（计算机应用技术专业论文）pci+express总线标准的研究与分析.pdf

中文摘要 中文摘要 在计算机系统中一个微处理器总是要和一定数量的部件及外围设备连接 的，但是如果各个部件和外设都直接用一组线路连到c p u 是不现实的，电路实 现也是很困难的。于是就需要有这样一组线路，配置适当的接口电路，然后把 c p u 和各部件、外设相互连接，这样的公共线路就称为总线。 总线又分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部外围芯 片与处理器之间的连线，是芯片一级的互连；系统总线是微机中各插件板与系 统板之问的连线，是插件板一级的互连；外部总线则是微机和外设之间的连线， 微机作为一种设备通过该总线和其他设备进行新型和数据交换，它用于设备一 级的互连。 目前最广泛采用的系统总线p c i 已经服务了l o 多年，随着计算机技术飞速 发展，c p u 运行速度越来越快，各部件间数据交换量越来越大，这都是对p c i 带宽的严峻考验，实际上p c i 总线已经系统性能提高的瓶颈，所以期待着更先 进的新型总线技术出现。本论文就是针对这种情况深入研究了当前最先进的总 线技术p c ie x p r e 鼹。 本论文主要介绍系统总线p c ie x p r e s s 的产生和发展，详细阐述了p c i e x p r e s s 的规范，深入研究了它的技术特点和优势，讨论了当前p c ie x p r c 鼹的 应用热点，并对支持p c ie x p 埠s s 总线的i n t e li 9 1 5 9 2 5 系列芯片组和主板的技术 特点进行了详细的分析，展望p c ie x p r e s s 发展前景和面临的挑战。 第一章首先介绍了系统总线的发展历程；分析各个时期流行的总线技术的 特点；讨论了目前p c i 总线的传输瓶颈闯题以及常规解决方案，最后是p c i e x p r c s s 总线的引入 第二章是本文的重点，详细叙述了p c i s i g 公布的p c ie x p r e s s 总线的规范， 包括它的体系结构、工作原理和封装；第三章深入研究了p c ie x p 鹕s s 的技术特 点，以及它的优势和面临的挑战。 第四、五章是论文的另一个重要部分，分析目前p c i e x p r e s s 的应用热点， 主要是p c ie x p r 铅s 显卡的性能测试与分析，以及i n t c l 最新发布的支持p c i 中文摘要 e x p r e s s 芯片组的关键技术革新和性能特点。 第六章总结，主要是笔者对p c ie x p r e s s 技术未来的展望。 关键词；p c i e x p r s p c i 总线 9 1 5 ，9 2 5 芯片组 显卡 i i a b s t r a c t a b s t r a c t am i c 廿印c e 跖o ri nac 咖肚rs y s t e i na l w a y sn e e d st ob cc o 硼e c t e d 谢t h s o m ec o m p o n c n t s 柚dc ) 【删d e v i c e s ，h o w e v e r ，“i sn o tr e a i i s t i ct oc o 曲c c ta l lo f m e m t o 龇c p u t l l r o u g h 伽ec a b l en o te v c nc o 璐i d e r i n gm ed i 伍砌可t o 砌l d t l l e c i 彻塔t h e r e f o 陀，t h e r ei san c e dt ob u i l da 伊o u po fc a b l e s 、i t l l 鲥t a b l ea d a 舯暑r s ， l l l l o u 曲w h i c ht l l ec p u ，i t sc o m p o n e n t s ，a n d “t e m a ld e “c e sc a i lb ec o 妯e c t e d 诵t l l e a c ho t h 鼠1 1 l i sg r o u po f p u b i i cc a b l 部i sc a i l c db 璐 t h eb u sc 觚b ed i v i d e di n t ot 1 1 r e et y p e s ：i n t c m a lb 璐，s y s t c mb u s ，a i l de x t e m a l b i l s t h ei n t e m a lb u s 讲o v i d e sac o 仰e c t i o nb e 铆e e nt l 】峙o u t 盯c 1 1 i p si n s i d ea m i c r o - c o m p u t e r 觚dt l l ep r o c e s s o r 1 1 h e r e f o r e ，i tc o 衄e c t sd i 疗e e n tc h i p s n e s y s t e mb l l sp r o v i d 髓ac o 衄e c t i o nb e t 、v e 吼c o m p o n e mb o a r d sa n ds y s t e mb o