PCIe傳輸速率和有效帶寬計(jì)算方式

受委托讓我整理一個(gè)關(guān)于PCIe的主題分享文章，半月有余實(shí)在沒辦法交差，首先，我自己本身，對(duì)PCIe并沒有做到胸有成竹，我的PCIe知識(shí)也只是停留在理論階段，我并沒有實(shí)際做過任何有關(guān)PCIe的東西;其次，我要把PCIe講得深入淺出，讓讀者輕易接受，我覺得很難，根本原因就是我還沒有做到胸有PCIe;我們平臺(tái)很多粉絲都是PCIe生產(chǎn)商或者高手，班門弄斧，我深感壓力。但盡管如此，我還是決定出發(fā)，我自己努力學(xué)習(xí)，盡我最大能力把我理解的關(guān)于PCIe東西分享給大家，也希望各位幫忙指點(diǎn)一二。

淺談PCIE科普

PCIe最初被稱為HSI(用于高速互連)，并在最終確定其PCI-SIG名稱PCI Express之前，將其名稱更改為3GIO(第三代I / O)。名為阿拉帕霍工作組(AWG)的技術(shù)工作組制定了該標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于初稿，特設(shè)工作組只包括英特爾工程師; 隨后特設(shè)工作組擴(kuò)大到包括行業(yè)伙伴。PCI Express是一項(xiàng)不斷發(fā)展和完善的技術(shù).

“速度得用金錢來換，因此我們?cè)谶~向更高信號(hào)速率的同時(shí)，會(huì)看到有多少人愿意為此付出代價(jià)，以及他們會(huì)怎么做?！焙孟⑹?，PCIe將按照時(shí)程在年底完成0.71版的批準(zhǔn)，將提供高達(dá)256GB/s 的速率;這距離16 GT/s速率的4.0版PCIe問世還不到兩年。加速PCIe發(fā)展藍(lán)圖的主要推手是云端運(yùn)算需求;而PCIe以往是每3~4年，甚至是7年會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸速率提升一倍。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要更快的速度以過渡至800Gbit以太網(wǎng)絡(luò)，而數(shù)量越來越龐大的深度學(xué)習(xí)加速器，也感覺它們需要更高速度.

淺談PCIe傳輸速率和有效帶寬計(jì)算方式

PCIe是串行總線，PCIe1.0的線上比特傳輸速率為2.5Gb/s，物理層使用8/10編碼，即8比特的數(shù)據(jù)，實(shí)際在物理線路上是需要傳輸10比特的，因此：

PCIe1.0 x 1的帶寬=(2.5Gb/s )/ 10bit =250MB/s

這是單條Lane的帶寬，有幾條Lane，那么整個(gè)帶寬就是250MB乘以Lane的數(shù)目。

PCIe2.0的線上比特傳輸速率在PCIe1.0的基礎(chǔ)上翻了一倍，為5Gb/s，物理層同樣使用8/10編碼，所以：

PCIe2.0 x 1的帶寬=(5Gb/s )/ 10bit = 500MB/s

同樣，有多少條Lane，帶寬就是500MB/s乘以Lane的數(shù)目。

PCIe3.0的線上比特傳輸速率沒有在PCIe2.0的基礎(chǔ)上翻倍，不是10Gb/s，而是8Gb/s，但物理層使用的是128/130編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以：

PCIe3.0 x 1的帶寬=(8Gb/s)/ 8bit = 1GB/s

同樣，有多少條Lane，帶寬就是1GB/s乘以Lane的數(shù)目。

由于采用了128/130編碼，128比特的數(shù)據(jù)，只額外增加了2bit的開銷，有效數(shù)據(jù)傳輸比率增大，雖然線上比特傳輸率沒有翻倍，但有效數(shù)據(jù)帶寬還是在PCIe2.0的基礎(chǔ)上做到翻倍。

這里值得一提的是，上面算出的數(shù)據(jù)帶寬已經(jīng)考慮到8/10或者128/130編碼，因此，大家在算帶寬的時(shí)候，沒有必要再考慮線上編碼的問題了。

