.0的PCI-E x8將提供8GB／s的帶寬，為這種尷尬的情況帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

擴(kuò)展協(xié)議和優(yōu)化電氣特性

除開速度和供電上的提升，PCI-E 3.O標(biāo)準(zhǔn)也將新增部分?jǐn)U展功能協(xié)議。如最近AMD聯(lián)合HP就針對(duì)PCI-E 3.0提出了兩個(gè)擴(kuò)展協(xié)議：

一個(gè)是多路復(fù)用協(xié)議，利用主板或者擴(kuò)展卡上的模塊，實(shí)現(xiàn)PCI-E和其它7種不同傳輸協(xié)議之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。在該協(xié)議下，通過PCI-E接口，可以將CPU和GPU通過QPI總線(Intel CPU)或者HT總線(AMD CPU)連接起來，實(shí)現(xiàn)更快捷的數(shù)據(jù)共享。這對(duì)未來的CPU+GPU融合芯片是相當(dāng)有利的。

另一個(gè)擴(kuò)展被稱為輕信息。它允許協(xié)處理器及外圍設(shè)備在存儲(chǔ)系統(tǒng)的支持下，通過PCI-E接口相互通信，不再經(jīng)過中央處理器。在此協(xié)議支持下，未來進(jìn)行電腦間大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)就可以跳過CPU，直接在兩塊硬盤間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

同時(shí)，為了補(bǔ)償PCI-E通道中傳輸頻率提高帶來的數(shù)據(jù)采集和功耗問題，PCI-E還強(qiáng)化了誤碼情況下的數(shù)據(jù)再生能力，優(yōu)化了動(dòng)態(tài)電源控制，通過提高芯片和布線上的電氣性能改善保證高頻傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)完整性。

迎接新的挑戰(zhàn)

鑒于PCI-E 3.0相對(duì)前任的諸多升級(jí)，必須對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行足夠多的兼容性測(cè)試，因此其發(fā)布時(shí)間也一再跳票，產(chǎn)品要到2010年才可能發(fā)布。好在PCI-E 2.0總線標(biāo)準(zhǔn)在一段時(shí)間內(nèi)還能夠應(yīng)付目前的應(yīng)用情況。從這里我們也看到，系統(tǒng)總線作為連接電腦各部件的橋梁，從來就是防患于未然，始終保持領(lǐng)先主流總線所需帶寬一代以上的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)我們驚訝于千兆網(wǎng)傳輸?shù)难附?、高速固態(tài)硬盤那吞噬全部SATA2.0帶寬的高速時(shí)，不要忘記幕后的PCI-E總線的功勞。

有關(guān)PCI-E 3.0的疑問

PCI-E 3.O面市的時(shí)間表是怎么樣的?

答：首批PCI-E 3.0產(chǎn)品將會(huì)在2010年年中發(fā)布，但也有可能拖到2011年。

什么是PCI-E擴(kuò)展協(xié)議，以及它們?nèi)绾胃倪M(jìn)PCI-E互連性能?

答：PCI-E通訊擴(kuò)展協(xié)議主要是用來改善互連延遲、功耗和平臺(tái)效率。這些擴(kuò)展協(xié)議為更好地訪問平臺(tái)資源、利用各種計(jì)算和I／O密集型應(yīng)用鋪平了道路。有多個(gè)協(xié)議擴(kuò)展和增強(qiáng)功能正在開發(fā)中，它們的范圍包括數(shù)據(jù)的再利用、原子操作、動(dòng)態(tài)功率調(diào)整機(jī)制、I／O頁面錯(cuò)誤等，以及在前面提到的多路復(fù)用協(xié)議和輕信息擴(kuò)展。這些協(xié)議擴(kuò)展將應(yīng)用在新興平臺(tái)，體現(xiàn)PCI-E總線的領(lǐng)先地位。

PCI-E 3.O的兼容性如何?

PCI-SIG組織最值得驕傲的就是良好的兼容性，PCI-E 3.0將仍然向下支持之前的標(biāo)準(zhǔn)，無論是在物理接口、時(shí)鐘架構(gòu)或者軟件上。PCI-E 3.0會(huì)向下兼容現(xiàn)有的PCI-E 2.0，因此插槽和接口形式不會(huì)發(fā)生任何變化，區(qū)別只存在于電氣規(guī)范方面。PCI-E 2.0或1.x的產(chǎn)品插入PCI-E 3.0接口，將以產(chǎn)品的最高性能運(yùn)行。PCI-E 3.0的產(chǎn)品也會(huì)支持8b／10b編碼，如果將PCI-E 3.0的產(chǎn)品插入之前版本的接口，就會(huì)以插槽所支持的最高數(shù)據(jù)傳輸率運(yùn)行。