a r d s ， a n d “c o n n e c t sd i 矗b r e n tb o a r d s t h ee x t e m a lb u si su s e dt oc o n n e c tt i l e m i c m c o m p u t e r 、 ，i t l ie x t c m a ld e “c e s t h em i c r o - c o m p u t c ri s 仃e a t e da sad e “c et o b ec o i l n c m d 、) l ，i t l l 础埘d e v i c e st 0e ) ( c h a l l g ed a t a st 1 1 1 o u 曲t i l ee x t e l 猢lb u s p c i b l l s ，t l l e 埘d e l y l l s e ds y s t 锄b l l s ，h 嬲a l r e a d y 辩v c r e d l l s f o r m o r c l 孤1 0 y e a r s w i t l lt t l e 触d e v e l o p m e n to ft l l ec o m p u t e rs y s t e m ，w h i c h 恤r a t eo fc p u i s u p t ov e r yl l i g h 锄dt 1 1 en 啪b e ro fd a 瞳ae x c h a l l g e db e t 、e e nt h e 埘i t si sm u c h l a r g e r ， p c ib l l si sf a c e dt l l em o s ts 舐o l l st e s t t c l d a yp c ib t l si st h eb o t t l e - n e c kf o rt l l e s y s t e m an e wa d v 锄c e ds y s t 锄b 峪i sm o s t l yh o p e d u n d e rt h i sc o n d i t i o nl l l i s m e s i sd e 印l ys t l l d i p c ie x p r e s s ，w l l i c hi sd c s i g i l e db y 也ep c i s i g 1 1 l i st h e s i si n 打0 d i | c e st h ed e v e l o p l n e n to fs y s t e mb t l s ，p c ie x p f c s s ，s t i l d yi n d e p t l lo fi 协a f c h i t e c n 鹏，t e c h l l i q u ec h a r a c t e r i s t i c sa l l da d v 柚t a g e s ，柚d 锄a i y z ei t s c u 盯e n t 印p l i c a t i o n 仃e n 正d c t a i l e d 柚a l y s i s i s p r o v i d e d 蚰t l l et c c h n i q u e c h a r a c 硎s t i c so fi n t e rc h i p s ，i 9 1 5 ，9 2 5a 1 1 dm em o t l l e r b o a r dt l l a _ t 鲫p p o n sm cp c i e x p r e 鼢1 1 忙d “e l o p m 朗to fp c ie x p r e s sa i l d s o m ec h a l l 锄g e s d u r i n gt l l e d e v e l 叩m e mi sa i s oa d d l e 站i nt i l i st i l e s i s a _ i a p t e r li n n o d u c 舔t l l ed e v e l o p m e ml l i s t o f yo fs y s t 锄b m ，锄a l y z e si t s p 叩i l l 缸t e i ：1 1 n i q u ec h 删e r i s t i c sa ld i 伍；r e n tt i m e ，锄dd i s c 璐s e st l l eb o t t l e n e c k m a b s t r a c t p f o b l e m 矗) rt h ec 岫饥tp c ib u s 缸di 乜c o m m o n l m b 蝎a n di n 乜州k d o n o fp c i e x p r e 鼹b u s c h a p t 汀2l i s t st h eo p 髓r e 刚a l i o 璐蚰p c ie x p r e 鹞b 憾，a f c h i t e c t 世e ，w o k i n g t l l e o r y 锄dm 狮u j c t 曲g c h a p t 盯3 m v e s t i g a t e s m et c c h i l i q u ec b a r a c t e r i s t i c so fp c ie x p r e s s ，i t s a d v a n t a g e 锄ds o m ec h a i l g e si tg e n e m t e d c l l a p t e r4a n d5m a i n i yf o c u so nc u r r e n ta p p l i c 撕o n so fp c ie x p r e s s ，粕dt l l e c h a r a c t e r i s t i c so f i t s 鲫h f i c sc a r da l l di n t e lp c ie x p r e s sc 1 1 i p s e t c h a d t e r6s i m m l 孤i z e st i l i st l l e s i s k e yw o r d s ：p c ie x p r e 豁 p c i b u s9 1 5 ，9 2 5c h j p s e t鲫i l i c sc a r d 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完伞了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电了版本：学校有权保存学 位论文的印刷本和电于版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文：学校有权提供目录榆索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名勉扁 ”妒口g 年5 月f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论义作者签名： 解密时问：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下； r 。内部5 年( 最犍5 年。可少于5 年) 秘密1 0 年( 最艮j _ o 舞，。可少于年) 桃密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 一r 1 。_ _。“， 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：芝脏戈高 仞口6 年厂月i 箩日 第一章总线技术的发展及p c ie x p ”s s 总线的引入 第一章总线技术的发展及p c i e x p r e s s 总线的引入 一个微处理器是要通过总线与各个部件和外围设备进行连接的，但是最初 当p c 还仅仅停留在实验室里的时候，统一的总线标准似乎并不是必须的。然 而到了8 0 年代，p c 开始广泛地应用，其后的2 0 多年间p c 迅速流行，并逐步 地渗入到社会的各个领域，越来越多地影响到普通大众的日常生活，现在已经 很难想象离开了p c 的日子会是个什么样子，社会已经发展到了一个数字化的 时代。 p c 的普及应用使得计算机技术飞速发展，日新月异。在计算机系统中，各 个功能部件之间交换数据都是通过总线，因此总线的性能对系统速度提高有着 至关重要的影响，也正因为如此，总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但是 相比c p u 、显卡、内存、硬盘等功能部件，总线技术的提升步伐要缓慢得多。 根据摩尔定律，c p u 的复杂性和性能每1 8 个月就能够提高一倍；系统总线的 性能则要3 年才能提高一倍，系统总线的发展远远跟不上系统性能提高的要求。 这种发展的严重不平衡导致的结果必然是系统总线的重大革新，于是由i n t e l 导 演的总线的变革不断上映，总线标准历经了i s a 、e i s a 、v e s a 等在内的多种 不同规格阶段。 下面就先来回顾一下系统总线的发展过程。 1 1 1l s a 总线 1 1系统总线的发展历程 1 9 8 1 年i b m 公司推出了基于准1 6 位机的p c ) ( t 总线，这可以说是最早的 p c 机的总线；1 9 8 4 年i b m 公司又推出了基于1 6 位机的a t 总线，但是以上这 些都没有形成统一的严格的总线规范，直到行业内逐渐确立了以i b mp c 规范 为基础的i s a ( 工业标准架构：l l l d u s 时s t 砌d a 订触c h i t e c t u r e ) 总线。i s a 是 对x t 总线的扩展，以适应8 ，1 6 位数据总线要求。 i s a 总线有9 8 只引脚。i s a 总线的主要性能指标如下： 1 地址空间0 1 0 0 h 0 3 f f h 第一章总线技术的发展及p c le x p m s 总线的引入 2 2 4 位地址线可直接寻址的内容为1 6 m b 3 8 1 6 位数据线 4 6 2 + 3 6 引脚 5 最大传输速率8 m b ，s 6 固定的8 3 3 删z 时钟频率 7 d m a 通道功能 8 开放式总线结构，允许多个c p u 共享系统资源。 i s a 插槽是基于i s a 总线的扩展插槽，是1 6 位插槽，其颜色一般为黑色， 比p c i 接口插槽要长些，位于主板的最下端。其工作频率为8 m h z 左右，最大 传输速率1 6 m b s ，可插接显卡，声卡，网卡以及所谓的多功能接口卡等扩展插 卡。 