走向點到點的互連—-從PCI、PCI-X到PCI-Expr

對未來計算平臺芯片與芯片之間的帶寬需求將連續(xù)增長。到現(xiàn)在為止，并行總線的發(fā)展能夠跟上這樣的需求。32位33兆的PCI已經(jīng)發(fā)展到64位133兆的PCI-X。有了它，事務(wù)處理的量已大大增加。一個建議的解決方案正在從基于總線結(jié)構(gòu)向點到點結(jié)構(gòu)的方向變化。本文將關(guān)注PCI-Express，它在下一代計算平臺中可能替代PCI和PCI-X。
在目前的結(jié)構(gòu)中，外圍設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)，存儲和視頻）使用像PCI或PCI-X那樣的平行總線來連接的。平行總線已從32位33兆的PCI發(fā)展到了64位133兆的PCI-X。隨著平行總線的時鐘速率的增加這些總線支持的插槽數(shù)目就減少。平行總線通常包含地址/數(shù)據(jù)信號和一些邊帶信號。邊帶信號用來表示總線上數(shù)據(jù)的方向和事務(wù)處理的類型，還能用于表示中斷或總線主控請求。一個典型的64位PCI-X總線在總共127個信號管腳中可包含64條地址/數(shù)據(jù)線和33個左右的邊帶信號。
由于網(wǎng)絡(luò)、存儲和視頻的帶寬需求已經(jīng)增長，一些設(shè)計師們正著眼于把點到點的結(jié)構(gòu)作為有潛力的解決方案。在基于總線的結(jié)構(gòu)中，帶寬是由總線中所有的設(shè)備來共享的。在PCI-Express 點到點的結(jié)構(gòu)中，每個設(shè)備都由一個專用連接而不必要共享帶寬。點到點的結(jié)構(gòu)還有其它的優(yōu)點。一個典型的PCI-Express連接使用兩個LVDS（低電壓差分信號）對，一對用于發(fā)送，一對用于接收。在這個結(jié)構(gòu)中沒有邊帶信號。下面的圖顯示了一個點到點的通道，它有兩個差分對（一個發(fā)送一個接收）和一個地信號。一個PCI-Express通道在每個方向同時以2.5Gb/s傳送數(shù)據(jù)并使用8b/10b編碼。
PCI-Express提供了超越總線型PCI-X的一些優(yōu)點。優(yōu)點之一是為應(yīng)用裁剪帶寬的能力。PCI-Express信道能聚集以增加總帶寬。PCI-Express通道的有效組合為x1，x2，x4，x8，x16和x32。可用的帶寬直接與通道的數(shù)目成比例。通道數(shù)加倍帶寬也加倍。一個10Gb以太網(wǎng)控制器可以使用4條PCI-Express通道來與控制器的帶寬相匹配。由于PCI-Express通道不是被多個設(shè)備共享的，它的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是可熱替換的。PCI-Express使用消息傳遞來處理一些PCI所提供的邊帶信號。
PCI-Express還提供了把大的信道分成小的信道的能力。一個8通道的PCI-Express連接能分為二個4通道的連接，四個2通道的連接，或八個1通道的連接。PCI-Express另一個優(yōu)點是減少通道所需的信號數(shù)目。在傳統(tǒng)的PCI中約有127個管腳。如果芯片廠商有興趣提供多個PCI總線來增加額外的帶寬，那么他們要為每段總線增加127個管腳。相比之下，4通道的PCI-Express連接是20個管腳。這對芯片廠商會造成重復(fù)PCI總線的困難，其主要成本之一是封裝。一個有趣的度量單位是每管腳的帶寬。全部管腳計數(shù)包括芯片廠商使用不同的技術(shù)所需要的地址、數(shù)據(jù)、邊帶、電源和地線連接。由于PCI-Express的可擴展，它的每管腳的帶寬從1信道至16信道保持相同。
用于母板的器件從PCI到PCI-Express的轉(zhuǎn)變將在2004年出現(xiàn)。轉(zhuǎn)向PCI-Express的主要驅(qū)動力是每管腳的帶寬，可擴展性，和帶寬。從軟件的觀點PCI-Express看起來就象PCI。PCI-Express的設(shè)計師們要維持與為PCI設(shè)備編寫的所有軟件都兼容。一個仍要回答的問題是何時我們可以看到基于PCI-Express的插板。現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)已有了，這只不過是市場采用率的事情了。