基于PCI Express架构的第三代局域I/O总线

PCI总线的出现已有10年之久，并将在未来数年继续扮演重要角色。然而，如今和与未来的处理器与I/O器件需要更高的I/O带宽，这已超出PCI 2.2或PCI-X的范围，现在业界需要制定新一代的PCI技术作为下一代平台的标准I/O总线。业界致力于创造出更高带宽的总线，目前已经有支持各种特定应用总线的PC平台，以及PCI I/O扩展总线。

在可预见的未来，处理器系统总线仍将持续提升其频率与电压，而内存带宽必须配合处理器频率的攀升而提高。芯片组通常被划分为北桥芯片(连接内存等)与南桥芯片(连接I/O等)，因为内存总线通常会随着每一代处理器的演进而更新。芯片组的一项主要功能就是将这些持续改变的总线与稳定的I/O总线加以区隔。

仔细分析上个世纪90年代的PCI信号技术，我们可发现分支型(multi-drop)的平行式总线已逐渐走近其性能的极限，已无法轻易地升级频率或降低电压；其时钟同步数据传输受到信号偏移的限制，且信号路由法则已趋近FR4技术的成本效益极限。业界尝试各种方法来突破这些限制，创造出更高带宽的通用型I/O总线，导致须付出大笔成本来提升频宽，性能增加的幅度却相当小。对于提供局域I/O总线标准方面，图1所示的台式机平台解决方案仅是问题的一部分。PCI在制定规格之初并没有想到会发展至台式机平台、移动设备、服务器以及嵌入型通信等市场。

现今的应用软件对于平台硬件的性能要求日趋苛刻，尤其是I/O子系统。来自不同音频和视频来源的流数据已在台式机平台与移动平台中很常见，而在PCI 2.2或PCI-X规格中至今尚未有足够的性能来支持这类应用。诸如视频点播与音频重分布(audio re-distribution)等应用也迫使服务器需满足“实时”传送的需求。许多通信应用与嵌入型PC控制系统亦需实时处理数据。今天的平台，例如台式PC，也需以越来越高的数据流量来处理多组同步传输。同等对待所有数据已不能被接受，例如先处理流数据就更加重要，因为实时数据若处理过慢，等于没有数据一样。数据必须被加上标签，以便I/O系统能对它的数据流制定优先级来流经该平台。

像千兆以太网与InfiniBand等应用，需要更高带宽的I/O。第三代I/O总线除了扩展带宽外，还需要整合一些额外的功能。

以下归纳出第三代局域I/O总线的要求：

1．支持多重市场以及新兴应用：统一式I/O架构，支持台式机、移动设备、服务器、通信平台、工作站以及嵌入型设备；

2．成本与高产量：在系统层，成本需低于(或等于)PCI架构的成本；

3．兼容PCI的软件模式：不需任何修改就能引导现有的操作系统；具有与PCI兼容的配置与设备驱动程序接口；

4．性能：通过频率以及额外的传输管线来提升性能。每个引脚的带宽很高。资源开销低。低传输延迟；

5．支持多平台连接类型：芯片对芯片，通过连接器的板对板，功能扩展底座(Docking Station)，支持新的产品外型尺寸；

6．先进功能：涵盖不同的数据类型。电源管理。服务质量。支持热插拔。数据完整性与错误处理。可扩展性。支持嵌入史与通信应用的各种基本机制。

7．其它：针对簇解决方案，支持处理器、内存、线缆的协调互连机制。

加入交换器

最新的高速、低引脚数以及点对点技术发展，为增大传输带宽提供了一套具有吸引力的替代方案。PCI Express分支型的平行式总线拓扑包括一个宿主桥接器与多组端点(I/O单元)；多重点对点连接架构将交换器这个新元素导入I/O系统拓扑中，结构如图1所示。交换器取代了多点下载总线，用来为I/O总线提供扇出。交换器能在不同端点之间提供对等通讯机制，若其中没有涉及高速缓存的传输，就不需要转送至宿主桥接器。交换器看似一个独立的逻辑单元，但可整合至宿主桥接器中。

低信号数、点对点连接模式可通过连接器与线缆加以建构。PCI Express能创造出新的系统划分模式。

图2至图4显示运用PCI Express架构的2004年平台。目前平台中多组类似的并行总线被连接了多组管线的PCI Express所取代。每组链接都可视需要增加更多的管线，藉此提高传输带宽。例如台式机平台的图形以及服务器平台中的总线桥接器(如PCI Express- to -PCI-X)。

PCI Express交换器提供输出功能，并支持一系列的连接器，以增加高性能的I/O。交换器是一逻辑单元，能建置在含有宿主桥接器的元件中，或是构建成独立的元件。

业界预估PCI将被许多平台继续延用，以支持目前各种带宽较低的应用，直到有迫切性的需求出现，例如应用在新的产品外型尺寸上，届时将会全面转移至完全的PCI Express平台。

服务器平台需要更多的I/O性能与连接管道，其中包括高带宽的PCI Express，连接至PCI-X插槽、千兆以太网、以及InfiniBand架构。图3显示PCI Express如何为服务器提供与台式机系统相同的优势。PCI Express作为机体内部I/O，再搭配InfiniBand作为机体外部的I/O，提供簇系统的互连管道，让服务器能从“平行式共享总线”转移至高速的序列互连架构。

网络通讯平台可使用多个交换器，藉此提高联机效率与服务质量，来区隔不同的传输数据流。这类平台也能运用多个PCI Express链接，建构出一个模块化的I/O系统。

分层式设计