i s a 总线在8 0 2 8 6 至8 0 4 8 6 时代应用非常广泛，影响力很大，i s a 总线为 低带宽设备提供了足够的吞吐量，并且深入到每一台p c 之中，随着计算机技 术的逐步发展，对i ，o 接口要求的不断提高，i s a 总线也逐渐显露出它的缺陷。 早期的i s a 设备安装非常难，不仅要设置跳线或d i p 开关来控制i ，o 地址，甚 至就连中断和时钟速度也要通过手工设置来完成。1 9 9 3 年，英特尔和微软共同 制订了p n pi s a 标准，用软件来控制各种设置，才将人们从繁重的劳动中解脱 出来。 i s a 总线最大的毛病还在于，它缺少一个中枢寄存器，不能动态地分配系 统资源，c p u 占用率高，插卡的数量亦有限。如果几个设备同时调用共享的系 统资源，很容易出现冲突现象。 在3 2 b i t 外部总线的3 8 6 d x 处理器之后，i s a 总线的带宽开始成为了严重 的瓶颈，也由于c p u 占用资源过高以及占用硬件中断资源等等弊病越来越明显 的成为桎梏，限制了p c 周边外设的发展，极大影响到处理器与系统性能的发 挥。必将要有新的总线标准来取代i s a 总线。 1 1 2e l s 总线 e i s a 总线是1 9 8 8 年由c o m p a q 等9 家公司联合推出的总线标准。它是在 i s a 总线的基础上使用双层插座，在原来i s a 总线的9 8 条信号线上又增加了 9 8 条信号线，也就是在两条i s a 信号线之间添加一条e i s a 信号线。e i s a 总 2 笙二童璺垡垫查塑垄垦墨鉴! 兰! ! 竺墅璺垡箜! ! 线的工作频率仍然保持在8 m h z 水平，但受益于3 2 位宽度，它的总线带宽提升 到3 2 m b ，s 。另外，e i s a 可以完全兼容之前的8 1 6 位i s a 总线，用户已有的扩 展设备可继续使用，所以在一定程度受到用户的欢迎。 然而，e i s a 并没有重复i s a 的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限，更 要命的是，在还没有来得及成为正式工业标准的时候，更先进的p c i 总线就开 始出现，e i s a 也就成为附庸。不过，e i s a 总线并没有因此快速消失，它在计 算机系统中与p c i 总线共存了相当漫长的时光，直到2 0 0 0 年后e i s a 才正式退 出历史舞台，而此时距e i s a 标准的提出已经过去了1 2 年。 图1 1 e i s 总线传输架构，之前的i s a 和后来的p c i 总线均隶属于该体系 1 1 3 v e s a 总线 v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n ) 总线是1 9 9 2 年是由视 频电子标准协会提出的3 2 b i t 总线，通过扩展槽可以扩展到b i t ，它在标准的i s a 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e 总线的引入 插槽之后提供附加的第三和第四接口，额定频率3 3 m h z ，最大传输率达 1 3 2 m b s ，简称为v l ( v e s al 0 c a lb l l s ) 总线。它的推出为微机系统总线体系 结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到c p u 与主存和c a c h e 的直接相连， 通常把这部分总线称为c p u 总线或主总线，其他设备通过v l 总线与c p u 总线相 连，所以v l 总线被称为局部总线。v e s a 总线是一种高速、高效的局部总线， 可支持3 8 6 s x 、3 8 6 d x 、4 8 6 s x 、4 8 6 d x 以及奔腾微处理器。 当时作为4 8 6 处理器内存总线的直接扩展，v e s a 是运行在与处理器相同 的频率上，因此名为“本地总线“，这种直接的扩展意味着如果连接的设备过 多，则很可能会干扰处理器自身的工作，特别是当信号通过一个插槽时。于是 v e s a 标准中建议在3 3 m h z 频率上只使用2 个插槽，或者在总线使用电子缓冲 时使用3 个，在更高的频率上不能连接2 个以上的设备，而在5 0 m h z 时它们则 必须都内建于主板内 还有一点是v e s a 总线的致命弱点，由于v e s a 与处理器同步工作，因而 随着处理器频率的提高，v e s a 总线类型的外围设备工作频率也得随着提高， 但是外围设备要求的速度越高，其造价也就更高，对外围设备的生产成本控制 造成了极大的不利，因此，v e s a 只能工作在4 0 m h z 以内的频率上。 1 1 4p c i 总线 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti m e r c o i l i l e c t ，外围设备互连) 总线诞生于1 9 9 2 年，h l t e l 公司推出4 8 6 处理器，这个时候，e i s a 总线成为瓶颈，因为c p u 的 速度已经明显高于总线速度，但受到e i s a 的限制，硬盘、显卡和其它外围设 备都只能慢速发送和接收数据，整机性能受到严重影响。