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在 PCI Express 20 周年即將到來之際，讓我們回顧一下擴(kuò)展插槽的發(fā)展歷程。

PCI Express（PCIe）總線誕生的年代，個(gè)人電腦中的擴(kuò)展插槽數(shù)量與 CPU 時(shí)鐘速度或系統(tǒng) RAM 數(shù)量同等重要。從那時(shí)起，PCIe 總線就從一組用于插入擴(kuò)展卡的插槽發(fā)展成為一種高速互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

PCIe 總線的起源：IBM 和 5150 PC

PCIe 總線起源于 1981 年推出的 IBM 5150 型 PC。5150 之前的個(gè)人電腦（如 Apple II）采用開放式標(biāo)準(zhǔn)總線，或?yàn)榈谌綌U(kuò)展板發(fā)布總線規(guī)格。在這種競爭壓力下，IBM 不得不開放 5150 總線并公布其規(guī)格。

在IBM的支持下，整個(gè)行業(yè)都是圍繞為IBM PC總線設(shè)計(jì)和提供擴(kuò)展卡而建立的。IBM 的第二款 PC 機(jī)型 PC/AT 將總線數(shù)據(jù)寬度從 8 位提高到 16 位，并保持了開放式架構(gòu)。許多公司在其 PC 的克隆產(chǎn)品（稱為 PC 兼容機(jī)）中使用了總線?？偩€在擴(kuò)展板和 PC 克隆機(jī)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，促成了總線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu) (ISA)。這對消費(fèi)者和克隆 PC 制造商來說是件好事，但卻奪走了 IBM 的控制權(quán)和許可收入。

IBM 試圖重新獲得標(biāo)準(zhǔn)控制權(quán)

20 世紀(jì) 80 年代末，新型處理器和更快的速度使 ISA 總線逐漸過時(shí)。IBM 推出了新的專有微通道(Micro Channel)總線，試圖解決 ISA 總線的缺陷。該公司保留了微通道的專利權(quán)，以便從出售給 PC 兼容機(jī)制造商的許可費(fèi)中獲利。然而，個(gè)人電腦行業(yè)轉(zhuǎn)而采用英特爾公司的 32 位外設(shè)組件互連（PCI）總線，該總線由 PCI 特別興趣組（PCI-SIG）維護(hù)。

80486 年最先進(jìn)的 PC 兼容 i1995 主板，支持 ISA（前景中的四個(gè)黑色插槽）和 PCI（中間三個(gè)白色插槽）。拍攝：Duane Benson

雖然 PCI 總線與微通道一樣速度更快，但它是一個(gè)開放的全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PCI 首創(chuàng)了一種無需附加卡即可將主板內(nèi)置外設(shè)連接到總線的架構(gòu)。在以前的 ISA 架構(gòu)中，主板內(nèi)置的外設(shè)通常需要定制的非標(biāo)準(zhǔn)接口電路。PCI 總線提供了一個(gè)板載外設(shè)接口，在電氣上等同于將電路板插入插槽，使板載集成和軟件支持更加容易。

PCI 總線（仍然）不足

雖然 PCI 總線的性能比 ISA 總線高，但它也繼承了 ISA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的許多缺點(diǎn)。與 ISA 一樣，PCI 總線采用共享并行數(shù)據(jù)總線架構(gòu)。雖然 PCI 在速度潛力和信號完整性方面有了很大的提高，但它仍然要求每個(gè)外設(shè)共享資源，并就單獨(dú)訪問總線進(jìn)行協(xié)商。

圖形加速卡制造商比其他接口卡制造商更早地遇到了這些限制，這促使了加速圖形端口（AGP）的開發(fā)。AGP 是 PCI 的超集，它不再共享總線，而是在 AGP 卡插槽和主板芯片組之間提供直接路徑。

PCIe 中 PCI 共享總線與串行點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比

在舊的 PCI 和 ISA 總線主控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一次只能有一個(gè)外設(shè)訪問總線。每個(gè)外設(shè)都會根據(jù)需要協(xié)商主控狀態(tài)，等到可以獲得控制權(quán)時(shí)再采取行動(dòng)。即使有直接內(nèi)存訪問（DMA），也幾乎無法并行操作。這些老式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足了 20 世紀(jì) 80 年代慢速應(yīng)用的需要，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足游戲、高速網(wǎng)絡(luò)或新千年出現(xiàn)的復(fù)雜圖形界面的需要。

為什么說 PCIe 是一大進(jìn)步

PCIe 不僅僅是一個(gè)物理插槽標(biāo)準(zhǔn)?？偩€的主力是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PCIe 用于連接內(nèi)置外設(shè)、筆記本電腦和迷你 PC 的附加卡以及固態(tài)硬盤存儲。Mini PCIe 使用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、編碼和規(guī)格，在電氣上與普通 PCIe 兼容?，F(xiàn)在常見的 M.2 SSD 接口也使用 PCIe 拓?fù)洹?/span>

