PCI总线和PCIe总线

本文来源：腾讯元宝

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 PCI（Peripheral Component Interconnect，外围组件互连）​​ 是一种由 ​​Intel​​ 在 ​​1991年​​ 提出的 ​​并行总线标准​​，用于连接计算机主板上的各种外设（如显卡、网卡、声卡等）。它取代了早期的 ​​ISA（Industry Standard Architecture）​​ 总线，成为1990年代至2000年代初的主流扩展接口。

Industry Standard Architecture：工业标准体系结构

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​​1. PCI总线的主要特点​​

​​特性​​	​​描述​​
​​总线类型​​	​​并行总线​​（32位或64位）
​​时钟频率​​	​​33 MHz​​（标准）或 ​​66 MHz​​（高性能版本）
​​带宽​​	​​133 MB/s（32位@33MHz）​​ 或 ​​533 MB/s（64位@66MHz）​​
​​电压​​	​​5V（旧版）​​ 或 ​​3.3V（新版）​​
​​热插拔​​	​​不支持​​（PCI-X 和 PCIe 才支持）
​​即插即用（PnP）​​	​​支持​​（自动配置设备资源）

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​​2. PCI总线的版本演进​​

​​(1) PCI 1.0（1992年）​​

• 32位数据总线，33 MHz 时钟频率
• 带宽：133 MB/s
• 主要用于PC主板

​​(2) PCI 2.0（1993年）​​

• 引入 ​​64位扩展​​（可选）
• 支持 ​​66 MHz​​ 时钟频率（带宽可达 ​​533 MB/s​​）
• 主要用于服务器和高性能工作站

​​(3) PCI-X（PCI eXtended，1999年）​​

• 向后兼容PCI 2.0
• 时钟频率提升至 ​​133 MHz（1.06 GB/s）​​ 或 ​​266 MHz（2.13 GB/s）​​
• 主要用于服务器（如SCSI RAID卡、高速网卡）

​​(4) Mini PCI（2000年）​​

• 用于笔记本电脑的 ​​小型化PCI​​
• 主要用于 ​​Wi-Fi网卡、Modem​​

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​​3. PCI总线的架构​​

​​(1) 总线拓扑​​

• ​​共享总线架构​​（所有设备共用带宽）
• ​​总线仲裁​​（由主板芯片组管理设备访问顺序）

​​(2) 插槽类型​​

​​插槽类型​​	​​引脚数​​	​​用途​​
​​32位 PCI（5V）​​	124 针	早期PC（1990s）
​​32位 PCI（3.3V）​​	124 针	后期PC（2000s）
​​64位 PCI​​	188 针	服务器/工作站
​​PCI-X​​	184 针	服务器（SCSI/RAID卡）
​​Mini PCI​​	100 针	笔记本电脑（Wi-Fi/Modem）

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​​4. PCI vs. PCIe（PCI Express）​​

​​特性​​	​​PCI​​	​​PCIe​​
​​总线类型​​	并行总线	串行点对点
​​带宽​​	133 MB/s（32位@33MHz）	250 MB/s（PCIe 1.0 x1）
​​扩展性​​	共享带宽	独立通道（x1, x4, x8, x16）
​​热插拔​​	不支持	支持
​​主流应用​​	1990s–2000s	2004至今

​​PCIe 取代 PCI 的原因​​：

• ​​并行总线限制​​（信号干扰、时钟同步问题）
• ​​PCIe 采用串行传输​​（更高带宽、更低延迟）
• ​​PCIe 支持热插拔​​（更适合现代外设）

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​​5. PCI总线的现状​​

• ​​基本被淘汰​​（2005年后被PCIe取代）
• ​​仍用于部分工业设备、嵌入式系统​​（如工控机、老式服务器）
• ​​PCI插槽在部分主板保留​​（用于兼容老设备）

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​​总结​​

• ​​PCI 是1990年代主流扩展总线​​，用于显卡、网卡、声卡等。
• ​​PCI-X 是服务器优化版本​​，带宽更高（1–2 GB/s）。
• ​​PCIe（2004年）取代PCI​​，采用串行点对点架构，带宽更高。
• ​​现代PC已无PCI插槽​​，但部分工业设备仍在使用。