为了解决这个问题， i n t e l 公司提出3 2 位p c i 总线的概念，并迅速获得业界的认可成为新的工业标准， 并且其普及范围大大地超越了i s a 总线。 当p c i 卡刚加电时，卡上只有配置空间是可被访问的，而且配置空间的访 问也不能通过简单的存储器或i o 等c p u 指令直接进行。因而p c i 卡开始不 能由驱动或用户程序访问，这与i s a 卡有本质的区别 ，。 p c i 配置空间保存着该卡工作所需的所有信息，如厂家标识、卡功能标识、 资源要求、处理能力、功能模块数量、主控卡能力等。对这个空间里信息的读 取与编程，即是对p c i 卡的配置。 4 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e s s 总线的引入 1 p c i 卡信息 p c i 卡的所有信息都是由配置空间给出的，因而，通过读取配置空间相应 的位置，即可了解此卡的相关信息，这些信息是p c i 卡设计者所必须实现的。 这些信息包括： 制造商标识( v d o ri d ) ：由p c i 组织机构给厂家的唯一编码，其中 子系统制造商标识也是由该组织给出的。 设备标识( d e v i c ei d ) ：由这个产品对该卡的设备命名的编号，其中 也可命名为子系统标识( v e n d o ri d ) 和设备标识( 4 c v i c e i d ) 等确定了每一种 产品只有一个唯一编码。这一编码将是以后驱动程序或应用程序找到该 设备的唯一凭证。 分类码( c i 硒sc o d e ) ：代表该卡设备功能的分类码，如网卡、硬盘卡、 解压卡、声卡等，它们都可对应到一个唯一的编码。 2 申请存储器空间 p c i 卡内部有存储器功能，或有以存储器编址的寄存器和i o 空间，为能 使驱动程序和应用程序访问，需要申请一段p c l 空间的存储区域。存储空间的 大小由配置空间指定，分配的位置则由总线控制器统一安排。 配置空间中的基地址寄存器( b a s e a d d r e s sr e g i s l c 您) 是专用于申请空间的。它 可以使p c i 设备最多可以申请6 段3 2 位地址区域的空间，或3 段6 4 位地址区 域的空间，即最多6 个c p u 的地址。 3 申请i o 空问。i o 空间的申请和存储器复用6 个基地址寄存器。 4 中断资源申请。 中断资源的申请是通过中断引脚( i n t e m l p tp i l l ) 和中断线( i n t e m l p t l i n e ) 来完 成的。配置空间的中断引脚( i n t e m l p t p i n ) 为只读，反映出所要申请的中断要求： 表1 1 1 中断请求要求 中断引脚编号中断要求 o 不要求中断资源 l 要求中断，并且中断线接在i n t a 2 要求中断，并且中断线接在i n r b 3 要求中断，并且中断线接在i n t c 4 要求中断，并且中断线接在i n t d 5 第一章总线技术的发展及p c ie x p m 总线的引入 p c l 总线上有4 条中断线，分别为：玳t a 、i n t b 、t c 、i n t d ，p c i 设 备的中断线应该接到哪一条中断线上，就从该寄存器反映出来。总线控制器在 读取这个寄存器内容后，将分配的中断号回送到中断线寄存器中其中o 1 5 为有效的中断号，2 5 5 为未分配到，1 6 2 5 4 保留，这样，驱动程序就可通过 读取中断线的内容得到所分配的中断号，做出相应的编程。 5 多功能卡 当一块p c i 卡上设计不只一个功能时，就要指定为多功能卡，而且每个功 能都要有一个自己的配置空间，因此每个功能可以是不同的设备标识( d e v i c ei d ) 及功能类型、存储器和i o 地址空间及中断资源。配置空间中的头类型( h e a d e r t y p e ) 可用于指明是单功能或多功能卡。头类型o i e a d e ft ) ，p e ) 的第7 位为l 时代表 多能卡，访问配置空间时，有3 位地址用于指定功能号，因此每块卡最多可以 支持8 个功能部件。 由于p c i 总线上只有4 条中断线，因而多功能卡最多仅能有4 个中断源。 和i s a 、e i s a 等以前的总线比较起来，p c i 总线具有很明显的优势，主要 表现在以下方面：带缓冲的隔离 1 带缓冲的隔离 真正实现了c p u 局域总线和p c i 总线间在电路和始终方面的隔离。这一特 点可以给系统性能的提升带来两大主要好处：首先是p c i 总线和c p u 总线可以 工作在各自的时钟周期；再者，由于有独立的p c i 总线速度和负载，所以就可 以单独提高c p u 局域总线的频率。 2 总线主控 通过总线主控，p c i 设备以仲裁处理方式访问p c i 总线并且能直接控制总 线处理业务，而不用等主c p u 为设备提供服务，从而使得整个i o 处理业务的 等待时间减少。 3 即插即用 即插即用操作，可以自动检测和配置设备，得到基本地址而不再需要中断 运行和手工设置开关跳线，使得系统的更新、升级更为简便。 p c i1 o 版本工作于3 3 m h z 频率下，传输带宽达到1 3 3 m b p s ，比i s a 总线 和e l s a 总线有了巨大的改进，很好满足当时计算机系统的发展需要。