PCI Express简介与市场应用

本文作者:admin       点击: 2003-08-01 00:00
前言:
平行数据处理(利用多条平行路径传送数据)一直意味着许多接线、以及会产生干扰的高频讯号。而PCI Express则使用了序列数据处理方式,凭借着先前多个成功经验而行:Ethernet、Serial ATA、USB、FireWire、AMD的HyperTransport等,都是最好的例子,同时藉由若干信道的组合方式,更能展现其爆发力。

前言
PC上的总线,从ISA、EISA、VL-Bus、PCI、PCI-X、AGP历经几十年的发展,也碰到了与IDE/Parallel ATA类似的传输瓶颈:在现有传统架构下,传输频宽已达到无法突破的极限。而另一方面,传统PCI的共享频宽模式也无法应付愈来愈多的高速传输外围,如Fiber channel、Gigabit Ethernet、Serial ATA、Graphics等应用。Serial ATA规格于1998年导入,2002年8月以后世界各地均有相关产品问世,现在市面上已很容易买到支持Serial ATA的主机板、硬盘、转换卡、PCI-SATA控制卡等。而Gigabit Ethernet规格于2000年导入,相关产品也于2000年上市;在Graphic显示外围方面,由于PCI无法提供足够的频宽,早就有AGP此一专属的总线供Graphic使用。
由上述的事实观察,在PC上多媒体与高速传输的应用驱使PC效能迈入Giga等级的时代,此一现象使既有的PCI总线频宽逐渐不敷所需,而传统的PCMCIA、miniPCI卡也因尺寸较大而限制了产品进一步缩小的可能性,再者PCI在电源管理(消耗)所展现的效能也慢慢难以支应行动通讯产品所需。也因此所谓的3rd generation I/O architecture(PCI Express最早的名称)的开发更有其必要性。有鉴于此,PCI接口的创始机构PCI-SIG与CPU龙头Intel首度携手合作,共同催生新一代的I/O总线接口PCI-Express (原称3GIO),期望藉由新的接口标准可解决上述PC总线所面临瓶颈,并开创出更多元的资通讯应用。
本文将对PCI Express作一Overview的介绍,使读者能对下一代的计算机总线及其应用有更深刻的了解。
总线历史
总线历史最早可追溯至ISA(Industry Standard Architecture)界面,ISA可说是总线的始祖,它的优点是适配卡的设计方式容易,但是传输数据速度较慢,而且数据传输品质较差,所以已经逐渐被其它型式总线所取代,目前ISA插槽已走入历史。当ISA的频宽无法应付数据传输的成长时,EISA(Extended Industry Standard Architecture) 与 MCA(Micro Channel Architecture)分别导入个人计算机市场但是并未成为主流。而之后曾经独领风骚一阵子的是VL-Bus(VESA Local Bus),不过也仅昙花一现。后来PCI(Peripheral Component Interconnect)扮演了一统江湖的角色,在1992年推出之后,成为市场上的主流,一直到1997年间,AGP取代PCI,成为高效能绘图芯片的接口标准,总线市场才稍有变化。但PCI至今为止仍是总线的主流。
PCI标准是由PCI-SIG所制定,回顾其发展历程,自1992年的PCI 1.0问世以来,因应不同阶段的效能需求逐步进行版本更新,历经十年的发展,已衍生至PCI 2.3,3.0的版本,及PCI-X 1.0,2.0之 Server等级规格(请参考表2)。以PCI-X技术而言,PCI-X 1.1已能达到1.0 Gbps,PCI-X 2.0更可达到4.2 Gbps的传输速率,这样的频宽水准在许多层面的应用已相当足够,特别是PCI-X 2.0目前已有许多Server chipset支持;除对PCI-X及PCI具备完整向下兼容性,也支持RAS功能,对Server I/O而言是颇为理想的解决方案。
PCI虽然历经多次的改版,但由于近年来3D/Multimedia与无线通讯应用的兴起,使得既有的PCI不论在效能、频宽均逐渐不敷使用,这也导致了AGP、PCI-X、HL等其它总线的出现,且分别focus于不同的市场应用,也许是历史的宿命与偶然,此一现象正如当年ISA之后的EISA,MCA,VL-Bus百家争鸣一样,充分反映出总线多头马车的问题。有鉴于此,一个新的、通用型且可同时运用到各种不同应用市场的标准界面技术,自然就被大家所期待了。因此在这样的背景前提下,所谓的第三代I/O总线接口—PCI Express就顺势而生了。
PCI Express简介
2002年Intel 秋季IDF中,FPGA大厂Xilinx首度在会场上,展示符合PCI Express 1.0规格的产品,于两台PC间进行DVD讯号的传输,此举也正式为PCI Express时代的到来揭开序幕。
虽然目前大部分使用者很满意目前计算机系统的performance,比如单纯使用Email、 文书软件、电子表格、因特网与商业功能等。但是仍然有很多的应用需要更快的处理效能,如Graphics、Networking、Storage等都需要更快、更有效率的互连总线。而放眼未来个人计算机将会增加更多Multimedia/IA的功能,扮演家庭娱乐中继站的角色所以一些未来新的IA应用,包含:
 video editing and encoding
 complex image processing
 HDTV decoding
 24-bit sample / 96kHz sampling rate multi channel audio capture and playback
 realistic 3D gaming
等都需要更高速的运算与传输,另外在专业用途上,包含
 true voice recognition and synthesis
 applications like robust and accurate biometrics
 advanced encryption
 more compute-intensive scientific and engineering calculations
 visualization and simulation
 film-quality 3D animation and rendering
 advanced financial modeling
 Numerous other heavy-duty chores.