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​​热插拔（Hot Swapping）​​ 是指在设备（如硬件组件或存储介质）​​不关闭电源、不重启系统​​的情况下，直接插入或移除设备，而不会导致系统故障或数据损坏的技术。这种功能广泛应用于计算机硬件、电子设备、服务器等领域，旨在提高系统的灵活性和可用性。

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​​核心特点​​

1. ​​无需断电​​：支持在通电状态下操作。
2. ​​即插即用​​：系统能自动识别新设备并加载驱动（如USB设备）。
3. ​​安全移除​​：需通过软件安全弹出（如U盘），避免数据丢失。

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​​常见应用场景​​

• ​​计算机硬件​​：USB设备、外接硬盘、显卡（部分支持）、服务器硬盘（如RAID阵列）。
• ​​服务器/数据中心​​：更换硬盘、电源或PCIe设备，避免服务中断。
• ​​移动设备​​：SIM卡、SD卡（部分机型支持热插拔）。
• ​​工业设备​​：模块化设计的控制器或传感器。

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​​实现原理​​

1. ​​电气设计​​：接口具备防短路和信号缓冲（如热插拔控制器芯片）。
2. ​​软件支持​​：操作系统通过ACPI（高级配置与电源接口）或驱动管理设备状态。
3. ​​协议支持​​：如SATA/SAS硬盘的AHCI协议、USB/Thunderbolt接口标准。

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​​注意事项​​

• ​​并非所有设备都支持​​：如传统IDE硬盘、某些PCIe设备可能需断电操作。
• ​​安全移除​​：强制拔出可能导致数据损坏（尤其存储设备）。
• ​​兼容性​​：部分旧系统或硬件可能不支持热插拔功能。

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​​示例​​

• ​​支持热插拔​​：U盘、移动硬盘（需安全弹出）、服务器热插拔电源。
• ​​不支持热插拔​​：台式机主板上的CPU、内存条（通常需断电操作）。

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通过热插拔技术，用户可以灵活扩展或维护设备，显著提升系统的可靠性和效率。

​​PCI Express（PCIe）详解​​

​​PCI Express（Peripheral Component Interconnect Express，简称PCIe）​​ 是一种 ​​高速串行点对点总线​​，由 ​​Intel、AMD、IBM等公司​​ 在 ​​2004年​​ 推出，用于取代传统的 ​​PCI​​ 和 ​​AGP​​ 总线。PCIe采用 ​​差分信号传输​​ 和 ​​数据包交换​​ 技术，具有 ​​高带宽、低延迟、可扩展性强​​ 等优势，已成为现代计算机的核心互连标准。

Peripheral Component Interconnect Express:外设组件互连扩展总线

Peripheral : (计算机设备）外围的

Interconnect : 连通的

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​​1. PCIe 的主要特点​​

​​特性​​	​​描述​​
​​总线类型​​	​​串行点对点​​（非共享总线）
​​传输方式​​	​​差分信号（LVDS）​​，抗干扰能力强
​​通道（Lane）​​	​​x1、x2、x4、x8、x16​​（可扩展带宽）
​​热插拔​​	​​支持​​（部分系统需驱动支持）
​​协议层​​	​​事务层（TL）、数据链路层（DLL）、物理层（PHY）​​
​​NVMe支持​​	​​PCIe SSD（如M.2 NVMe）​​ 提供超高存储性能

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​​2. PCIe 版本演进与带宽​

lane : 通道​

PCIe 采用 ​​双向传输​​（发送+接收），每个 ​​Lane​​ 的带宽随版本升级而提升：

​​PCIe版本​​	​​发布时间​​	​​单通道带宽（单向）​​	​​x16总带宽（双向）​​
​​PCIe 1.0​​	2004年	250 MB/s	8 GB/s
​​PCIe 2.0​​	2007年	500 MB/s	16 GB/s
​​PCIe 3.0​​	2010年	985 MB/s	31.5 GB/s
​​PCIe 4.0​​	2017年	1.97 GB/s	63 GB/s
​​PCIe 5.0​​	2019年	3.94 GB/s	126 GB/s
​​PCIe 6.0​​	2023年	7.88 GB/s	252 GB/s

