PCI Express的基本工作原理

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1、了解PCIExpress的基本工作原理2009-12-2821:06从并行转向串行PCIExpress®（或称PCIe®），是一项高性能、高带宽，此标准由互连外围设备专业组（PCI-SIG）制订，用于替代PCI、PCIExtended(PCI-X)等基于总线的通讯体系架构以及图形加速端口（AGP）。转向PCIe主要是为了实现显著增强系统吞吐量、扩容性和灵活性的目标，同时还要降低制造成本，而这些都是基于总线的传统互连标准所达不到的。PCIExpress标准在设计时着眼于未来，并且能够继续演进，从而为系统提供更大的吞吐量。第一代PCIe规定的吞吐量是每秒2.5千

2、兆比特（Gbps），第二代规定的吞吐量是5.0Gbps，而最近公布PCIe3.0标准已经支持8.0Gbps的吞吐量。在PCIe标准继续充分利用最新技术来提供不断加大的吞吐量的同时，采用分层协议也便于PCI向PCIe的演进，并保持了与现有PCI应用的驱动程序软件兼容性。虽然最初的目标是计算机扩展卡以及图形卡，但PCIe目前也广泛适用于涵盖更广的应用门类，包括网络组建、通信、存储、工业电子设备和消费类电子产品。本白皮书的目的在于帮助读者进一步了解PCIExpress以及成功PCIe成功应用。PCIExpress基本工作原理拓扑结构本节介绍了PCIe协议的基本工作

3、原理以及当今系统中实现和支持PCIe协议所需要的各个组成部分。本节的目标在于提供PCIe的相关工作知识，并未涉及到PCIe协议的具体复杂性。PCIe的优势就在于降低了复杂度所带来的成本。PCIe属于一种基于数据包的串行连接协议，它的复杂度估计在PCI并行总线的10倍以上。之所以有这样的复杂度，部分是由于对以千兆级的速度进行并行至串行的数据转换的需要，部分是由于向基于数据包实现方案的转移。PCIe保留了PCI的基本载入-存储体系架构，包括支持以前由PCI-X标准加入的分割事务处理特性。此外，PCIe引入了一系列低阶消息传递基元来管理链路（例如链路级流量控制），

4、以仿真传统并行总线的边带信号，并用于提供更高水平的健壮性和功能性。此规格定义了许多既支持当今需要又支持未来扩展的特性，同时还保持了与PCI软件驱动程序的兼容性。PCIExpress的先进特性包括：自主功率管理；先进错误报告；通过端对端循环冗余校验（ECRC）实现的端对端可靠性，支持热插拔；以及服务质量（QoS）流量分级。而一个经简化的系统拓扑结构包括了4种功能类型：根联合体、交换器、端点和桥接器，如图1所示。每条虚线均代表着2个PCIe设备之间的一条连接，这种连接被称为链路。·根联合体用于初始化整个PCIe结构并配置每条链路。根联合体通常用于将中央处理器（C

5、PU）与其它3项功能之中的一个或多个相连接，包括PCIe交换器、PCIe端点和PCIe-PCI桥接器。·PCIe交换器用于将数据向下游路由给多个PCIe端口，以及从每个独立端口将数据向上游路由至单一的根联合体。PCIe交换器也可以从一个下游端口灵活地向另一个下游端口路由数据（对等），不再局限于传统PCI系统所要求的严格的树形结构。·端点通常驻留在应用内，用于在系统中将应用连接到PCIe网络。端点具有请求和完成PCIe事务处理的功能。此系统内的端点数量通常多于其它任何类型的PCIe组件。·桥接器用于将PCIe与其它PCI总线标准（如PCI/PCI-X）相连接，

6、适用于那些同时采用了这些体系架构与PCIe的系统。PCIe协议规格PCIe规格内所定义的此协议遵循的是开源促进会（OSI）模型。此协议分隔成5个基本层，如图2左侧所示。本节对机械层和物理层进行了综述；后续各节将针对链路层、事务处理层和应用层进行说明。·机械层用于定义机械环境，如接头、插卡形状系数、卡检验和热插拔要求等。·在图2的右侧，我们将其余层进行了展开，以便更精确地显示较低层是如何映射到物理硬件实现层的。·如图所示，物理层可以分割成2个子层：电气层和逻辑层。而有一些公司已经在电气层和逻辑层之间定义和采用了一种接口，这种接口称为PCIExpress物理接口

7、（PIPE）。PIPE接口让设计方案能够采用一种标准接口和/或采购多种能够配合运行的组件，甚至可以向多个供货商进行采购。·物理层的电气子层用于实现各种模拟元器件，包括收发器、模拟缓冲器、串化器/解串器（SerDes）和10位接口。·物理编码子层（PCS）用于每一个8位数据字节与10位代码之间的编码/解码。这种编码功能不仅能对有效字符进行校验，而且还限制了所发送的0和1数量之间的差异度，从而在发送器与接收器之间保持了一种直流平衡度，进而显著增强了电磁兼容性（EMC）以及电气信号性能。·物理层内的PIPE接口的另一个方面包括了链路训练和状况状态机（LTSSM）、

8、通道间去偏移（laneto-lanede-skew）