在CPU与储存接口(Serial ATA)性能不断提升之下,计算机上的效能瓶颈仅剩下总线而已。因此PCI Express的出现是为了将计算机的效能维持10年内的持续成长。
就产品定义而言,PCI Express 主要定位在芯片对芯片(chip to chip)、本区总线(Local Bus)、背板总线(backplane Bus)三种总线之应用(请参考图1)。与PCI 相比,PCI Express 不论在效能、稳定度、电源管理、软件兼容性,皆具备了更大的延展与扩充性,可广泛应用在Desktop、Mobile、Server三大主流市场。
就技术层面来看,PCI Express主要采用的技术包含:Point-to-point传输、串行互连(serial)、差动式信号(Differential signals)、嵌入式时脉讯号(emgedded clock)均是针对过去PCI所使用的技术所做的改进(请参考表3)。
另外在技术层面来看,PCI Express主要采用的技术包含:Point-to-point传输、串行互连(serial)、差动式信号(Differential signals)、嵌入式时脉讯号(emgedded clock)均是针对过去PCI所使用的技术所做的改进(请参考表3)。
为了因应未来宽频组件的市场应用,PCI Express每个通道提供2.5 Gbps的传输频宽,此一频宽已超越了市面上多数其它总线的效能。除此之外,搭配可随时修改总线宽度的Scalability特性,使PCI Express提供了x1、x2、x4、x8与x32等各种总线宽度选择,并保持向下的兼容性(请参考图2、表4),此目的是为了配合未来的多元应用,因此可知其它总线将被PCI Express所取代,以x16(40 Gbps)为例,推出之目的即在取代既有的AGP。在传输介质上,目前PCI Express可在铜在线正常运作,未来可望进一步支持光纤。
PCI Express主要功能特性大致如下所述:
 组件之间Point-to-point serial 连接方式(using directly wired interfaces between chips, cables between devices, or connector slots for PCI Express expansion cards)
 每一pin脚提供更高的频宽 
 如此可解决频宽不足之问题,为未来3D/多媒体应用预留空间
 具弹性的总线宽度(where upstream width can be different than downstream width and vice-versa, x1、x2、x4、x8、x16、x32) 
 可提供多样化频宽选择,适用各类应用,达成总线大一统之目的
 较低的功率消耗与更完整的电源管理功能
 支持hot-pluggability and hot-swap 之外围装置
 支持通讯上所使用的Quality of service (QOS) 连结组态设定与arbitration policies 
 支持常时等量的数据传输(Isochronous data transfer),能确保频宽与延迟程度的内存存取。
 Packetized 及 layered protocol architecture 
 每一实体Link均提供multiple virtual channels 
 对所有的数据链路封包提供支持End-to-end 与Link-level data integrity 
 PCI-level 的error handling 与进阶之error reporting 
 使用较小的connectors 以节省空间 
 与PCI based相关软件层面的兼容性(但PC board 或 connector层级不支持) 
 提供目前高频传输均采用之point-to-point 连接方式,确保每一个连接点均有保证固定之频宽,而非过去的共享频宽方式。 
 与其它主机板上相关device(e.g. USB 2.0, InfiniBand, Ethernet, and 1394/1394b)的连结的I/O 连接点。.
PCI Express的市场应用
PCI Express在市场上的应用可分为Desktop、Server与Mobile /Communication computing三方面来看:
1. Desktop
以Desktop平台而言,厂商最在乎的不外是:
 低成本
 高效能
 软件向下兼容性
 先进的电源管理
等重点,而PCI Express在卡片的尺寸上也做了颇大的改变,未来的PCI Express卡尺寸大小将会是PCMCIA卡的1/4,同时也支持热插拔功能,方便未来各种形式的应用。
与其它平台比较,Desktop将会是最早导入PCI Express的应用市场。目前国内外均有许多Chipset厂商正在开发同时支持Serial ATA与PCI Express的Chipset。初期应该会以x1、x16为主力。2003下半年应该会有Engineer Sample可提供主机板厂商验证,如果进度顺利,明年的主机板市场将可看到支持PCI Express的相关产品。

