背景
2003 年 PCI Express 1.0a 規(guī)范發(fā)布，這是計(jì)算機(jī)世界的高速串行總線結(jié)構(gòu)，其可用帶寬大大超過了以前計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的并行總線。并行總線依靠極高的引腳數(shù)總線連接，這限制了在更高的時(shí)鐘頻率的能力的扇出水平， PCI Express 1 規(guī)范成為一個(gè)知名、低成本、高度可伸縮的、可交換的和點(diǎn)到點(diǎn)的串行 I/O 互連，而且與 PCI 總線保持完全的軟件兼容性。 PCI Express1 通過差分方式以高達(dá) 2.5 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸，每一個(gè)方向（發(fā)送和接收）都有 獨(dú)立的高速信號(hào)對(duì)集。每一組發(fā)送和接收對(duì)都 統(tǒng)稱為“道”。為了擴(kuò)大和實(shí)現(xiàn)更高的互連帶寬， PCI Express 規(guī)范允許更多的道添加到鏈接中。基本 PCIExpress 配置： X1 （ 1 道高速數(shù)據(jù)）， X4 （ 4 道高速數(shù)據(jù)）、 X8 （ 8 道 高速數(shù)據(jù)），和 x16 （ 16 道高速數(shù)據(jù)）。
作為一個(gè)串行總線， PCI Express 使用數(shù)據(jù)包來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)（ CRC ）有助于驗(yàn)證來自鏈路的數(shù)據(jù)是否被正確接收。 序列號(hào)確保實(shí)現(xiàn)正確的分組排序。由于 PCI Express 是 點(diǎn)到點(diǎn)架構(gòu)， PCI Express 交換機(jī)可以把多個(gè) PCI Express 段連接在一起。 而在某種程度上，交換機(jī)的功能類似于 更熟悉的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備，從軟件 / 架構(gòu)的角度來看，交換機(jī) 像一組相互連接的 PCI 到 PCI 的橋來確保使用 PCI 總線和現(xiàn)有軟件的兼容性。
在主板上 PCI Express 插槽替代了 PCI 和 PCI-X 插槽。主機(jī)芯片組允許處理器、內(nèi)存和 PCI Express 板總線之間高帶寬總線的連接 。即使是比較便宜的低端主板
一般至少有一個(gè) x16 PCI Express 插槽上，允許一個(gè) PCI Express 顯卡。
PCI 外箱
由于它的串行 I/O 架構(gòu)，與主機(jī)系統(tǒng)之外進(jìn)行電纜傳輸， PCI Express 接口是一個(gè)很好的選擇。 PCI Express 外部電纜規(guī)范 1.0 修訂版于 2007 年 1 月發(fā)表。使用適當(dāng)設(shè)計(jì)的主機(jī)總線適配器（ HBA ），一個(gè) PCI Express 電纜，和一個(gè)單元，將允許電纜的 PCI Express 接口被帶到一個(gè)或多個(gè) PCI Express 插槽或設(shè)備中，現(xiàn)在主機(jī)的內(nèi)部 I/O 總線可以擴(kuò)展到主機(jī)機(jī)箱的范圍之外。由于固有 PCI Express 接口的兼容性，主機(jī)機(jī)箱外部的設(shè)備似乎就在“本地”，允許在不改變現(xiàn)有軟件的情況下訪問 / 從主機(jī)系統(tǒng)訪問。
PCI Express 擴(kuò)展示例框圖
下面是一個(gè) PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)的概念框圖和它的與主機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系。
PCI Express 擴(kuò)展的好處
系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在他們?cè)O(shè)計(jì)和指定的產(chǎn)品中考慮 PCI Express 擴(kuò)展使用的原因有很多：
• 克服了主機(jī)系統(tǒng)中沒有足夠數(shù)量的擴(kuò)展槽的問題。
•克服主機(jī)系統(tǒng)中缺少完整的擴(kuò)展插槽。
•克服主機(jī)系統(tǒng)缺乏足夠的供電能力。
• 允許冷卻系統(tǒng)以外的高功率設(shè)備冷卻
•允許在擴(kuò)展系統(tǒng)中使用對(duì)等通信，而不是總是根據(jù)芯片組配置允許在主機(jī)插槽之間
•允許使用低配置服務(wù)器的處理能力和內(nèi)存容量
