在 PCI Express 誕生 20 周年之際，我們回顧一下這一盛行的擴展插槽的過去和未來。

PCI Express (PCIe) 總線誕生于 PC 中的擴展插槽數量與 CPU 時鐘速度或系統 RAM 數量同等重要的時代。此后，PCIe總線從一組插槽、插入式擴展卡發展到高速互連拓撲。

最新的 SSD（固態硬盤）接口是 PCIe 4.0、M.2 外形尺寸的四通道接口。

PCIe 總線的開始：IBM 和 5150 PC

PCIe 總線起源于 1981 年推出的IBM PC 型號 5150。5150 的熱門前身（例如 Apple II）使用開放標準總線或發布了第三方擴展板的總線規范。這種競爭壓力促使 IBM 開放 5150 總線并發布其規范。

在 IBM 的支持下，整個行業都是圍繞為 IBM PC 總線設計和提供擴展卡而建立的。IBM 的第二個 PC 型號 PC/AT 將總線數據寬度從 8 位提高到 16 位，并保持開放式架構。許多公司在他們的 PC 克隆中使用了總線，稱為 PC 兼容機。總線在擴展板和 PC 克隆行業中的廣泛使用導致了總線的行業標準架構 (ISA)。這對消費者和 PC 克隆制造商來說是件好事，但它奪走了 IBM 的控制權和許可收入。

IBM 試圖重新獲得標準控制權

20 世紀 80 年代末，新的處理器和更快的速度使得 ISA 總線變得過時。IBM 推出了其新的專有微通道總線，試圖解決 ISA 的缺點。該公司保持微通道的專有性，以從出售給 PC 兼容制造商的許可費中獲利。然而，PC 行業遷移到由PCI 特別興趣小組(PCI-SIG ) 維護的英特爾 32 位外圍組件互連 (PCI) 總線 。

1995 年最先進的 PC 兼容 i80486 主板，支持 ISA（前景中的四個黑色插槽）和 PCI（中間的三個白色插槽）。

雖然 PCI 總線與微通道一樣速度更快，但它是一個開放的行業標準。PCI 開創了一種無需附加卡即可將主板內置外設連接到總線的架構。在以前的 ISA 架構中，主板內置的外設通常需要定制的非標準接口電路。PCI 總線提供了一個板載外圍接口，在電氣上相當于將板插入插槽，從而更容易實現板載集成和軟件支持。

PCI 總線（仍然）不足

盡管 PCI 提供了比 ISA 更高的性能，但它繼承了 ISA 拓撲的許多缺點。與 ISA 一樣，PCI 總線也采用共享并行數據總線架構。雖然 PCI 在速度潛力和信號完整性方面取得了重大進步，但它仍然需要每個外設共享資源并協商單獨的總線訪問。

圖形加速卡制造商比其他接口卡制造商更早遇到這些限制，這促使了加速圖形端口(AGP)的開發。AGP 是 PCI 的超集，它脫離了總線共享，并在 AGP 卡插槽和主板芯片組之間提供了直接路徑。

輸入 PCI Express

2003 年，PCI-SIG 進一步應對這些挑戰，推出了至今仍在使用的PCI Express 總線。PCIe 取代了所有主流 PC 總線，包括 AGP 接口。PCI-SIG 在 2001 年至 2003 年間制定了該標準，PCI 產品于 2004 年開始發貨。

PCIe 總線與 PCI 總線有兩個重要的區別。它沒有使用共享總線主控拓撲，而是采用點對點系統通過通用主機控制器直接連接設備。它還從并行數據路徑轉變為單向串行數據路徑。

PCI 中的共享總線與 PCIe 中的串行點對點拓撲。

使用舊的 PCI 和 ISA 總線主控拓撲，一次只有一個外設可以訪問總線。每個都根據需要協商主站狀態，等到它能夠獲得控制權，然后采取行動。即使使用直接內存訪問 (DMA)，也幾乎無法并行執行。這些舊拓撲滿足了 20 世紀 80 年代緩慢應用程序的需求，但遠遠不足以滿足新千年出現的游戲、高速網絡或復雜圖形界面的需求。