2. Server
在Server平台上,厂商最重视的是稳定度、可维护性等各项因素,系统的Performance反而不是业者所最关心的,因此PCI-Express与 PCIX(1.0、2.0)系列产品预期将并存一段时期,主因在于PCIX(1.0、2.0)所提供的效能及兼容性已满足现阶段Server厂商所需,PCI-Express目前在资、通讯产品的应用推展脚步较快,然往后一旦发展成熟,其更高的效能与广泛的功能势必会逐渐进入Server领域,并且取代PCIX(1.0、2.0)系列产品。
未来PCI Express可望取代既有PCI-X成为服务器内部总线主要架构,但为顾及回溯兼容、增加企业用户采购意愿,目前只有戴尔计算机(Dell Computer)考虑将PCI Express应用到新生产的服务器上,其它大厂如富士通西门子(Fujitsu- Siemens)、HP及IBM则暂时对PCI Express持保留态度,预计要等到2005年才会在服务器中置入PCI Express插槽。因此,尽管PCI Express架构相当优越,同时可降低厂商的board cost,但由于上述的原因,消费者在短期内应该无法在Enterprise市场上看到PCI Express的踪迹。
3. Mobile /Communication computing
PCI Express可采用模块化生产,如同PCMCIA卡,不仅能增加一般桌上型计算机的传输效益,也能大幅提升笔记型计算机的扩充性能,未来也有机会内建成机上盒(set-top-box)里面的连接埠。更特别的是,PCI Express增加了通讯设备专用的网络服务品质(Quality of Service;QoS)规格,显示出Intel想要从PC跨进通讯产业的企图心,未来在行动电话、wireless PDA、各种IA产品都会见到PCI Express的出现。
相对于Mini PCI,也有所谓的Mini PCI Express的出现,Mini PCI Express的主要特性如下:
 取代Mini PCI
 开放之标准,可支持BTO/CTO之解决方案
 更高的频宽界面
 取得电源需求与外观大小限制之平衡
 无线通讯之应用需要更大之电力需求,而PCI Express有较佳的电源管理功能
相较于Desktop市场的率先采用,与Server市场的暂时观望,Mobile/Communication市场,有其市场规格的需求性,因此相关产品的推出将会与略晚于Desktop市场,但是相隔时间不会太久。

结语
今日的电子信息技术日新月异,在PC interface的发展也由传统的并列传输方式,演进至目前的高速串行传输。新的规格与新的技术,也带来新的设计挑战。平行数据处理(利用多条平行路径传送数据)一直意味着许多接线、以及会产生干扰的高频讯号。而PCI Express则使用了序列数据处理方式,凭借着先前多个成功经验而行。Ethernet(以太网络)、Serial ATA、USB(通用串行端口)、FireWire(火线)、AMD的HyperTransport等,都是最好的例子,同时藉由若干信道的组合方式,更能展现其爆发力。
经由以上分析,我们可以窥知PCI Express对目前各种I/O总线技术因不同应用、所带来不同程度的冲击与影响,总结来说,总线走向大一统(PCI-Express)为大势所趋,但仍需考量到成本、产品定位、兼容性、使用者偏好、厂商支持整合脚步…等各项变量。
就产品应用面而言,信息、行动运算市场可望因绘图/多媒体兴起及无线通迅风潮率先走向商品化,尤其是AGP 8X,应该是最先被PCI Express所取代的高速I/O channel。而追求系统稳定度与数据安全性、完整性的Server市场则应会先采用PCI-X系列产品经过一段过渡时期。
就PCI-SIG的规划,PCI Express是能符合未来十年计算机的总线需求、并能充分与PCI软件兼容,很平顺的转换到未来规格、更重要的是PCI Express提供具稳定性/多层渐进性/延展性的总线架构。并且横跨Desktop、Mobile、Server、Workstation与Communication 等平台的应用,相信未来的2年内即将可以看见PCI Express 在各个领域取代既有之总线,成为市场上的主流。