•允許更模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中擴(kuò)展系統(tǒng)側(cè)重于獨(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)選擇的特定 I/O 和處理元素
•允許從主機(jī)系統(tǒng)物理地分離 I/O 和處理元素出于功能和環(huán)境原因
主機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展槽
而現(xiàn)代臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器計(jì)算機(jī)通常有大量的處理。 容量和系統(tǒng)內(nèi)存，它們可能無法提供足夠大的數(shù)量。 特定應(yīng)用程序的擴(kuò)展槽。通過使用一個(gè)或多個(gè)自由 x8 或 x16 PCI Express
槽（ S ）擴(kuò)展系統(tǒng) HBA 在主機(jī)系統(tǒng)（ S ）、 PCI Express 擴(kuò)展槽 系統(tǒng)的能力可以通過增加 8 到 16 個(gè)槽。此外，由于機(jī)械和 / 或包裝考慮許多主機(jī)系統(tǒng)不允許將全長(zhǎng) PCI Express 卡安裝到其擴(kuò)展中。通過使用擴(kuò)展系統(tǒng) 它自己的專用的機(jī)箱，所有額外的插槽可用于全長(zhǎng) PCI Express 卡。
主機(jī)電源
許多主機(jī)系統(tǒng)，特別是那些作為預(yù)配置單元購買的系統(tǒng)，都是 只提供有限的電源。超出系統(tǒng)核心組件（處理器、內(nèi)存等）的供電一般不行。許多系統(tǒng)限制電源性能主要有兩個(gè)原因：成本和冷卻。電腦類 制造商們正在與不斷下降的利潤(rùn)率競(jìng)爭(zhēng)，如果他們覺得只有他們的一小部分客戶用到額外電源， 他們是不會(huì)增加額外電源的，因?yàn)檫@樣他們將整體增加成本。此外，通過限制系統(tǒng)的電力供應(yīng)，制造商也限制了功率（熱量）的消耗。 他們的機(jī)箱中散熱的限制有效地影響冷卻 / 風(fēng)扇的要求。 冷卻 / 風(fēng)機(jī)需求的限制對(duì)系統(tǒng)成本的影響也是很大的。通過連接同一主機(jī)系 統(tǒng)到擴(kuò)展機(jī)箱，可以遷移 I/O 和處理元素， 整個(gè)系統(tǒng)能獲得額外的 3200 瓦以上的供電能力和匹配的散熱能力。 此外，擴(kuò)展系統(tǒng)可以由多種電源供電，像 AC 、 DC 、雙冗余和熱交換功能的方案。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信
許多應(yīng)用程序使用 I/O 和處理模塊，這些模塊不僅與主機(jī)和系統(tǒng)內(nèi)存，但也有和彼此之間通信。 PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)是允許這種通信的理想架構(gòu)。由于 PCI Express 插槽是 使用基于交換機(jī)的拓?fù)浠ミB，擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)的流量可以在插槽之間流通，不需要跨越關(guān)鍵的主機(jī)數(shù)據(jù)路徑。擴(kuò)展系統(tǒng)中交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能力針對(duì)低延遲、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，通過允許 PCI Express 數(shù)據(jù)包直接從輸入端口到輸出 ，而不需要在轉(zhuǎn)發(fā)之前經(jīng)過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的端口。此外，還有許多 主機(jī)系統(tǒng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信不允許在任何和所有擴(kuò)展槽之間。這種限制可能是因?yàn)樾酒M內(nèi)的體系結(jié)構(gòu)考慮。 由于主機(jī)內(nèi)并非所有擴(kuò)展插槽都連接到同一個(gè) I/O 總線。 在這種情況下，只允許在插槽和 主機(jī) / 系統(tǒng)內(nèi)存進(jìn)行通信。用于擴(kuò)展系統(tǒng)的 PCIe 開關(guān)沒有這個(gè)
限制，所有插槽之間能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。
低配置的服務(wù)器