PCIe 的串行數(shù)據(jù)路徑使用單向差分線對，以提高信號完整性。雖然這些線對需要匹配長度以進(jìn)行糾偏，但每對線對中的兩條跡線要比 8、16 或 32 條跡線容易處理得多。

差分信號走線的去偏斜技術(shù)。圖片由英特爾提供

高速并行總線也可能受到串?dāng)_的影響，串?dāng)_是從一條走線到另一條走線的信號泄漏。這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞并限制帶寬。差分配對信號可消除大多數(shù)串?dāng)_，并提供更清晰的信號。

PCIe 差分對的優(yōu)勢

PCIe 的單向差分對由四條線跡組成，每個(gè)方向都有一個(gè)差分對。每組四個(gè)連接稱為一個(gè)通道，PCIe 插槽可支持 1 到 16 個(gè)通道。用于連接兩個(gè) PCIe 設(shè)備的通道組稱為互連或鏈路。現(xiàn)代圖形加速器通常使用 16 通道插槽，有些需要兩個(gè)插槽和額外的電源連接。

具有不同通道數(shù)的常見 PCIe 主板插槽配置。從上到下：PCIe x4、PCIe x16、PCIe x1、PCIe x16 和用于向后兼容的傳統(tǒng) PCI 32 位插槽。

差分對排列可加快傳輸速度并提高可靠性。在 PCIe 1.0 和 2.0 版本中，數(shù)據(jù)以帶有兩個(gè)開銷位的八位字傳輸，稱為 8b/10b 編碼。這意味著 20% 的傳輸位是開銷位，而不是數(shù)據(jù)。PCI 3.0 將這一數(shù)字提高到 128b/130b 編碼，數(shù)據(jù)和開銷的比例分別為 98.5% 和 1.5%。從 PCIe 1.0 到 5.0，這種編碼一直沿用，以非歸零（NRZ）格式表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 

PCIe 1.0 至 7.0：傳輸速度倍增

PCIe 1.0 每條通道的傳輸速度高達(dá) 2.5 GB/s，16 通道互連的最高傳輸速度為 4 GB/s。PCIe 2.0 通過改進(jìn)協(xié)議和芯片制造能力，將傳輸速度提高了一倍。PCIe 3.0 將速度從 8b/10b 提高到 128b/130b，幾乎翻了一番，達(dá)到每通道 8 GB/s。此后的每個(gè)新版本的數(shù)據(jù)速率都翻了一番。

2022 年推出的 PCIe 6.0 在編碼和協(xié)議方面帶來了重大變化，將速度提高到每秒 64 GB。PCIe 6.0 將 NRZ 數(shù)據(jù)格式改為脈沖幅度調(diào)制 4 級（PAM4）信號。PAM 在與 NRZ 中一個(gè)比特相同的單位間隔內(nèi)表示兩個(gè)比特，從而提供四個(gè)值而不是兩個(gè)值。這實(shí)際上是用兩個(gè)比特值取代了一個(gè)二進(jìn)制比特。PAM4 的錯(cuò)誤率要高得多，因此需要先進(jìn)的糾錯(cuò)功能。在撰寫本文時(shí)，使用此標(biāo)準(zhǔn)的卡尚未上市。

PCI-SIG 預(yù)計(jì)，自 2022 年 6 月開始開發(fā)的 PCIe 7.0 將于 2024 年完成。該標(biāo)準(zhǔn)承諾通過微調(diào)通道參數(shù)來提高能效和減少信號損耗，從而將 PCIe 6.0 的數(shù)據(jù)傳輸速率提高一倍。PCIe 7.0 硬件要到 2027 年才會上市。

擴(kuò)展插槽的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了嗎？

20 年前的 PCIe 總線在今天的 PC 世界中依然清晰可辨，2004 年的主板設(shè)計(jì)師可能會很容易發(fā)現(xiàn)今天的 PCIe。不過，20 年后的情況可能就不是這樣了。

開發(fā) PCIe 時(shí)，USB 仍處于起步階段。各種各樣的設(shè)備都需要電腦插槽。那個(gè)時(shí)代的許多 PC 仍然需要附加聲卡、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡和無線接口。對于今天的普通用戶來說，這些應(yīng)用都不需要附加卡。雖然游戲圖形加速器、高端視頻和聲音處理設(shè)備以及奇特或特殊用途的產(chǎn)品仍在使用插入式 PCIe 板，但大多數(shù)家用和商用 PC 及筆記本電腦已內(nèi)置或可通過 USB 訪問所有這些（以及更多）應(yīng)用。

如今，除了 M.2 固態(tài)硬盤接口外，大多數(shù)筆記本電腦和迷你電腦都不使用插卡槽。雖然人們?nèi)栽谑褂?PCIe 連接主板上的各種子系統(tǒng)，但許多擴(kuò)展插槽的日子可能已經(jīng)屈指可數(shù)了。