走向点到点的互连—-从PCI、PCI-X到PCI-Expr

对未来计算平台芯片与芯片之间的带宽需求将连续增长。到现在为止，并行总线的发展能够跟上这样的需求。32位33兆的PCI已经发展到64位133兆的PCI-X。有了它，事务处理的量已大大增加。一个建议的解决方案正在从基于总线结构向点到点结构的方向变化。本文将关注PCI-Express，它在下一代计算平台中可能替代PCI和PCI-X。
在目前的结构中，外围设备（网络，存储和视频）使用像PCI或PCI-X那样的平行总线来连接的。平行总线已从32位33兆的PCI发展到了64位133兆的PCI-X。随着平行总线的时钟速率的增加这些总线支持的插槽数目就减少。平行总线通常包含地址/数据信号和一些边带信号。边带信号用来表示总线上数据的方向和事务处理的类型，还能用于表示中断或总线主控请求。一个典型的64位PCI-X总线在总共127个信号管脚中可包含64条地址/数据线和33个左右的边带信号。
由于网络、存储和视频的带宽需求已经增长，一些设计师们正着眼于把点到点的结构作为有潜力的解决方案。在基于总线的结构中，带宽是由总线中所有的设备来共享的。在PCI-Express 点到点的结构中，每个设备都由一个专用连接而不必要共享带宽。点到点的结构还有其它的优点。一个典型的PCI-Express连接使用两个LVDS（低电压差分信号）对，一对用于发送，一对用于接收。在这个结构中没有边带信号。下面的图显示了一个点到点的通道，它有两个差分对（一个发送一个接收）和一个地信号。一个PCI-Express通道在每个方向同时以2.5Gb/s传送数据并使用8b/10b编码。
PCI-Express提供了超越总线型PCI-X的一些优点。优点之一是为应用裁剪带宽的能力。PCI-Express信道能聚集以增加总带宽。PCI-Express通道的有效组合为x1，x2，x4，x8，x16和x32。可用的带宽直接与通道的数目成比例。通道数加倍带宽也加倍。一个10Gb以太网控制器可以使用4条PCI-Express通道来与控制器的带宽相匹配。由于PCI-Express通道不是被多个设备共享的，它的结构本质上是可热替换的。PCI-Express使用消息传递来处理一些PCI所提供的边带信号。
PCI-Express还提供了把大的信道分成小的信道的能力。一个8通道的PCI-Express连接能分为二个4通道的连接，四个2通道的连接，或八个1通道的连接。PCI-Express另一个优点是减少通道所需的信号数目。在传统的PCI中约有127个管脚。如果芯片厂商有兴趣提供多个PCI总线来增加额外的带宽，那么他们要为每段总线增加127个管脚。相比之下，4通道的PCI-Express连接是20个管脚。这对芯片厂商会造成重复PCI总线的困难，其主要成本之一是封装。一个有趣的度量单位是每管脚的带宽。全部管脚计数包括芯片厂商使用不同的技术所需要的地址、数据、边带、电源和地线连接。由于PCI-Express的可扩展，它的每管脚的带宽从1信道至16信道保持相同。
用于母板的器件从PCI到PCI-Express的转变将在2004年出现。转向PCI-Express的主要驱动力是每管脚的带宽，可扩展性，和带宽。从软件的观点PCI-Express看起来就象PCI。PCI-Express的设计师们要维持与为PCI设备编写的所有软件都兼容。一个仍要回答的问题是何时我们可以看到基于PCI-Express的插板。现在标准已有了，这只不过是市场采用率的事情了。