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PCI Express是新一代的匯流排介面,而採用此類介面的顯卡產品,已經在2004年正式面世。

 

1 PCI Express介面 -概述

PCI Express介面PCI Express介面

PCI Express採用了目前業內流行的點對點串列連接,比起PCI以及更早期的計算機匯流排的共享并行架構,每個設備都有自己的專用連接,不需要向整個匯流排請求帶寬,而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率,達到PCI所不能提供的高帶寬。相對於傳統PCI匯流排在單一時間周期內只能實現單向傳輸,PCI Express的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量,它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。

PCI Express的介面根據匯流排位寬不同而有所差異,包括X1、X4、X8以及X16(X2模式將用於內部介面而非插槽模式)。較短的PCI Express卡可以插入較長的PCI Express插槽中使用。PCI Express介面能夠支持熱拔插,這也是個不小的飛躍。PCI Express卡支持的三種電壓分別為+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用於取代AGP介面的PCI Express介面位寬為X16,將能夠提供5GB/s的帶寬,即便有編碼上的損耗但仍能夠提4GB/s左右的實際帶寬,遠遠超過AGP 8X的2.1GB/s的帶寬。

PCI Express規格從1條通道連接到32條通道連接,有非常強的伸縮性,以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同的需求。例如,PCI Express X1規格支持雙向數據傳輸,每向數據傳輸帶寬250MB/s,PCI Express X1已經可以滿足主流聲效晶元、網卡晶元和存儲設備對數據傳輸帶寬的需求,但是遠遠無法滿足圖形晶元對數據傳輸帶寬的需求。 因此,必須採用PCI Express X16,即16條點對點數據傳輸通道連接來取代傳統的AGP匯流排。PCI Express X16也支持雙向數據傳輸,每向數據傳輸帶寬高達4GB/s,雙向數據傳輸帶寬有8GB/s之多,相比之下,目前廣泛採用的AGP 8X數據傳輸只提供2.1GB/s的數據傳輸帶寬。

PCI Express介面PCI Express介面

儘管PCI Express技術規格允許實現X1(250MB/秒),X2,X4,X8,X12,X16和X32通道規格,但是依目前形式來看,PCI Express X1和PCI Express X16將成為PCI Express主流規格,同時晶元組廠商將在南橋晶元當中添加對PCI Express X1的支持,在北橋晶元當中添加對PCI Express X16的支持。除去提供極高數據傳輸帶寬之外,PCI Express因為採用串列數據包方式傳遞數據,所以PCI Express介面每個針腳可以獲得比傳統I/O標準更多的帶寬,這樣就可以降低PCI Express設備生產成本和體積。另外,PCI Express也支持高階電源管理,支持熱插拔,支持數據同步傳輸,為優先傳輸數據進行帶寬優化。

PCI Express(以下簡稱PCI-E)採用了目前業內流行的點對點串列連接,比起PCI以及更早期的計算機匯流排的共享并行架構,每個設備都有自己的專用連接,不需要向整個匯流排請求帶寬,而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率,達到PCI所不能提供的高帶寬。相對於傳統PCI匯流排在單一時間周期內只能實現單向傳輸,PCI-E的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量,它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。 

在兼容性方面,PCI-E在軟體層面上兼容目前的PCI技術和設備,支持PCI設備和內存模組的初始化,也就是說過去的驅動程序、操作系統無需推倒重來,就可以支持PCI-E設備。目前PCI-E已經成為顯卡的介面的主流,不過早期有些晶元組雖然提供了PCI-E作為顯卡介面,但是其速度是4X的,而不是16X的,例如VIA PT880 Pro和VIA PT880 Ultra,當然這種情況極為罕見。

2 PCI Express介面 -起源和現狀

PCI Express介面PCI Express介面

2001年春季的IDF上Intel正式公布PCI Express,是取代PCI匯流排的第三代I\O技術,也稱為3GIO。該匯流排的規範由Intel支持的AWG(Arapahoe Working Group)負責制定。2002 年4月17日,AWG正式宣布3GIO 1.0規範草稿制定完畢,並移交PCI-SIG進行審核。開始的時候大家都以為它會被命名為Serial PCI(受到串列ATA的影響),但最後卻被正式命名為PCI Express。2006年正式推出Spec2.0(2.0規範)。

