pcie总线带宽

矫情吗；* 2023-06-18 15:55 28阅读 0赞

## 总线带宽简介 ##

在计算机系统中，总线的作用就好比是人体中的神经系统，它承担的是所有数据传输的职责，而各个子系统间都必须藉由总线才能通讯，例如，CPU和北桥间有前端总线、北桥与显卡间为[AGP总线][AGP]、[芯片组][Link 1]间有[南北桥][Link 2]总线，各类扩展设备通过PCI、[PCI-X][]总线与系统连接；[主机][Link 3]与[外部设备][Link 4]的连接也是通过总线进行，如流行的USB 2.0、[IEEE1394][]总线等等，一句话，在一部计算机系统内，所有数据交换的需求都必须通过总线来实现！

按照工作模式不同，总线可分为两种类型，一种是[并行总线][Link 5]，它在同一时刻可以传输多位数据，好比是一条允许多辆车并排开的宽敞道路，而且它还有双向单向之分；另一种为串行总线，它在同一时刻只能传输一个数据，好比只容许一辆车行走的狭窄道路，数据必须一个接一个传输、看起来仿佛一个长长的数据串，故称为“串行”。

并行总线和串行总线的描述参数存在一定差别。对并行总线来说，描述的性能参数有以下三个：总线宽度、[时钟频率][Link 6]、数据传输频率。其中，总线宽度就是该总线可同时传输数据的位数，好比是车道容许并排行走的车辆的数量；例如，16位总线在同一时刻传输的数据为16位，也就是2个字节；而32位总线可同时传输4个字节，64位总线可以同时传输8个字节......显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。不过总线的位宽无法无限制增加。

总线的带宽指的是这条总线在单位时间内可以传输的数据总量，它等于总线位宽与工作频率的乘积。例如，对于64位、800MHz的前端总线，它的[数据传输率][Link 7]就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s；32位、33MHz [PCI总线][PCI]的数据传输率就是32bit×33MHz÷8=132MB/s，等等，这项法则可以用于所有[并行总线][Link 8]上面——看到这里，读者应该明白我们所说的总线带宽指的就是它的数据传输率。

对串行总线来说，带宽和工作频率的概念与并行总线完全相同，只是它改变了传统意义上的总线位宽的概念。在频率相同的情况下，并行总线比串行总线快得多，那么，为什么各类并行总线反而要被串行总线接替呢？原因在于并行总线虽然一次可以传输多位数据，但它存在并行传输信号间的干扰现象，频率越高、位宽越大，干扰就越严重，因此要大幅提高现有并行总线的带宽是非常困难的；而串行总线不存在这个问题，总线频率可以大幅向上提升，这样串行总线就可以凭借高频率的优势获得高带宽。

而为了弥补一次只能传送一位数据的不足，串行总线常常采用多条管线（或通道）的做法实现更高的速度——管线之间各自独立，多条管线组成一条[总线系统][Link 9]，从表面看来它和并行总线很类似，但在内部它是以串行原理运作的。对这类总线，带宽的计算公式就等于“总线频率×管线数”，这方面的例子有PCI Express和[HyperTransport][]，前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多个版本，在第一代PCI Express技术当中，单通道的单向[信号频率][Link 10]可达2.5GHz，我们以×16举例，这里的16就代表16对双向总线，一共64条线路，每4条线路组成一个通道，二条接收，二条发送。这样可以换算出其总线的带宽为2.5GHz×16/10=4GB/s（单向）。除10是因为每字节采用10位编码。

## GT/S与Gbps的定义 ##

GT/s —— Giga Transmissionper second （千兆传输/秒），即每一秒内传输的次数。重点在于描述物理层通信协议的速率。

Gbps —— [Giga][] [Bit][]s Per Second （千兆位/秒）。

GT/s 与Gbps 之间不存在成比例的换算关系。GT/s着重描述端口的速率属性，可以不和链路宽度等关联，这样来描述“可以进行链路宽度扩展”的高速串行接口更为合适一些。 需要结合具体的物理层通信协议来分析。

**举例**

例如：[PCI-e][]2.0 协议支持 5.0 GT/s, 即每一条Lane 上支持每秒钟内传输 5G个bit；但这并不意味着 PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5Gbps 的[速率][Link 11]。为什么这么说呢？ 因为PCIe 2.0 的物理层协议中使用的是 8b/10b的编码机制。 即每传输8个bit，需要发送10个bit；这多出的2个bit并不是对上层有意义的信息。 那么， PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5 \* 8 / 10 = 4Gbps 的速率。 以一个PCIe 2.0 x8的[通道][Link 12]为例，x8的可用[带宽][Link 13]为 4 \* 8 = 32 Gbps。

