微機(jī)原理-第5版-周荷琴-第12章

第12章

總線技術(shù)M/

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》第5版§12.3PCIExpress總線進(jìn)入21世紀(jì)后，基于網(wǎng)絡(luò)的音、視頻數(shù)據(jù)流、游戲等多媒體應(yīng)用十分廣泛，PCI2.2或PCI-X不支持時(shí)間序列數(shù)據(jù)流，頻寬也不足，運(yùn)行中常出現(xiàn)堵塞，PCI總線已無法滿足要求，性能更好的PCI-E總線應(yīng)運(yùn)而生。編輯ppt§12.3PCI-E總線12.3.1PCI-E1.012.3.2PCI-E2.012.3.3PCI-E3.012.3.4PCI-E的未來編輯ppt12.3.1PCI-E1.0

1.PCIExpress1.0規(guī)范2002年7月PCIExpress1.0標(biāo)準(zhǔn)誕生，簡(jiǎn)寫成PCI-E、PCIE或PCIe。Express意為高速、特別快。它屬第三代I/O總線，簡(jiǎn)稱3GIO（ThirdGenera-tionInput/Output）。標(biāo)準(zhǔn)由AWG(ArapahoeWorkingGroup)小組制定，又稱Arapahoe總線。它是延續(xù)到現(xiàn)在而長(zhǎng)盛不衰的新一代總線標(biāo)準(zhǔn)。編輯ppt1.PCIExpress1.0規(guī)范PCI-E有1、4、8和16等4種通道規(guī)格，而2用于內(nèi)部接口。它們代表不同信道數(shù)量和路徑寬度，即不同傳輸速度，1速度250MB/s，16是1的16倍，即4GB/s。4種通道的插槽長(zhǎng)度不一樣，短卡可插入長(zhǎng)插槽。常用1、4和16三種插槽。也可寫成1、4等。編輯ppt2.PCI-E標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)PCI-E吸取了PCI的精華，并增加了不少先進(jìn)技術(shù)。主要優(yōu)勢(shì)：1）采用P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）串行傳輸機(jī)制

從并行到串行是PCI-E最根本的變化。各設(shè)備可并發(fā)地與CPU通信并獲得最大帶寬，互不影響，不會(huì)爭(zhēng)搶帶寬，能支持多種傳輸速率。2）工作頻率非常高PCI總線頻率33/66MHz，AGP最高頻率533MHz，而PCI-E基礎(chǔ)總線頻率100MHz，可由鎖相環(huán)提高到2.5GHz。編輯ppt2.PCI-E標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)3）支持雙向傳輸模式，可運(yùn)行于全雙工模式

PCI每周期發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)，PCI-E每周期的上行、下行都能傳輸數(shù)據(jù)，使帶寬翻倍。4）支持?jǐn)?shù)據(jù)分通道傳輸

1、4、8、16規(guī)格使帶寬翻番上漲。5）加強(qiáng)了質(zhì)量控制措施

引入了服務(wù)質(zhì)量(QoS)、電源管理(PowerMana-gement)、數(shù)據(jù)完整性(DataIntegeriy)、熱插拔(HotSwap)等多種技術(shù)，保障傳輸質(zhì)量。編輯ppt2.PCI-E標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)6）供電能力提高到了75W