PCI Express匯流排技術的演進過程,實際上是計算系統I\O介面速率演進的過程。PCI匯流排是一種33MHz@32bit或者66MHz@64bit的并行匯流排,匯流排帶寬為133MB/s到最大533MB/s,連接在PCI匯流排上的所有設備共享133MB/s~533MB/s帶寬。這種匯流排用來應付音效卡、10/100M網卡以及USB 1.1等網路介面基本不成問題。隨著計算機和通信技術的進一步發展,新一代的I\O介面大量湧現,比如千兆(GE)、萬兆(10GE)的乙太網技術、4G/8G的FC技術,使得PCI匯流排的帶寬已經無力應付計算系統內部大量高帶寬并行讀寫的要求,PCI匯流排也成為系統性能提升的瓶頸,於是就出現了PCI Express匯流排。PCI Express匯流排技術在當今新一代的存儲系統已經普遍的應用。PCI Express匯流排能夠提供極高的帶寬,來滿足系統的需求。如下表所示:


目前,PCI-E 3.0規範也已經確定,其編碼數據速率,比同等情況下的PCI-E 2.0規範提高了一倍,X32埠的雙向速率高達320Gbps。

3 PCI Express介面 -技術優勢

PCI Express介面PCI Express介面

PCI匯流排的最大優點是匯流排結構簡單、成本低、設計簡單,但是缺點也比較明顯:

1) 并行匯流排無法連接太多設備,匯流排擴展性比較差,線間干擾將導致系統無法正常工作;

2) 當連接多個設備時,匯流排有效帶寬將大幅降低,傳輸速率變慢;

3) 為了降低成本和儘可能減少相互間的干擾,需要減少匯流排帶寬,或者地址匯流排和數據匯流排採用復用方式設計,這樣降低了帶寬利用率。 PCI Express匯流排是為將來的計算機和通訊平台定義的一種高性能,通用I\O互連匯流排。

與PCI匯流排相比,PCI Express匯流排主要有下面的技術優勢:

1) 是串列匯流排,進行點對點傳輸,每個傳輸通道獨享帶寬。

2) PCI Express匯流排支持雙向傳輸模式和數據分通道傳輸模式。其中數據分通道傳輸模式即PCI Express匯流排的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道連接,x1單向傳輸帶寬即可達到250MB/s,雙向傳輸帶寬更能夠達到500MB/s,這個已經不是普通PCI匯流排所能夠相比的了。具體配置可以參照表1。

PCI Express介面PCI Express介面

3) PCI Express匯流排充分利用先進的點到點互連、基於交換的技術、基於包的協議來實現新的匯流排性能和特徵。電源管理、服務質量(QoS)、熱插拔支持、數據完整性、錯誤處理機制等也是PCI Express匯流排所支持的高級特徵。

4) 與PCI匯流排良好的繼承性,可以保持軟體的繼承和可靠性。PCI Express匯流排關鍵的PCI特徵,比如應用模型、存儲結構、軟體介面等與傳統PCI匯流排保持一致,但是并行的PCI匯流排被一種具有高度擴展性的、完全串列的匯流排所替代。

5) PCI Express匯流排充分利用先進的點到點互連,降低了系統硬體平台設計的複雜性和難度,從而大大降低了系統的開發製造設計成本,極大地提高系統的性價比和健壯性。從下面表格可以看出,系統匯流排帶寬提高同時,減少了硬體PIN的數量,硬體的成本直接下降。

4 PCI Express介面 -萬兆存儲系統的應用

PCI Express介面PCI Express介面

在H3C公司開發的最新一代存儲產品IX3000中,採用Intel最新一代伺服器硬體平台技術,前端支持高達16個GE介面,或者8個GE+8個4Gb FC介面,最高配置更可以支持多達4個10GE介面,後端介面可以提供6個SAS×4寬埠,達到72Gbps的後端訪問速率,提供無與倫比的磁碟訪問IOPS和吞吐量,只有PCI Express匯流排架構的系統才能滿足系統性能的需求。

IX3000存儲系統控制器系統架構如下圖所示。系統採用4條×8的PCIE匯流排來擴展前端和後端介面,採用2條×8PCIE匯流排來實現2個控制器之間的緩存鏡像,採用2條×8PCIE匯流排作為系統內部的控制和管理通道。其前端介面能夠安裝10GE介面卡或者GE+FC COMBO介面卡,以及GE介面卡,後端PCIE介面用來和高性能的IO處理擴展卡連接,提供高性能IO處理、RAID計算以及CACHE鏡像管理等功能,並提供SAS後端介面用於連接SAS磁碟陣列,為用戶帶來前所未有的存儲新體驗。

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