PCI總線的出現已有10年之久，并將在未來數年繼續扮演重要角色。然而，如今和與未來的處理器與I/O器件需要更高的I/O帶寬，這已超出PCI 2.2或PCI-X的范圍，現在業界需要制定新一代的PCI技術作為下一代平臺的標準I/O總線。業界致力于創造出更高帶寬的總線，目前已經有支持各種特定應用總線的PC平臺，以及PCI I/O擴展總線。

在可預見的未來，處理器系統總線仍將持續提升其頻率與電壓，而內存帶寬必須配合處理器頻率的攀升而提高。芯片組通常被劃分為北橋芯片（連接內存等）與南橋芯片（連接I/O等），因為內存總線通常會隨著每一代處理器的演進而更新。芯片組的一項主要功能就是將這些持續改變的總線與穩定的I/O總線加以區隔。

仔細分析上個世紀90年代的PCI信號技術，我們可發現分支型（multi-drop）的平行式總線已逐漸走近其性能的極限，已無法輕易地升級頻率或降低電壓；其時鐘同步數據傳輸受到信號偏移的限制，且信號路由法則已趨近FR4技術的成本效益極限。業界嘗試各種方法來突破這些限制，創造出更高帶寬的通用型I/O總線，導致須付出大筆成本來提升頻寬，性能增加的幅度卻相當小。對于提供局域I/O總線標準方面，圖1所示的臺式機平臺解決方案僅是問題的一部分。PCI在制定規格之初并沒有想到會發展至臺式機平臺、移動設備、服務器以及嵌入型通信等市場。

現今的應用軟件對于平臺硬件的性能要求日趨苛刻，尤其是I/O子系統。來自不同音頻和視頻來源的流數據已在臺式機平臺與移動平臺中很常見，而在PCI 2.2或PCI-X規格中至今尚未有足夠的性能來支持這類應用。諸如視頻點播與音頻重分布（audio re-distribution）等應用也迫使服務器需滿足“實時”傳送的需求。許多通信應用與嵌入型PC控制系統亦需實時處理數據。今天的平臺，例如臺式PC，也需以越來越高的數據流量來處理多組同步傳輸。同等對待所有數據已不能被接受，例如先處理流數據就更加重要，因為實時數據若處理過慢，等于沒有數據一樣。數據必須被加上標簽，以便I/O系統能對它的數據流制定優先級來流經該平臺。

像千兆以太網與InfiniBand等應用，需要更高帶寬的I/O。第三代I/O總線除了擴展帶寬外，還需要整合一些額外的功能。

以下歸納出第三代局域I/O總線的要求：

1．支持多重市場以及新興應用：統一式I/O架構，支持臺式機、移動設備、服務器、通信平臺、工作站以及嵌入型設備；

2．成本與高產量：在系統層，成本需低于（或等于）PCI架構的成本；

3．兼容PCI的軟件模式：不需任何修改就能引導現有的操作系統；具有與PCI兼容的配置與設備驅動程序接口；

4．性能：通過頻率以及額外的傳輸管線來提升性能。每個引腳的帶寬很高。資源開銷低。低傳輸延遲；

5．支持多平臺連接類型：芯片對芯片，通過連接器的板對板，功能擴展底座（Docking Station），支持新的產品外型尺寸；

6．先進功能：涵蓋不同的數據類型。電源管理。服務質量。支持熱插拔。數據完整性與錯誤處理?？蓴U展性。支持嵌入史與通信應用的各種基本機制。

7．其它：針對簇解決方案，支持處理器、內存、線纜的協調互連機制。

加入交換器

最新的高速、低引腳數以及點對點技術發展，為增大傳輸帶寬提供了一套具有吸引力的替代方案。PCI Express分支型的平行式總線拓撲包括一個宿主橋接器與多組端點（I/O單元）；多重點對點連接架構將交換器這個新元素導入I/O系統拓撲中，結構如圖1所示。交換器取代了多點下載總線，用來為I/O總線提供扇出。交換器能在不同端點之間提供對等通訊機制，若其中沒有涉及高速緩存的傳輸，就不需要轉送至宿主橋接器。交換器看似一個獨立的邏輯單元，但可整合至宿主橋接器中。

低信號數、點對點連接模式可通過連接器與線纜加以建構。PCI Express能創造出新的系統劃分模式。

圖2至圖4顯示運用PCI Express架構的2004年平臺。目前平臺中多組類似的并行總線被連接了多組管線的PCI Express所取代。每組鏈接都可視需要增加更多的管線，藉此提高傳輸帶寬。例如臺式機平臺的圖形以及服務器平臺中的總線橋接器（如PCI Express- to -PCI-X）。

PCI Express交換器提供輸出功能，并支持一系列的連接器，以增加高性能的I/O。交換器是一邏輯單元，能建置在含有宿主橋接器的元件中，或是構建成獨立的元件。

業界預估PCI將被許多平臺繼續延用，以支持目前各種帶寬較低的應用，直到有迫切性的需求出現，例如應用在新的產品外型尺寸上，屆時將會全面轉移至完全的PCI Express平臺。