AGP插槽是35W，75W足夠?yàn)槎鄶?shù)顯卡供電。7）支持+3.3V、+3.3Vaux和+12V三種電壓

輔助電源+3.3Vaux能在系統(tǒng)掛起時(shí)提供小電流。8）與原有PCI兼容

PCI-E只是南橋的擴(kuò)展總線，與操作系統(tǒng)無關(guān)，能與PCI共存，便于用戶升級(jí)。9）與PCI軟件100％兼容，無需驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)的支持即可使用編輯ppt3.PCI-E的應(yīng)用通用性是PCI-E最大特點(diǎn)，除用于南橋和其它設(shè)備的連接，還可用于芯片組間的連接，甚至連接圖形芯片。這樣，I/O系統(tǒng)被重新統(tǒng)一，更簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，增加其可移植性和模塊化。PCI-E很快成為主流總線。它超高的帶寬極大地釋放了顯卡的運(yùn)算能力，顯卡總線AGP沒了用武之地，I/O總線和顯卡總線又重新統(tǒng)一到了PCI-E總線上。編輯ppt3.PCI-E的應(yīng)用PCI-E成為新式圖形架構(gòu)，能提供巨大帶寬和豐富功能，大幅提高CPU和GPU(圖形處理器)間的帶寬，用戶能更完美享受影院級(jí)圖像效果，并獲得無縫多媒體體驗(yàn)。采用PCI-E總線的計(jì)算機(jī)，廣泛應(yīng)用于基于互聯(lián)網(wǎng)流媒體的在線直播、視頻會(huì)議系統(tǒng)、VOD點(diǎn)播、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程教學(xué)、DVD制作、硬盤播出、廣告截播、媒體資產(chǎn)管理等領(lǐng)域。編輯pptPCI-E1接口的插座和金手指編輯pptPCI-E1接口的顯卡PCI-E16接口的顯卡編輯ppt帶PCI-E1，4，16插槽以及PCI插槽的主板編輯ppt4.ExpressCard技術(shù)2003年春，PCMCIA協(xié)會(huì)公布了ExpressCard標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此設(shè)計(jì)的模塊可插入臺(tái)式機(jī)和筆記本，來添加存儲(chǔ)器、有線或無線通訊卡及安全裝置等。它采用PCI-E總線和USB2.0接口，在外設(shè)與主機(jī)間提供熱插拔式連接，在芯片組與插槽間不需要橋接芯片。接著又發(fā)布了ExpressCard2.0，與PCI-E及USB3.0結(jié)合，提供多方面應(yīng)用模式，解決大吞吐量數(shù)據(jù)的傳輸瓶頸。這項(xiàng)技術(shù)使臺(tái)式機(jī)與筆記本共享更多外設(shè)，可在兩類計(jì)算平臺(tái)間自由插拔和交換。編輯pptExpressCard適配卡編輯ppt§12.3PCI-E總線12.3.1PCI-E1.012.3.2PCI-E2.012.3.3PCI-E3.012.3.4PCI-E的未來編輯ppt12.3.2PCI-E2.02007年1月PCIExpress2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。總線頻率從2.5GHz提高到了5GHz，其它指標(biāo)也翻了一倍。例如:帶寬翻倍：?jiǎn)瓮ǖ繮CI-E1的帶寬提高到了500MB/s，即雙向1GB/s。通道翻倍：顯卡接口標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)到PCI-E32，通道數(shù)提高了一倍，帶寬達(dá)32GB/s。插槽翻倍：芯片組/主板默認(rèn)應(yīng)擁有兩條PCI-E32插槽。功率翻倍：PCI-E1.0提供75W電力，2.0版可達(dá)200W以上。這樣，顯卡等功耗大的插卡，就不需要再帶電源適配器了。編輯ppt12.3.2PCI-E2.0在PCI-E信號(hào)編碼中加入了校驗(yàn)碼，采用8b/10b編碼。雖浪費(fèi)20%帶寬，但可減少傳輸錯(cuò)誤，保證高速傳輸?shù)囊恢滦?。?0位編碼中只有8位是真實(shí)數(shù)據(jù)，不能用18進(jìn)行位字節(jié)的單位換算，要用110。USB3.0和SATA3.0采用同樣的校驗(yàn)碼技術(shù)。例如USB3.0速度5Gbps，按18換算，5Gbps/8=625MB/s；考慮進(jìn)校驗(yàn)碼后，5Gbps/10=500MB/s。SATA3.0的速度6Gbps，即600MB/s，而非750MB/s。編輯ppt12.3.2PCI-E2.0串行PCI-E帶寬的計(jì)算：

帶寬（MB/s）=總線頻率（MHz）每周期數(shù)據(jù)位（b）總線通道數(shù)編碼方式/8

（12.3）

例12.2試計(jì)算PCI-E2.016插槽的傳輸總帶寬。

PCI-E2.016插槽總線頻率5GHz，全雙工模式下每個(gè)周期可傳輸2bit數(shù)據(jù)，共有16條通道，采用8/10編碼，每8位為1字節(jié)，代入公式(12.3)可算出其傳輸總帶寬:5000216(8/10)/8=16000MB/s=16GB/s編輯ppt§12.3PCI-E總線12.3.1PCI-E1.012.3.2PCI-E2.012.3.3PCI-E3.012.3.4PCI-E的未來編輯ppt12.3.3PCI-E3.02010年11月，PCI-E3.0規(guī)范發(fā)布。目標(biāo)依然是“提速”。它向下兼容PCI-E2.0和PCI-E1.0，與PCI-E2.0比較，性能提高了一倍，總線頻率從5GHz提高到了8GHz，顯著提高了總線帶寬，32端口的雙向傳輸速率高達(dá)32Gbps。編輯ppt12.3.3PCI-E3.0提高帶寬的可能方法：1）提高運(yùn)行頻率