而且p c l 采用了独特的中间缓冲器设计，显卡，声卡、网卡、硬盘控制器等高速外围设 备都可以直接挂在p c i 总线中，再与c p u 实现通讯，这种做法不仅满足了当时 6 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e s s 总线的引入 配件对系统总线的性能要求，也提供了相当的灵活性，其设计思想一直延续至 今。 在p c i 发布一年之后，i n t c l 公司紧接着提出6 4 位的p c i 总线，它的传输 性能达到2 6 6 m b p s ，但主要用于企业服务器和工作站领域，由于这些领域对总 线性能要求较高，“位3 3 m h z 规格的p c i 很快又不够用了，i r l t c l 公司遂将它 的工作频率提升到6 6 m h z 。而随着x 8 6 服务器市场的不断扩大，6 4 位6 6 m h z 规格的p c i 总线理所当然成为该领域的标准，针对服务器，工作站平台设计的 s c s i 卡、r a i d 控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用6 4 位p c i 接口，直到 今天，这些设备还被广泛使用。 1 1 5c 伽p a c tp c l 总线 以上所列举的几种系统总线一般都用于商用p c 机中，在计算机系统总线， 还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如s t d 总线、v m e 总线、p c ，1 0 4 总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之 c o m d a c t p c i 。 c o m p a c tp c i 的意思是“坚实的p c i ”，是当今第一个采用无源总线底板结 构的p c i 系统，是p c i 总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当 今最新的一种工业计算机标准。c o m p a c tp c i 是在原来总线基础上改造而来，它 利用p c l 的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑 充分利用传统的总线产品，如i s a 、s t d 、v e m 或p c 1 0 4 来扩充系统的i ，0 和 其他功能。 1 1 ，6a g p 总线 a g p ( a c c e l e r a l e dg r a p h i c sp o r t ，图形加速接口) 其实是p c i 总线的一种补 充，是为了减轻p c l 总线带宽的压力而产生的提高视频性能的接口。1 9 9 6 年3 d 显卡出现，揭开3 d 时代的序幕。由于3 d 显卡需要与c p u 进行频繁的数据交 换，图形数据往往又极为庞大，p c i 总线显得力不从心。看到这种情况，i n t e l 公司便在6 6 m h zp c i 脚i s i 2 1 规范的基础上专门研发出一种专门针对显卡 的总线标准，它就是大名鼎鼎的a g p 总线。它使视频处理器与系统主内存直 接相连，避免了经过p c i 总线而造成的系统瓶颈，增加3 d 图形数据传输速度， 7 第一章总线技术的发展及p c le x p r e s s 总线的引入 而且系统主内存可以与视频芯片共享，在显存不足的情况下，调用系统主内存 用于存储处理。 1 9 9 6 年7 月，a g p1 o 标准问世，它的工作频率达到6 6 m h z ，具有l x 和 2 x 两种模式，数据传输带宽分别达到了2 6 6 m b p s 和5 3 3 m b p s 。a g p1 o 的出 现，在一段时间内基本满足显卡与系统交换数据的需要，为早期的3 d 显卡广 为使用，当然最流行的是a g p 2 x 模式，只能够支持i x 模式的显卡非常罕见。 a g p1 o 大约只流行了两年时闻，原因在于显卡技术发展日新月异，显卡 单位时间要处理的数据呈几何级数成倍增长，a g p2 x 提供的5 3 3 m b p s 带宽很 快又无法满足需要。1 9 9 8 年5 月，英特尔公司发布a g p 2 o 版规范，它的工作 频率仍然停留在6 6 m h z ，但工作电压降低到1 5 v ，且通过增加的4 x 模式，将 数据传输带宽提升到1 0 6 g b p s ，这近乎是个飞跃性的进步。很自然，a g p4 x 获得非常广泛的应用，这一点相信众人皆知。而与a g p2 o 同时推出的，还有 一种针对图形工作站的a g p p r o 接口，这种接口具有更强的供电能力，可驱动 高功耗的专业显卡。很自然，a g pp r o 成为专业显卡的接口标准，而一些高端 p c 主板也采用该接口，毕竟它可以完全兼容标准的a g p 显卡，在应用上并无 障碍。 a g p2 o 同样活跃了两年时闻。2 0 0 0 年8 月，英特尔公司推出a g p3 o 规 范，它的工作电压进一步降低到0 8 v ，不过意义最重大的还是所增加的8 x 模 式，这样，它便可以提供2 1 g b p s 的总线带宽。可与前两代技术一样，a g p8 x 标准没有辉煌太长时间，p c ie x p r e s s 总线的出现宣告p c i 和a g p 体系将被终 结。