為什么 PCIe 向前邁出了一大步

PCIe 不僅僅是一個物理插槽標準。總線的主力是拓撲。PCIe 用于連接內置外設、筆記本電腦和迷你 PC 的附加卡以及 SSD 存儲。Mini PCIe 使用相同的拓撲、編碼和規格，并且與常規 PCIe 電氣兼容。現在常見的M.2 SSD接口也采用PCIe拓撲。

PCIe 的串行數據路徑使用單向差分對來提高信號完整性。雖然這些線對需要進行長度匹配才能消除偏斜，但每對的兩條跡線比 8、16 或 32 條跡線更容易處理。

差分信號走線的去偏技術

高速并行總線也可能受到串擾的影響，串擾是一種從一條走線到另一條走線的信號泄漏。這會導致數據損壞并限制帶寬。差分配對信號可消除大部分串擾并提供更清晰的信號。

PCIe 差分對的優勢

PCIe的單向差分對由四根走線組成，作為每個方向的差分對。每組四個連接稱為一個通道，PCIe 插槽可支持 1 到 16 個通道。用于連接兩個 PCIe 設備的通道組稱為互連或鏈路。現代圖形加速器通常使用 16 通道插槽，有些需要兩個插槽和額外的電源連接。

差分對布置可加快傳輸速度并提高可靠性。在 PCIe 版本 1.0 和 2.0 中，數據以帶有兩個開銷位的 8 位字傳輸，稱為 8b/10b 編碼。這意味著 20% 的傳輸比特是開銷，而不是數據。PCI 3.0 將這一數字提升至 128b/130b 編碼，產生 98.5% 的數據率和 1.5% 的開銷。這種編碼從 PCIe 1.0 到 5.0 一直保留，表示具有不歸零(NRZ) 格式的二進制數據。

PCIe 1.0 至 7.0：傳輸速度加倍

PCIe 1.0 每通道傳輸速度高達 2.5 GB/s，16 通道互連時最高傳輸速度為 4 GB/s。隨著協議和芯片制造能力的改進，PCIe 2.0 使這一數字翻了一番。PCIe 3.0 從 8b/10b 提升到 128b/130b，速度幾乎翻倍至每通道 8 GB/s。此后的每個新版本的數據速率都增加了一倍。

2022 年推出的 PCIe 6.0 在編碼和協議方面帶來了重大變化，將速度提升至 64 GB/s。PCIe 6.0 從 NRZ 數據格式更改為脈沖幅度調制 4 級(PAM4) 信令。PAM 表示與 NRZ 中的一位相同單位間隔中的兩位，它給出四個值而不是兩個。這有效地用兩位值替換了二進制位。PAM4 的錯誤率要高得多，因此需要高級糾錯。截至撰寫本文時，使用此標準的卡尚未上市。

PCI-SIG 預計自 2022 年 6 月以來一直在開發的 PCIe 7.0 將在 2024 年得到鞏固。該標準承諾通過微調通道參數來提高功率效率并減少信號損失，從而將 PCIe 6.0 數據速率提高一倍。PCIe 7.0 硬件要到 2027 年才會出現在市場上。

擴展槽的日子已經屈指可數了嗎？

20 年前的 PCIe 總線在當今的 PC 世界中仍然可以辨認，2004 年的主板設計人員也可能很容易認出今天的 PCIe。然而，20年后情況可能并非如此。

當 PCIe 開發時，USB 還處于起步階段。多種設備需要計算機中的插槽。那個時代的許多個人電腦仍然需要附加聲卡、調制解調器、網卡和無線接口。對于當今的典型用戶來說，這些應用程序都不需要附加卡。雖然游戲圖形加速器、高端視頻和聲音處理設備以及奇異或特殊用途的產品仍然使用插入式 PCIe 板，但大多數家庭和商用 PC 和筆記本電腦都內置了所有這些（以及更多）或可通過USB。

目前大多數筆記本電腦和迷你電腦除了 M.2 SSD 接口外不使用卡插槽。雖然人們仍然使用 PCIe 連接主板上的各個子系統，但使用許多擴展插槽的日子可能已經屈指可數了。

審核編輯：湯梓紅