曾設(shè)想將總線頻率提高一倍到10GHz。但是10GHz基本是銅質(zhì)線纜的速度極限了，要在電氣設(shè)計(jì)方面下很多功夫，技術(shù)難度太大，實(shí)現(xiàn)成本很高。2）增擴(kuò)通道數(shù)PCI-E2.0的32通道應(yīng)用很少，增擴(kuò)到64通道的必要性不大，主板插槽和顯卡接口都得重新設(shè)計(jì)。編輯ppt12.3.3PCI-E3.03）修改編碼方式PCI-E采用8b/10b編碼來提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，20%帶寬不用于數(shù)據(jù)傳輸，主要是為平衡電流信號(hào)。在帶寬較低時(shí)影響不大，帶寬變高，浪費(fèi)就會(huì)很明顯。為此，PCI-E3.0將編碼方式改成了128b/130b，每130位數(shù)據(jù)中，才加入2位無用信息，通道利用率大大提高，傳輸效率98.5%。8b/10b編碼傳輸效率僅80%，傳輸效率提升了23%。此外，總線頻率從5GHz提高到了8GHz。這是對(duì)制造難度、成本、功耗、復(fù)雜性和兼容性等諸多方面進(jìn)行綜合、平衡之后的結(jié)果。編輯ppt12.3.3PCI-E3.0例12.3試計(jì)算PCI-E3.0架構(gòu)下的16通道的帶寬。PCI-E3.0規(guī)范下的16通道的最高總線頻率為8GHz，即8000MHz，全雙工模式下每個(gè)周期可傳輸2位數(shù)據(jù)，共16條通道，采用128/130編碼，每8位為1字節(jié)，把它們代入公式（12.3），就可計(jì)算出傳輸總帶寬8000216(128/130)/8=31500MB/s=31.5GB/s32GB/s而PCI-E2.0的16通道帶寬是16GB/s?？梢?，雙管齊下，使得PCI-E3.0的帶寬再次翻倍，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。編輯ppt12.3.3PCI-E3.0PCI-E3.0的其它增強(qiáng)之處

包括數(shù)據(jù)復(fù)用指示、原子操作（執(zhí)行時(shí)不能被中斷的操作）、動(dòng)態(tài)電源調(diào)整機(jī)制、延遲容許報(bào)告、寬松傳輸排序、基地址寄存器（BAR）大小調(diào)整、I/O頁面錯(cuò)誤等。向下兼容PCI-E2.x/1.x，繼續(xù)支持2.5GHz、5GHz的信號(hào)機(jī)制。編輯ppt12.3.3PCI-E3.0表12.2是三個(gè)版本的PCI-E的傳輸帶寬比較。

可見，PCI-E3.0架構(gòu)的單信道（1）單向帶寬就可接近1GB/s，而16信道（16）的雙向帶寬達(dá)到了32GB/s。編輯ppt12.3.3PCI-E3.0Intel首先將PCI-E3.0用于X79芯片組和基于SandyBridge處理器的服務(wù)器上。2012年1月，AMD公司推出了首款支持PCI-E3.0的高檔顯卡AMDRadeonHD7970，隨后又發(fā)布了HD7950、HD7800系列顯卡，均對(duì)PCI-E3.0提供支持。NVIDIA下一代的開普勒顯卡也將對(duì)PCI-E3.0規(guī)范提供全面支持。還用在下一代Infiniband互連（一種支持多并發(fā)鏈接的轉(zhuǎn)換線纜技術(shù)）、固態(tài)硬盤等需要超高吞吐量的領(lǐng)域。編輯ppt首款支持PCI-E3.0的高檔顯卡AMDRadeonHD7970編輯ppt微星Z68S-G43主板基于ATX板型，有2條PCI-Ex16插槽(蘭)，其中PCI-E3.0(右)和2.0各1條；2條PCI-Ex1插槽；3條PCI插槽(黑)。編輯ppt§12.3PCI-E總線12.3.1PCI-E1.012.3.2PCI-E2.012.3.3PCI-E3.012.3.4PCI-E的未來編輯ppt12.3.4PCI-E的未來與CPU和顯卡1至2年就要更換一代的速度相比，系統(tǒng)總線發(fā)展得很慢。三十年來，只有ISA總線（1982年）、PCI總線（1992年）和PCI-E總線（2002年）是生命力最強(qiáng)的總線規(guī)范，每隔10年才更換一次架構(gòu)。PCI-E總線在顯卡上的應(yīng)用很成功，它更多是作為系統(tǒng)總線存在的，主板上PCI-E通道數(shù)量的多寡，是衡量主板性能的重要指標(biāo)。編輯ppt12.3.4PCI-E的未來PCISIG表示正在研發(fā)PCI-E4.0，標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)會(huì)在PCI-E3.0基礎(chǔ)上翻一番，單通道單向傳