[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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