PCIe基础概念

只看该作者 · 2024-3-28 09:54

PCIe的全称是Peripheral Component Interconnect Express，是一种用于连接外设的总线。

它于2003年提出来，作为替代PCI和PCI-X的方案，现在已经成了现代CPU和其他几乎所有外设交互的标准或者基石，比如，我们马上能想到的GPU，网卡，USB控制器，声卡，网卡等等，这些都是通过PCIe总线进行连接的，然后现在非常常见的基于m.2接口的SSD，也是使用NVMe协议，通过PCIe总线进行连接的，除此以外，Thunderbolt 3 [2]，USB4 [3]，甚至最新的CXL互联协议 [4]，都是基于PCIe的！

CXL（Compute Express Link）是一种业界支持的高速缓存一致性互连协议，用于处理器、内存扩展和加速器之间的通信。CXL技术在CPU内存空间和附加设备上的内存之间保持一致性，这允许资源共享以获得更高的性能，减少软件堆栈的复杂性，并降低整体系统成本。

所以一旦开始往设备相关的开发上面走了之后，PCIe可以算是一个绕不过的坎。这几天看了一些和PCIe相关的资料，这里简单的总结一下，也希望对大家有所帮助。

只看该作者 · 2024-3-28 09:56

1. PCIe总体框图
首先，我们先从PCIe的基本概念开始。PCIe的架构主要由五个部分组成：

Root Complex，
PCIe Bus，
Endpoint，
Port and Bridge，
Switch。
其整体架构呈现一个树状结构，如下图所示：

只看该作者 · 2024-3-28 09:59

2. Root Complex（RC）
Root Complex是整个PCIe设备树的根节点，CPU通过它与PCIe的总线相连，并最终连接到所有的PCIe设备上。

主板上最重要、成本最高的两颗芯片，被称为北桥和南桥，其中北桥负责与处理器对接，主要功能包括：内存控制器、PCI-E控制器、集成显卡、前/后端总线等，都是速度较快的模块；而南桥则负责外围周边功能，速度较慢，主要包括：磁盘控制器、网络端口、扩展卡槽、音频模块、I/O接口等等。

Intel与AMD的新一代处理器，已经将传统北桥的大部分功能都整合在了CPU内部，Intel的Clarkdale与Sandybridge处理器则是完全整合北桥芯片，与其搭配的P55/H55/P67/H67等芯片组其实就是一颗南桥。

Clarkdale的北桥(GPU)和CPU部分示意图
CPU部分和GPU部分是各自独立的，微观上通过QPI总线相连，宏观上被封装在了一起，接口是与Lynnfield相同的LGA1156。整体上来看Clarkdale不仅整合了内存控制器和PCI-E控制器，还整合了显示核心，看似更加先进。

实际上，Clarkdale只是将原本放在主板上的北桥芯片，挪到了CPU的铁盖下面，本质上并没有整合任何东西（包括显卡和内存控制器）。但是与之搭配的H55芯片组，确实只剩下了一颗南桥。北桥的发热量远高于南桥，由于北桥位于处理器上面，因此用户再也不用担心主板的散热问题了。

目前市面上热卖的Core i7 8XX和Core i5 7XX处理器，就是基于Lynnfield核心的产品，这是真正意义上整合了北桥的处理器。

只看该作者 · 2024-3-28 10:03

用图片小结

FSB总线：即前端总线（Front Side Bus），CPU和北桥之间的桥梁，CPU和北桥传递的所有数据必须经过FSB总线，可以这么说FSB总线的频率直接影响到CPU访问内存的速度。
北桥：北桥是CPU和内存、显卡等部件进行数据交换的唯一桥梁，也就是说CPU想和其他任何部分通信必须经过北桥。北桥芯片中通常集成的还有内存控制器等，用来控制与内存的通信。现在的主板上已经看不到北桥了，它的功能已经被集成到CPU当中了。
PCI总线：PCI总线是一种高性能局部总线，其不受CPU限制，构成了CPU和外设之间的高速通道。比如现在的显卡一般都是用的PCI插槽，PCI总线传输速度快，能够很好地让显卡和CPU进行数据交换。
南桥：主要负责I/O设备之间的通信，CPU要想访问外设必须经过南桥芯片。

只看该作者 · 2024-3-28 10:05

3. PCIe总线（Bus）
PCIe上的设备通过PCIe总线互相连接。虽然PCIe是从PCI发展而来的，并且甚至有很多地方是兼容的，但是它与老式的PCI和PCI-X有两点特别重要的不同：

PCIe的总线并不是我们传统意义上共享线路的总线（Bus），而是一个点对点的网络，我们如果把PCI比喻成网络中的集线器（Hub），那么PCIe对应的就是交换机了。换句话说，当Root Complex或者PCIe上的设备之间需要通信的时候，它们会与对方直接连接或者通过交换电路进行点对点的信号传输。[7]

老式的PCI使用的是单端并行信号进行连接，但是由于干扰过大导致频率无法提升，所以后来就演变成PCIe之后就开始使用了高速串行信号。这也导致了PCI设备和PCIe设备无法兼容，只能通过PCI-PCIe桥接器来进行连接。当然这些我们都不需要再去关心了，因为现在已经很少看见PCI的设备了。

只看该作者 · 2024-3-28 10:23

老主机有个pci接口，不知道能插上什么设备