但由于过渡不可能短时问完成，a g p8 x 至今在市场上还非常活跃，尤其 是在中低端领域还占据着主流地位。 目前，由于3 d 计算变得越来越重要，因此，新型主板几乎都已经加入了 对a g p 自q 支持。a g p 又分为a g p l x 、a g p 2 x 、a g p 4 x 三种，其区别就在于 带宽不同。另外，a g p l x 、a g p 2 x 插槽与a g p 4 x 插槽略有不同，但a g p 4 x 插槽可以向下兼容a g p l x 、a g p 2 x 的显示设备。a g p p r o 则是a g p 的改进型， 它使工作站级主板也能利用a g p 的加速性能，降低了a g p 所需的电压供应， 但没有什么革命性的改变。 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e 总线的引入 1 2 p c i 面临的问题 自从1 9 9 2 年，i n t e l 公司发布了p c i 总线标准，标志着p c i 取代i s a 成为 行业标准的开始，p c i 总线迅速流行，1 9 9 3 年p c i 总线被扩充到6 4 b i t ，然后就 是1 3 3 m h z p c i x 的诞生，p c i 总线已经为我们服务了十多个年头。 p c i 总线不仅应用于p c 机，同时，制造厂商们为了降低设计和产品成本， 在许多数字设备上也使用了p c i 技术p c i 总线在c p u 与外设之间提供了一条 独立的数据通道，它的全称应该是p c il o c a lb u s ，即p c i 局域总线，可以让每 种设备都能直接地与c p u 取得联系。p c l 总线的设计初衷就是为了适应多种不 同的设备，比如允许图形卡、s c s i 、视频、音频、通信等设备能同时工作。最 初的p c i 标准规定其时钟必须与c p u 同步，但只限于2 0 m h z 3 3 m h z 的4 8 6 年代，c p u 性能的飞速发展是系统总线怎么都追赶不上的，根据摩尔定律c p u 的性能每1 8 个月就提高一倍，而总线的性能则需要3 年才能提高一倍，长期发 展过程中，这种不平衡累积下来就会出现问题，导致系统总线最终会成为计算 机系统发展的严重障碍，p c i 总线的发展也不可避免的出现这种问题。后来人 们采用分频的方法来设定p c i 的频率，p c i3 2 的标准速度是3 3 m h z ，p c i6 4 的 标准速度是6 6 m h z 。如果高于额定频率会导致数据传输出错，超频将影响系统 的稳定性；3 2 位p c i 总线采用1 2 4 针连接器，6 4 位p c i 用1 8 8 针连接器。 确切的说，与以往的i s a 、e i s a 等总线标准比起来，p c i 总线的确是具有 很多前所未有的技术优势，因此p c i 总线的普及程度大大超过了前任的任何其 他总线标准，同时为了能够跟上日益提高的带宽要求，i n t e l 公司也在不断 的完善各种p c i 总线规格。表1 2 1 是各个阶段p c i 总线具体发展情况。 表1 2 1p c i 总线发展阶段 p c i 总线带宽( m h z )总线时钟频率( m h z )带宽( m b ，s )所针对市场 3 23 3 1 3 2 桌面，移动p c 3 26 62 6 4 服务器 6 43 32 6 4 服务器 6 46 65 1 2 服务器 然而这些措施却是治标不治本的，p c i 总线传输瓶颈的问题并没有得到彻 底解决，很快的p c i 总线就陷入困境。在微型计算机领域中，3 2 位系统总线一 9 第一章总线技术的发展及p c le x p ”s s 总线的引入 直都没有得到升级，工作频率也停留于3 3 m h z ，也只能提供1 3 3 m b p s 带宽， 而且要求所有的扩展设备共同分享，远远跟不上数据传输的需要，突飞猛进的 3 d 图形芯片的发展更是对日益拥挤的总线带宽雪上加霜。先是3 d f ) 【然后是 n v i d i a 和a n ，他们以惊人的速度设计出一代又一代性能呈指数倍暴增的产 品，与显存和图形芯片之间海量的数据交换速度比较p c i 总线区区1 3 3 m h z 的 带宽显然是完全不能满足需求。于是i n t e l 在4 4 0 l x 主板芯片组上第一次采用了 a g p 总线。a g p 总线专为显卡设计，有l x ，2 x ，4 x ，8 x 等标准，最快的a g p 8 x 总线有2 1 g b s 的传输速度。目前，千兆网卡的应用、告诉磁盘阵列等等，大 数据量在线事务处理都对总线带宽提出了更高的要求。 图1 2 所示的就是目前的一种典型的主板芯片架构，从这个架构图中我们 可以十分清楚地看出在目前的实际应用中，各种i o 子系统之间几乎都采用不 同的总线技术在连接。 图1 2 系统中的i o 连接 虽然采用不同的i ，o 技术，暂时缓解p c i 总线的带宽压力，但是并不能解 决p c i 总线传输瓶颈的根本问题，随着计算机芯片之间互联的速度和网络、视 频、存储的需求越来越快，a g p + p c i 的模式免不了要被终结。