例如：第二代[PCI Express][]接口（简称 PCIe Gen2）的速率属性为5.0GTs，这样的描述主要说明的是每条PCIe Gen2的Lane（Serdes）每秒可以完成5.0G bit的数据传输这一属性，无论对于宽度为x1、x2、x4、x8的PCIe Gen2接口都是适用的。而如果笼统的说“PCIe Gen2的速率为5.0GT/s，则显得不太合适，因为对于一个x8的PCIe Gen2链路来说，它的8个Lane加在一起真正的数据传输能力实际可以达到40GT/s！同理，说PCIe Gen3接口的速率为8.0GT/S也是类似的意思。

## pcie总线带宽 ##

PCIe链路可以由多条Lane组成，目前PCIe链路可以支持1、2、4、8、12、16和32个Lane，即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32宽度的PCIe链路。每一个Lane上使用的总线频率与PCIe总线使用的版本相关。

第1个PCIe总线规范为V1.0，之后依次为V1.0a，V1.1，V2.0和V2.1。目前PCIe总线的最新规范为V2.1，而V3.0正在开发过程中，预计在2010年发布。不同的PCIe总线规范所定义的总线频率和链路编码方式并不相同，如表4‑1所示。

表4‑1PCIe总线规范与总线频率和编码的关系

<table style="width:559px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> PCIe总线规范 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 总线频率<a href="http://blog.sina.com.cn/s/blog_6472c4cc010185pf.html#_ftn1" rel="nofollow">[1]</a> </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 单Lane的峰值带宽 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 编码方式 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 1.x </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 1.25GHz </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 2.5GT/s </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 8/10b编码 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 2.x </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 2.5GHz </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 5GT/s </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 8/10b编码 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 3.0 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 4GHz </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 8GT/s </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 128/130b编码 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

如上表所示，不同的PCIe总线规范使用的总线频率并不相同，其使用的数据编码方式也不相同。PCIe总线V1.x和V2.0规范在物理层中使用8/10b编码，即在PCIe链路上的10 bit中含有8 bit的有效数据；而V3.0规范使用128/130b编码方式，即在PCIe链路上的130 bit中含有128 bit的有效数据。

由上表所示，V3.0规范使用的总线频率虽然只有4GHz，但是其有效带宽是V2.x的两倍。下文将以V2.x规范为例，说明不同宽度PCIe链路所能提供的峰值带宽，如表4‑2所示。

表4‑2PCIe总线的峰值带宽

<table style="width:559px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> PCIe总线的数据位宽 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×1 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×2 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×4 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×8 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×12 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×16 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> ×32 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> 峰值带宽(GT/s) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 5 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 10 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 20 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 40 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 60 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 80 </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 160 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

由上表所示，×32的PCIe链路可以提供160GT/s的链路带宽，远高于PCI/PCI-X总线所能提供的峰值带宽。而即将推出的PCIe V3.0规范使用4GHz的总线频率，将进一步提高PCIe链路的峰值带宽。

在PCIe总线中，使用GT(Gigatransfer)计算PCIe链路的峰值带宽。GT是在PCIe链路上传递的峰值带宽，其计算公式为总线频率×数据位宽×2。

[AGP]: https://baike.baidu.com/item/AGP%E6%80%BB%E7%BA%BF/7207177
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E8%8A%AF%E7%89%87%E7%BB%84
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%97%E5%8C%97%E6%A1%A5
[PCI-X]: https://baike.baidu.com/item/PCI-X/6371999
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%BB%E6%9C%BA
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%96%E9%83%A8%E8%AE%BE%E5%A4%87
[IEEE1394]: https://baike.baidu.com/item/IEEE1394/264853
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E5%B9%B6%E8%A1%8C%E6%80%BB%E7%BA%BF
[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E9%A2%91%E7%8E%87
[Link 7]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%BC%A0%E8%BE%93%E7%8E%87/603683
[PCI]: https://baike.baidu.com/item/PCI%E6%80%BB%E7%BA%BF/132135
[Link 8]: https://baike.baidu.com/item/%E5%B9%B6%E8%A1%8C%E6%80%BB%E7%BA%BF/4358078
[Link 9]: https://baike.baidu.com/item/%E6%80%BB%E7%BA%BF%E7%B3%BB%E7%BB%9F/12751986
[HyperTransport]: https://baike.baidu.com/item/HyperTransport/1229584
[Link 10]: https://baike.baidu.com/item/%E4%BF%A1%E5%8F%B7%E9%A2%91%E7%8E%87/7543618
[Giga]: https://baike.baidu.com/item/Giga
[Bit]: https://baike.baidu.com/item/Bit
[PCI-e]: https://baike.baidu.com/item/PCI-e
[Link 11]: https://baike.baidu.com/item/%E9%80%9F%E7%8E%87
[Link 12]: https://baike.baidu.com/item/%E9%80%9A%E9%81%93/12004679
[Link 13]: https://baike.baidu.com/item/%E5%B8%A6%E5%AE%BD
[PCI Express]: https://baike.baidu.com/item/PCI%20Express