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[SSD科普之1] PCIE接口详解及应用模式

PCI-Express(peripheral component interconnect express)是一种高速串行计算机扩展总线标准,它原来的名称为“3GIO”,是由英特尔在2001年提出的,旨在替代旧的PCI,PCI-X和AGP总线标准。

一、PCI-E x1/x4/x8/x16插槽模式

PCI-E有 x1/x4/x8/x16等多种插槽模式,那么这些有什么区别呢?

1、PCI-E x16插槽全长89mm,有164根针脚,靠主板外侧端有一卡口,将16x分为前后两组,较短的插槽有22根针脚,主要用于供电,较长的插槽142根,主要用于数据传输,具有16通道所带来的高带宽。

PCI-E x16插槽,主要用于显卡以及RAID阵列卡等,这个插槽拥有优良的兼容性,可以向下兼容x1/x4/x8级别的设备。可以说是PCI-E x16插槽是PCI-E的万能插槽。

由于PCI-E x16插槽常用于显卡,与cpu处理器直接相通,在物理位置上直接靠近cpu,这样显卡与处理器之间的数据交换就可以减少延迟,让系统的性能可以得到充分的发挥。

2、PCI-E x8插槽全长56mm,有98根针脚,与PCI-E x16比较,主要是数据针脚减少至76根,短的供电针脚仍然是22针脚。

为了兼容性,PCI-E x8插槽通常加工成PCI-E x16插槽的形式,但数据针脚只有一半是有效的,也就是说实际带宽只有真正的PCI-E x16插槽的一半。可以观察主板布线,x8的后半段没有线路连接,甚至针脚也没有焊接。

实际上除了旗舰级的主板,能提供多条真正的PCI-E x16插槽外,主流级主板,只会提供一条真正的PCI-E x16插槽,就是最靠近cpu的那条。而第二条和第三条PCI-E x16插槽,则多数是PCI-E x8甚至是x4级别的。

3、PCI-E x4插槽的长度为39mm,同样是在PCI-E x16插槽的基础上,以减少数据针脚的方式实现,主要用于PCI-E SSD固态硬盘,或者是通过PCI-E转接卡安装的M.2 SSD固态硬盘。

PCI-E x4插槽通常由主板芯片扩展而来,不过随着cpu内部PCI-E通道数的增多,现在有部分高端主板可以开始提供直连cpu的PCI-E x4插槽,用于安装PCI-E SSD固态硬盘。

主板上为什么找不到PCI-E x4插槽?其实它是以M.2接口的形式出现的。

不过与PCI-E x8插槽一样,PCI-E x4插槽为了兼容性,现在多数也是做成PCI-E x16插槽的形式,或是扩展为M.2接口,用于安装M.2 SSD、M.2无线网卡或者其它M.2接口设备,其余扩展卡则留给PCI-E x1插槽负责。

4、PCI-E x1插槽的长度是最短的,仅有25mm,相比PCI-E x16插槽,其数据针脚是大幅度减少至14个。PCI-E x1插槽的带宽通常由主板芯片提供,主要用途是独立网卡、独立声卡、USB 3.0/3.1扩展卡等都会用到PCI-E x1插槽,甚至可以通过转接线给PCI-E x1插槽装上显卡,用来挖矿或者实现多屏输出。

X1是用来替代原来的PCI设备的。

注意:为了长、短插槽互相兼容(物理长度兼容、版本的兼容包括1.0、2.0、3.0互相兼容),短插槽自然可以插入长插槽中,但长的插到短的插槽中就不容易,一般X1还是保持原来的长度,而x4、x8、x16在实际的主板中,都统一长度到x16。只是速度不同而已。多余的脚是悬空的,没有用处。这样外形上就统一兼容了,仔细看一下针脚是否焊接了线路,一般主板上都标明了是PCI-E x多少。

二、PCIE版本及规范

截止到当前,PCIE已经发展到6.0版本,以下是PCIE不同版本对比:

三、PCIE中的RC、EP模式

RC:Root Complex,RC设备用于连接CPU/内存子系统 和 I/O设备;RC模式下,PCIE配置头中的类型值为1;RC模式下,支持配置和I/O事务

EP:EndPoint,EP设备通常表示一个串行或I/O设备;EP模式下,PCIE配置头中的类型值为0;EP模式下,PCIE控制器接收针对本地内存空间的读写操作

四、M.2硬盘与PCI-E硬盘的区别

SATA和M.2指的是固态硬盘的接口种类,除了这两种常见的种类,还有其他的接口,例如mSATA和PCIe。固态硬盘不同的接口也代表了它们不同的传输速度,接口为SATA和mSATA的传输速度一般都在500MB/S以下,而常见的M.2接口的固态传输速度最高可达7000MB/S左右。

目前PCIe接口的固态硬盘,以及大部分M.2接口的固态硬盘都使用PCIe标准,SATA使用的就是SATA总线标准。

SATA总线使用的通信协议是AHCI或ATA,传输速度都不算快。PCIe总线使用的通信协议一般都是NVMe,主流配置是PCIe 3.0×4搭配NVMe 1.4,传输速度能达到2000MB/S以上,说它是主流是因为这样性价比最高。

1、PCIE:

目前使用较多的是PCIe X4,市面上流通较多的是PCI-E 2.0版本和3.0版本,对应的X4带宽为16Gbps/32Gbps,折算成传输速率约为2GB/s和3.93GB/s,相比SATA接口,这已经是非常恐怖的速率了。

当然,另一方面,PCI-E接口的固态硬盘,其价格昂贵到令许多普通用户望而却步,无法承受。

2、M.2:

M.2原名为NGFF接口,标准名称为PCI Express M.2 Specification。它是为超极本(Ultrabook)量身定做的新一代接口标准,以取代原来基于mini PCIe改良而来的mSATA固态硬盘。无论是更小巧的规格尺寸还是更高的传输性能M.2都远胜于mSATA。随着SATA接口瓶颈不断凸显,越来越多的主板厂商也开始在自家产品线上预留M.2接口,主流的M.2接口有三种尺寸,分别是M.2 2242、2260、2280。

M.2接口可以同时支持SATA及PCI-E通道,后者更容易提高速度。这里需要注意的是,M.2的连接器有三种类型,被称为Socket 1、2、3,Socket1由于尺寸比较特殊,比较少用,重点是Socket 2和3。Socket 2支持SATA和PCI-E X2接口,Socket 3则只支持PCI-E X4接口。如果是走SATA通道,那么传输速率就和SATA 6Gbps一模一样,没有区别,如果是走PCI-E通道,才能享受到超过SATA的高速。

下图就是Socket 2和3的外观区别,这里面引入B key和M key这两个概念:

接口连带B key一起使用,走SATA或PCI-E x2通道,就是Socket 2接口;

接口连带M key一起使用,走PCI-E x4通道,就是Socket 3接口。

五、PCIE硬件设计注意事项

PCIe2.0 设计中请注意:

1、Slot 设计时,外围电路及电源需要满足 Spec 要求;

2、PCIe2.0接口的TXP/N差分信号上串接的100nF交流耦合电容,AC耦合电容建议使用0201封装,更低的 ESR 和 ESL,也可减少线路上的阻抗变化;

PCIe3.0 设计中请注意:

1、Slot 设计时,外围电路及电源需要满足 Spec 要求;

2、PCIe3.0 接口的 TX0P/N,TX1P/N 差分信号上串接的 220nF 交流耦合电容,AC 耦合电容建议使用 0201 封装,更低的 ESR 和 ESL,也可减少线路上的阻抗变化。

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