相较于c p u 的 第一章总线技术的发展及p c le x p r e 镕总线的引入 性能快速提高，p c i 总线性能每3 年才能提高l 倍的发展速度显然来得太缓慢 了。面临数码时代的到来，应对大数据量在线事务处理及多媒体应用、干兆以 太网、高速磁盘阵列等的共同挑战，p c i 总线的带宽的局限日益凸现，p c i 总线 已经从3 2 位升为6 4 位，带宽也升到了2 6 6 m b 、5 3 3 m b 、1 1 0 b s ，还将提高到 4 2 6 4 g b ，s ，但是和硬件子系统速度的发展和数据吞吐量的惊人需求相比，p c i 总线不堪重负，p c i 总线适应面窄的问题也越来越突出，越来越成为继续提高 系统性能的障碍。于是各大公司纷纷寻求不同的解决途径，在寻求解决问题途 径的过程中出现了一系列新的i o 技术，如p c i x 、l n f m i b a i l d 、r a p i d 、g i g a b i t e t h e r i l e t 等等，下面我将逐一分析。 1 3 p c 卜x 总线技术 p c l x 是在p c i 的基础上发展起来的，充分利用了p c i 总线的广泛普及率， 所以很快就得到认可，并迅速流行。p c i x 总线在常规的p c i 总线的基础上进 行了改进和i ，o 升级，这项技术是由c o m p a q 、m m 和h p 等几家公司倡导并由 一些厂商联合开发的，于1 9 9 9 年发布了p c i x 1 0 规范，定义的总线带宽 1 0 6 6 g b s 。 1 3 1p c 卜x 的技术特征 作为一种新型的总线结构，p c i x 目前的1 o 版本协议显示了革命性的突 破，具备一系列以往总线标准，特别是传统的p c i2 1 难以企及的特点与优势。 1 “寄存器到寄存器”的通信方式 p c i x 采用“寄存器到寄存器”的通信方式，换个方式来解释这个问题， 以一个总线周期为例，首先在第一个时钟周期，发送方发出通信信号，说明要 和谁通信，一旦该信号被传送到了总线上就一律先存放到寄存器中，直到需要 这个信号时；第二个时钟周期，接受方有整个时钟周期的时间用来解读信号并 做出应答；在第三个时钟周期，接受方响应，开始进行数据交换。简单地说， 如果在现有的p c i 总线上需要l o 个时钟周期处理的一件事务，到了p c i x 总线 上则需要1 1 个时钟周期，多出来的一个时钟周期用于逻辑解码。 虽然多花费一个时钟周期，但是p c i x 是运行在1 3 3 m h z 下，是p c i 总线 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e 跖总线的引入 的四倍，时间就可能大幅度减少，提高效率。 2 属性字段 属性字段是p c i - x 技术中另一个关键，它增加了追踪穿过总线的数据的能 力；并可以在队列中把数据向前移动，增强了并行穿越总线的能力。属性字段 有3 6 位，其中包含有事件开始地址、插入顺序、事件长度、记忆是否需要缓冲 检测等信息。 3 分离( s p l i t ) 事务 分离事务的设计是p c l x 最重要的技术之一。分离事务的目的，简而言之， 也就是可以让一个正在请求数据的发送方，在接受方准备好数据并发送之前可 以处理接收到的其他任何事情；而在p c i 总线中，发送方一次只能处理一个事 务，如果中间接到其他事务则要一直等待，直到与目前的接受方处理完之间的 数据交换事务才能认领其他事务，此时的总线周期就白白浪费了。 分离事务的具体过程如下： 1 ) 发送方( r e q u e s t o r ，以下简写r ) 向接受方( c o m p l e t e r ，以下简写c ) 请求事务； 2 ) c 认领该事务，同时分离该事务； 3 ) c 首先保存该事务的s e q u e n c e i d ，包括r 的地址以及该事务的t a g 和 该事务要传输的数据字节数，如果r 请求的事务是写事务还要保存要写入的数 据； c 向r 发出分离事务响应，确认该事务已经分离成功；于是r 终止该 事务，并把该事务的s e q l l e n c e i d 放入分离事务队列，同时交出总线； 5 ) c 在准备好数据并且获得总线后，向r 发出信号，表示要处理该分离 事务，同时完成该分离事务，交出总线； 6 ) r 通过对q u e n c e l d 的比较，如果相同则认领该事务，接受数据，此 时一次完整的事务处理结束。 4 1 2 8 b 标准尺寸数据块 p c l x 采用1 2 8 b 大小的标准数据块在总线上传输数据，p c i x 引入a d b ( a l l o w a b l ed i s c o 衄e c tb o 岫d a r y ) ，每隔1 2 8 b 字节就是一个a d b ，c o m p l e t e r 只能在a d b 通过d i s c o 蛐e c t 数据切断来终止事务。而在p c i 事务中，c 啪p l e t e r 在数据传输的任何时候都有可能切断事务，总线的工作效率自然就会大大降低。 p c i - x 的这种设计使得通过总线的数据都是同样大小的块，这样的设计就为数 1 2 第一章总线技术的发展及p c ie x p r e s s 总线的引入 据传输提供了更多的流水线机制，工作效率就会更高。 5 增强奇偶校验管理 当主板的时钟效率提升了之后，相应地就会减少了总线