現(xiàn)代低配的服務(wù)器設(shè)備為當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)低成本的解決方案。 將大量的處理單元和主機(jī)內(nèi)存合并到系統(tǒng)中。 然而，低配的服務(wù)器 PCI Express 擴(kuò)展插槽功能僅限于單個(gè)和非全長(zhǎng)槽。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇嫁給一個(gè)低成本的服務(wù)器，功能強(qiáng)大、成本低、占用空間小。 PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性以及和處理存儲(chǔ)之間的匹配 和 I/O 功能是理想的選擇。
模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于許多應(yīng)用程序，主機(jī)系統(tǒng)的選擇不是關(guān)鍵的或關(guān)鍵的部分。 高度兼容的服務(wù)器或桌面工作站的 硬件允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員指定所遇到的任何硬件平臺(tái)符合或超過應(yīng)用程序的特定要求可以使用。部分 通用主機(jī)系統(tǒng)無法滿足應(yīng)用程序的硬件需求是 I/O 。 或特定于應(yīng)用程序的處理模塊。通過“打包” I/O 和特定的應(yīng)用程序 將處理元素轉(zhuǎn)換成 PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建模塊化與主機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立的系統(tǒng)。這種模塊化的方法 還允許客戶選擇滿足其特定要求的主機(jī)系統(tǒng)硬件需求（供應(yīng)商偏好、特殊偏好等）。
物理分離
某些應(yīng)用程序具有主機(jī)系統(tǒng)和 I/O 設(shè)備的偏好，要求物理分離。分離要求可以是環(huán)境、安全或
系統(tǒng)因素。例如，一些測(cè)試工程師將指定一個(gè) PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)。 用于 I/O 板的環(huán)境測(cè)試。為了正確測(cè)試 I/O 板，板子必須安裝在一個(gè)環(huán)境中。許多主機(jī)系統(tǒng)不是或不能 夠承受 I/O 板測(cè)試所需的環(huán)境。通過在環(huán)境艙安裝擴(kuò)展系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)可以安裝在外部，通過電纜連接到測(cè)試的 I/O 板。
PCI Express 版本
2003 年發(fā)布了 PCI Express 1.0a 規(guī)范 （Gen-1 with 2.5 Gbps signaling
with 8b/10b encoding offering a maximumtheoretical bandwidth of 32 Gbps on a x16 link）， PCI 特別興趣小組（ SIG ）發(fā)布了另外兩個(gè)主要規(guī)范提高了 PCI Express 接口的性能。 2007 年 PCI Express 2 規(guī)范發(fā)布。 Gen-2 PCIe ，現(xiàn)在眾所周知，使用 5 Gbps 的信號(hào)
8b/10b 編碼，支持的最大理論帶寬 64 Gbpsx16 。在 2010 年，發(fā)布了 PCI Express 3 規(guī)范。 Gen-3 PCIe 使用 8 Gbps 信號(hào) 128b / 130b 編碼，支持的最大理論帶寬 126 Gbpsx16 。
結(jié)論
PCI Express 擴(kuò)展是許多不同應(yīng)用程序的有效解決方案，包括：
•基于 GPU 的高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)
•高性能 3D 圖形圖像渲染系統(tǒng)
• PCIe 測(cè)試系統(tǒng)
•固態(tài)磁盤（ SSD ）子系統(tǒng)
•高端口計(jì)數(shù) I/O 系統(tǒng)（以太網(wǎng)、高速串行等）
• 視頻墻系統(tǒng)
•視頻捕獲和編輯系統(tǒng)
PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)有 Gen-1, Gen-2 和 Gen-3 。 PCI Express擴(kuò)展系統(tǒng)帶來了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的高度靈活性：選擇主機(jī)系統(tǒng)的靈活性和
定制和應(yīng)用到特定場(chǎng)景的靈活性。
附加信息
有關(guān) PCI Express 擴(kuò)展系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)參閱 北京熠新科技 網(wǎng)站。
