PCI Express​简介

内容

概览

桌面​电脑​的​革新​速度​快得​令人​难以​置信。​根据​摩尔​定律,​自​集成​电路​发明​以来,​处理​器​的​速度​每​18​个​月​提升​1​倍。​软件​人员​不断​编写​新的​产品​以​支持​最新​的​处理​速度、​存储​大小、​以及​硬盘​容量;​硬件​供应​商​发布​新的​设备​和​技术​来​满足​最新​软件​的​需求。​在​基于​PC​的​测量​软​硬件​中,​这种​快速​革新​的​趋势​同样​势​不可​挡,​当今​的​插入​式​设备​能够​提供​比​以往​任何​产品​更高​的​采样​率​和​分辨​率。

随着​数据​采样​率​以及​分辨​率​的​不断​提升,​日益​增大​的​数据​量​必须​传输​到​PC​再​进行​处理。​从​设备​到​PC​存储​器​的​数据​传输​由​计算​机​总​线​完成。​总​线​类似​于​汽车​中的​传动装置,​没有​它​就不能​从​引擎​获得​马力。​正如​传动装置​的​重要性​常常​被​人们​对​引擎​马力​(处理​能力​及​A/​D​速率)​的​关注​而​掩盖,​数据​总​线​的​重要性​也​经常​被人​忽视。​实际​上,​数据​总​线​的​传输​速率​往往是​制约​测量​的​瓶颈,​也是​许多​仪器​集成​昂贵​板​载​内存​的​主要原因。

为了​满足​不断​增长​的​带​宽​需求,​2004​年​Intel​公司​提出​了​PCI Express​总​线,​它​最初​的​设计​用于​实现​高速​音​频、​视频​流​传输。​至今,​PCI Express​总​线​已经​实现​了​30​倍​于​传统​PCI​总​线​的​数据​传输​速率。

PCI Express​标准

PCI Express​的​引入​是​为了​克服​PCI​总​线​的​局限性。​PCI​总​线​工作​于​33 MHz 32​位,​峰值​理论​带​宽​可达​132 MB/​s,​它​采用​共享​总​线​拓​扑,​总​线​带​宽​被​分配​给​多台​设备,​不同​设备​可​通过​总​线​进行​通信。​随着​设备​的​发展,​对​带​宽的​占用​量​越来越​大。​最终,​总​线上​这些​占用​大量​带​宽的​设备​将使​其他​设备​无法​分享​到​任何​带​宽,​造成​PCI​总​线上​带​宽​供给​紧张。

相比​于​PCI,​PCI Express​最​显著​的​优势​在于​点对点​的​总​线​拓​扑。​PCI Express​将​PCI​上​的​共享​总​线​替换​为​共享​开关,​每​台​设备​均​可以​通过​专用​通道​直接​与​总​线​相连。​与​PCI​总​线上​的​设备​共享​带​宽​不同,​PCI Express​为​每​台​设备​提供​专用​的​数据​通道。​数据​封​装​成​包​后​以​成​对​的​发送​信号​和​接受​信号​方式​串​行​传输,​称​之​为​信道​(lane),​每​条​信道​的​单向​带​宽​为​250 MB/​s。​多​条​信道​可​组​合成​x1 (“单​条”),​x2,​x4,​x8,​x12​及​x16​的​信道​带​宽,​从而​增加​每​条​槽​的​带​宽,​最高​可达​4 GB/​s​的​总​吞吐量。


图​1. PCI Express​提供​了​专用​的​可​扩展​的​带​宽,​是​传统​PCI​带​宽的​30​倍。

诸如​数据​采集​或​波形​生成​等​应用,​需要​足够​的​总​线​带​宽​确保​数据​能够​及时​传输​到​PC​存储​器,​不​允许​出现​数据​流失​或​覆盖​等​传输​错误。​使用​PCI Express​可以​极大​地​改善​数据​带​宽的​紧张​局面,​数据​传输​速率​足够​快,​减少​了​对​板​载​内存​的​依赖。​配合​使用​数据​存储​技术,​例如​RAID (独立​磁盘​冗​余​阵​列),​高速​设备​生成​的​大量​数据​能够​连续传输并​存储,​用于​进一步​分析。​PCI Express​总​线​也是 PXI Express 这类​新型​总​线​技术​的​基础,​为​PXI​总​线​带来​了​同样​的​技术​优势。

软​硬件​兼容性

PCI Express​保持​与​传统​PCI​软件​兼容​的​同时,​将​物理​总​线​替换​为​高速​(2.5 Gb/​s)​串​口​总​线。​由于​硬件​构​架​的​更改,​接口​本身​将​不在​兼容。​具有​较​小​接口​的​设备​可以“上​行​插入”主​板​上​较大​的​主机​接口,​从而​改善​硬件​的​兼容​性​与​灵活​性。​然而,​不能​支持“下​行​插入”较​小​的​接口。


图​2. 现代​计算​机上​标准​PCI Express​插​槽​的​尺寸​为​x1、 x4、 x8​以及 x16

 

软件​兼容​性​从​PCI Express​规范​中​得到​了​保证。​PCI Express​设备​的​配置​空间​及​编​程​能力​与​传统​PCI​方法​相比​并​未​改变。​所有​操作​系统​无​需​修改​即可​启动​PCI Express​构​架。​此外,​由于​PCI Express​物理​层​对于​软件​来说​是​透明​的,​在​PCI​板​卡​上​编写​的​软件​无​需​修改​即可​用于​PCI Express​板​卡。​PCI Express​软件​的​向后​兼容​性​是​保留​开发​商​及​用户​软件​开发​投入​的​关键。

了解​更多​PCI Express​的​技术​细节,​请​阅读​白皮书PCI Express​技术​概览

为​PCI Express​板​卡​选择​合适​的​PC​主机

如今,​绝​大​多数​PC​机​都​同时​配有​PCI​及​PCI Express​插​槽。​常见​的​PCI Express​插​槽​尺寸​为​x1​及​x16。​x1​插​槽​是​典型​的​通用​槽,​x16​插​槽​用于​图像​板​卡​或​其它​高性能​设备。​一般,​x4​及​x8​插​槽​仅​在​服务​器​级​的​设备​中​使用。


Figure 3. Most motherboards have a combination of PCI and PCI Express slots.

了解​关于​为​PCI Express​板​卡​选择​合适​的​PC​主机​的​更多​技术​细节,​请​阅读​白皮书为​您​的​PCI Express​硬件​选择​合适​的​PC

结论

下一代​PC​总​线​就是​PCI Express,​它​为​发掘​测量​设备​最大​潜​能​开启​了​大门。​随着​仪器​测试​速度、​测试​精度​的​提高,​产生​的​数据​量​不断​增多,​数据​带​宽​可​扩展​的​PCI Express​构​架​将​确保​计算​机​总​线​不再​成为​测量​性能​的​瓶颈。

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