7.88 * 16 * 2 = 252.16 

​​计算方式​​：

• ​​单向带宽 = 传输速率（GT/s） × 编码效率（8b/10b或128b/130b）​​
  • 例如 PCIe 3.0：8 GT/s × 128/130 ≈ 985 MB/s
• ​​双向带宽 = 单向带宽 × 2（发送+接收） × Lane数​​
  • 例如 PCIe 4.0 x16：1.97 GB/s × 2 × 16 ≈ 63 GB/s

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​​3. PCIe 插槽与物理规格​​

​​(1) 常见插槽类型​​

​​插槽类型​​	​​Lane数​​	​​典型用途​​
​​PCIe x1​​	1 Lane	网卡、声卡、USB扩展卡
​​PCIe x4​​	4 Lanes	SSD（如M.2 NVMe）、RAID卡
​​PCIe x8​​	8 Lanes	中端显卡、10Gbps网卡
​​PCIe x16​​	16 Lanes	高端显卡（如RTX 4090）、GPU计算卡

​​(2) 外形兼容性​​

• ​​物理尺寸向下兼容​​（如x1卡可插入x16插槽，但仅以x1速度运行）。
• ​​部分主板提供“开放末端”插槽​​（如x4插槽可插入x16卡，但带宽受限）。

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​​4. PCIe 协议架构​​

PCIe 采用 ​​分层协议​​，类似网络OSI模型：

1. ​​事务层（Transaction Layer, TL）​​
   • 负责 ​​数据包（TLP）的封装与解析​​，支持读写请求、中断等操作。
2. ​​数据链路层（Data Link Layer, DLL）​​
   • 提供 ​​错误检测与重传（ACK/NAK机制）​​，确保数据可靠性。
3. ​​物理层（Physical Layer, PHY）​​
   • 处理 ​​串行化/解串行化（SerDes）​​ 和 ​​时钟恢复​​。

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​​5. PCIe 的应用场景​​

​​应用领域​​	​​设备示例​​	​​所需带宽​​
​​显卡​​	NVIDIA RTX 4090、AMD RX 7900 XTX	PCIe 4.0 x16（63 GB/s）
​​高速存储​​	Samsung 990 Pro（NVMe SSD）	PCIe 4.0 x4（7.9 GB/s）
​​网络设备​​	10G/25G/100G网卡	PCIe 3.0 x8（15.75 GB/s）
​​AI/GPU计算​​	NVIDIA Tesla A100	PCIe 4.0 x16（63 GB/s）
​​扩展外设​​	Thunderbolt 4扩展坞	PCIe 3.0 x4（3.94 GB/s）

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​​6. PCIe vs. 传统总线（PCI/AGP）​​

​​特性​​	​​PCI​​	​​AGP​​	​​PCIe​​
​​总线类型​​	并行共享	专用并行	串行点对点
​​带宽​​	133 MB/s	2.1 GB/s（AGP 8X）	63 GB/s（PCIe 4.0 x16）
​​扩展性​​	固定带宽	仅显卡	灵活（x1~x16）
​​热插拔​​	不支持	不支持	支持
​​主流时期​​	1990s	1997–2004	2004至今

​​PCIe 的优势​​：
✅ ​​更高带宽​​（PCIe 5.0 x16 = 126 GB/s，远超AGP 8X的2.1 GB/s）
✅ ​​低延迟​​（串行点对点架构，无总线竞争）
✅ ​​支持热插拔​​（适合服务器、存储设备）
✅ ​​未来可扩展​​（PCIe 6.0已发布，带宽继续翻倍）

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​​7. PCIe 的未来发展​​

• ​​PCIe 6.0（2023年）​​：
  • 带宽 ​​252 GB/s（x16双向）​​，采用 ​​PAM4调制​​ 和 ​​低延迟前向纠错（FEC）​​。
  • 主要应用于 ​​AI/ML、超算、数据中心​​。
• ​​PCIe 7.0（预计2025年）​​：
  • 目标带宽 ​​512 GB/s（x16双向）​​，继续推动高性能计算发展。

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​​总结​​

• ​​PCIe 是现代计算机的核心总线​​，取代了PCI和AGP。
• ​​版本迭代带来带宽翻倍​​（PCIe 3.0→4.0→5.0→6.0）。
• ​​灵活扩展​​（x1~x16插槽适应不同设备需求）。
• ​​未来趋势​​：更高带宽（PCIe 6.0/7.0）、更低功耗、更广应用（AI/存储/网络）。