服務器平臺需要更多的I/O性能與連接管道，其中包括高帶寬的PCI Express，連接至PCI-X插槽、千兆以太網、以及InfiniBand架構。圖3顯示PCI Express如何為服務器提供與臺式機系統相同的優勢。PCI Express作為機體內部I/O，再搭配InfiniBand作為機體外部的I/O，提供簇系統的互連管道，讓服務器能從“平行式共享總線”轉移至高速的序列互連架構。

網絡通訊平臺可使用多個交換器，藉此提高聯機效率與服務質量，來區隔不同的傳輸數據流。這類平臺也能運用多個PCI Express鏈接，建構出一個模塊化的I/O系統。

分層式設計

PCI Express架構采取分層式設計。新架構維持與PCI兼容的尋址模式（加載-存儲架構加上一組平面式的尋址空間），確保目前所有應用程序與驅動程序不須變更即可在新平臺上執行。PCI Express配置運用許多PCI即插即用規格中的標準機制。軟件層負責產生讀取與寫入要求，這些要求的傳輸則由交易層透過基于分組的分離傳輸（split-transaction）傳遞至I/O器件。鏈路層在這些數據包中加入序列號與循環冗余碼檢測（CRC），建構出一套極為可靠的數據傳輸機制。基本物理層則由內建一個信號傳送對與接收對的dual-simplex信道所組成。初期的速度為每方向每秒2.5千兆次傳輸，提供一個200MBps的通訊信道，帶寬接近典型PCI接口的兩倍。

物理層

基礎PCI Express鏈接包含兩組低電壓之驅動信號對：傳送信號對與接收信號對。內建之數據時脈運用8b/10b編碼機制達到極高的數據傳輸率。初期的時脈頻率為每方向每秒2.5千兆次傳輸，隨著硅組件技術的演進，未來將可提高至每方向每秒10千兆次傳輸（信號在銅導線中的最高理論值）。物理層負責在兩組PCI Express裝置的鏈接層之間傳送封包。

PCI Express鏈接層可透過增加信號對，建構多組管線，以達到帶寬線性擴充的目標。物理層能搭配x1、x2、x4、x8、x12、x16以及x32管線的寬度，并以位數據來切分，如圖5所示。每個位以8b/10b編碼機制在各管線之間傳送。對于其它功能層而言，數據的譯碼與重新編碼都是透明化的模式。

在啟始階段，每個PCI Express鏈接設定都會由每個鏈接端點的兩個代理元件相互協商管線的寬度與頻率。此過程中固件或操作系統軟件都沒有參與。

PCI Express架構透過速度升級以及各種先進的編碼技術，達到未來性能提升的目標。未來的速度、編碼技術或媒介都僅能影響物理層。

鏈路層

鏈路層主要的角色是確保PCI Express鏈接穩定地傳送數據包。鏈路層負責維持數據的完整性，并在交易層數據包中加入序列號與CRC。

大多數數據包都在交易層中構建。授權型（credit-based）流程控制協議確保數據包僅會在另一端有空出的緩沖區能儲存接收數據包時才會送出。這種模式能預防數據包重傳的狀況，避免因資源限制而浪費總線帶寬。當數據包損毀時，鏈路層會自動重新傳送封包。

交易層

交易層可讀寫來自軟件層的請求，然后創建所請求的數據包傳送至鏈接層。所有要求都采用個別傳輸的模式，有時會需要響應封包。交易層也會收到發自鏈路層的響應數據包，并與原始的軟件請求進行比對。每個數據包有一個獨一無二的識別符，讓響應數據包能被轉送至正確的發送端。數據包格式支持32位內存尋址以及延伸型6？位內存尋址模式。封包亦具有“no-snoop”、“relaxed-ordering”以及“priority”等屬性，系統能根據這些屬性在I/O子系統中為數據包找出最佳的傳輸線路。

交易層支持四種尋址空間：其中包括三種PCI尋址空間（內存、I/O以及配置），并增加一種消息空間。PCI 2.2推出一種稱為消息信號中斷（MSI）的系統中斷傳遞方法。系統運用一套特殊格式的內存寫入處理模式，而不是利用硬線邊帶信號。這是PCI 2.2系統的一項可選型功能。PCI Express規格重復運用MSI的概念作為中斷處理的主要方法，并運用Message Space支持所有邊帶信號，例如像中斷、電源管理要求以及重新激活等，其模式與帶內Messages相同。PCI 2.2規格中的其它“special cycles”，像Interrupt Acknowledge，亦視為帶內Messages?？梢詫CI Express Messages看作是“虛擬線路”，因為它的效果就是消除各種的目前用于平臺實現中的邊帶信號。

軟件層

軟件兼容性是第三代局域I/O總線最重要的特性。軟件兼容有兩個層面：初始化/列舉以及運行階段（run-time）。PCI具有一套魯棒性強的初始化模塊，讓操作系統能搜尋所有外插硬件設備，并分配適量的系統資源例如內存、I/O空間以及中斷等給這些設備，建立一個最佳化的系統環境。PCI配置空間以及I/O器件的可編程性是關鍵性的觀念，仍被PCI Express架構所延用。事實上，所有操作系統不須任何修改就可直接導入PCI Express-based平臺。

PCI支持的運行階段軟件模塊是一套加載-儲存式的共享內存模塊，PCI Express架構仍繼續延用這種技術，讓所有現有軟件不須修改就能繼續在PCI Express平臺上執行，且新軟件可使用各種PCI Express的新功能。

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