和SATA單通道不同，PCIe連接可以通過增加通道數(shù)擴(kuò)展帶寬，彈性十足。通道數(shù)越多，速度越快。不過，通道數(shù)越多，成本越高，占用更多空間，還有就是更耗電。因此，使用多少通道，應(yīng)該在性能和其他因素之間進(jìn)行一個(gè)綜合考慮。

PCIe是從PCI發(fā)展過來的，PCIe的”e”是express的簡(jiǎn)稱，快的意思。PCIe怎么就能比PCI快呢，因?yàn)镻CIe在物理傳輸上，跟PCI有著本質(zhì)的區(qū)別。PCI使用并口傳輸數(shù)據(jù)，而PCIe使用的是串口傳輸。PCI并行總線，單個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸32bit或者64bit，怎么就比不了你單個(gè)時(shí)鐘周期傳輸1個(gè)bit數(shù)據(jù)的串行總線呢。在實(shí)際時(shí)鐘頻率比較低的情況下，并口因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)傳輸若干比特，速率確實(shí)比串口快。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越快，要求時(shí)鐘頻率也越來越快，但是，并行總線時(shí)鐘頻率不是想快就能快的。如下圖所示：

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)鐘沿傳出去(左邊時(shí)鐘第一個(gè)上升沿)，在接收端，數(shù)據(jù)在下個(gè)時(shí)鐘沿(右邊時(shí)鐘第二個(gè)上升沿)接收。因此，要在接收端能正確采集到數(shù)據(jù)，要求時(shí)鐘的周期必須大于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間(從發(fā)送端到接收端)。受限于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間(該時(shí)間還隨著數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度的增加而增加)，因此時(shí)鐘頻率不能做得太高。另外，時(shí)鐘信號(hào)在線上傳輸?shù)臅r(shí)候，也會(huì)存在相位偏移(clock skew )，影響接收端的數(shù)據(jù)采集。

PCIe使用串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就沒有這些問題。它沒有外部時(shí)鐘信號(hào)，它的時(shí)鐘信息通過8/10編碼或者128/130編碼嵌入在數(shù)據(jù)流，接收端可以從數(shù)據(jù)流里面恢復(fù)時(shí)鐘信息，因此，它不受數(shù)據(jù)在線上傳輸時(shí)間的限制，你導(dǎo)線多長(zhǎng)都沒有問題，你數(shù)據(jù)傳輸頻率多快也沒有問題;沒有外部時(shí)鐘信號(hào)，自然就沒有所謂的clock skew問題.

淺談PCIe線材結(jié)構(gòu)

PCIe為串行，通過使用差分信號(hào)傳輸(differential transmission)，信號(hào)完整性理論之差分訊號(hào);采用雙通道技術(shù)，在傳輸模式上，PCI-Express采用與全雙工通信技術(shù)類似的雙通道傳輸模式，在速度方面，PCI-Express v1.0a 為每個(gè)通道提供了2.5Gb/s的傳輸速率，隨著版本的不同，面向PCI Express擴(kuò)展卡應(yīng)用的線纜組件可提供PCIe X4、X8和X16等規(guī)格，該系列線纜組件包含MiniSAS、SATA、QSFP +和SPF +等高速線纜。

PCIE物理層實(shí)現(xiàn)了一對(duì)收發(fā)差分對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通訊方式，目前主要的PCIE結(jié)構(gòu)主要是SAS結(jié)構(gòu)，線材選用CAT A ,B,C ,D,E結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)試的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)符合不同規(guī)范的參數(shù)。

PCIe Spec只是規(guī)定了物理層需要實(shí)現(xiàn)的功能、性能與參數(shù)等，置于如何實(shí)現(xiàn)這些卻并沒有明確的說明。也就是說，廠商可以根據(jù)自己的需要和實(shí)際情況，來設(shè)計(jì)PCIe的物理層結(jié)構(gòu)來保證功能即可。

　　審核編輯：湯梓紅