背景

2003年PCI Express 1.0a規范發布，這是計算機世界的高速串行總線結構，其可用帶寬大大超過了以前計算機體系結構的并行總線。并行總線依靠極高的引腳數總線連接，這限制了在更高的時鐘頻率的能力的扇出水平，PCI Express 1規范成為一個知名、低成本、高度可伸縮的、可交換的和點到點的串行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2.5 Gbps的數據傳輸，每一個方向（發送和接收）都有獨立的高速信號對集。每一組發送和接收對都統稱為“道”。為了擴大和實現更高的互連帶寬，PCI Express規范允許更多的道添加到鏈接中。基本PCIExpress配置：X1（1道高速數據），X4（4道高速數據）、X8（8道高速數據），和x16（16道高速數據）。

作為一個串行總線，PCI Express使用數據包來發送和接收數據。一個循環冗余校驗（CRC）有助于驗證來自鏈路的數據是否被正確接收。序列號確保實現正確的分組排序。由于PCI Express是點到點架構，PCI Express交換機可以把多個PCI Express段連接在一起。而在某種程度上，交換機的功能類似于更熟悉的網絡交換機設備，從軟件/架構的角度來看，交換機像一組相互連接的PCI到PCI的橋來確保使用PCI總線和現有軟件的兼容性。

在主板上PCI Express插槽替代了PCI和PCI-X插槽。主機芯片組允許處理器、內存和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x16 PCI Express插槽上，允許一個PCI Express顯卡。

PCI外箱

由于它的串行I/O架構，與主機系統之外進行電纜傳輸，PCI Express接口是一個很好的選擇。PCI Express外部電纜規范1.0修訂版于2007年1月發表。使用適當設計的主機總線適配器（HBA），一個PCI Express電纜，和一個單元，將允許電纜的PCI Express接口被帶到一個或多個PCI Express插槽或設備中，現在主機的內部I/O總線可以擴展到主機機箱的范圍之外。由于固有PCI Express接口的兼容性，主機機箱外部的設備似乎就在“本地”，允許在不改變現有軟件的情況下訪問/從主機系統訪問。

PCI Express擴展示例框圖

下面是一個PCI Express擴展系統的概念框圖和它的與主機系統的關系。

PCI Express擴展的好處

系統設計者在他們設計和指定的產品中考慮PCI Express擴展使用的原因有很多：

•克服了主機系統中沒有足夠數量的擴展槽的問題。

•克服主機系統中缺少完整的擴展插槽。

•克服主機系統缺乏足夠的供電能力。

•允許冷卻系統以外的高功率設備冷卻

•允許在擴展系統中使用對等通信，而不是總是根據芯片組配置允許在主機插槽之間

•允許使用低配置服務器的處理能力和內存容量

•允許更模塊化的系統設計，其中擴展系統側重于獨立于主機系統選擇的特定I/O和處理元素

•允許從主機系統物理地分離I/O和處理元素出于功能和環境原因

主機系統擴展槽

而現代臺式機和服務器計算機通常有大量的處理。容量和系統內存，它們可能無法提供足夠大的數量。特定應用程序的擴展槽。通過使用一個或多個自由x8或x16 PCI Express

槽（S）擴展系統HBA在主機系統（S）、PCI Express擴展槽系統的能力可以通過增加8到16個槽。此外，由于機械和/或包裝考慮許多主機系統不允許將全長PCI Express卡安裝到其擴展中。通過使用擴展系統它自己的專用的機箱，所有額外的插槽可用于全長PCI Express卡。

主機電源

許多主機系統，特別是那些作為預配置單元購買的系統，都是只提供有限的電源。超出系統核心組件（處理器、內存等）的供電一般不行。許多系統限制電源性能主要有兩個原因：成本和冷卻。電腦類制造商們正在與不斷下降的利潤率競爭，如果他們覺得只有他們的一小部分客戶用到額外電源，他們是不會增加額外電源的，因為這樣他們將整體增加成本。此外，通過限制系統的電力供應，制造商也限制了功率（熱量）的消耗。他們的機箱中散熱的限制有效地影響冷卻/風扇的要求。冷卻/風機需求的限制對系統成本的影響也是很大的。通過連接同一主機系統到擴展機箱，可以遷移I/O和處理元素，整個系統能獲得額外的3200瓦以上的供電能力和匹配的散熱能力。此外，擴展系統可以由多種電源供電，像AC、DC、雙冗余和熱交換功能的方案。

點對點通信

許多應用程序使用I/O和處理模塊，這些模塊不僅與主機和系統內存，但也有和彼此之間通信。PCI Express擴展系統是允許這種通信的理想架構。由于PCI Express插槽是使用基于交換機的拓撲互連，擴展系統內的流量可以在插槽之間流通，不需要跨越關鍵的主機數據路徑。擴展系統中交換機的數據傳輸能力針對低延遲、對等網絡進行了優化，通過允許PCI Express數據包直接從輸入端口到輸出，而不需要在轉發之前經過存儲數據包的端口。此外，還有許多主機系統、點對點通信不允許在任何和所有擴展槽之間。這種限制可能是因為芯片組內的體系結構考慮。由于主機內并非所有擴展插槽都連接到同一個I/O總線。在這種情況下，只允許在插槽和主機/系統內存進行通信。用于擴展系統的PCIe開關沒有這個

限制，所有插槽之間能實現點對點通信。

低配置的服務器

現代低配的服務器設備為當今的系統設計者提供了一個低成本的解決方案。將大量的處理單元和主機內存合并到系統中。然而，低配的服務器PCI Express擴展插槽功能僅限于單個和非全長槽。當系統設計者選擇嫁給一個低成本的服務器，功能強大、成本低、占用空間小。PCI Express擴展系統的靈活性和實用性以及和處理存儲之間的匹配和I/O功能是理想的選擇。

模塊化系統設計

對于許多應用程序，主機系統的選擇不是關鍵的或關鍵的部分。高度兼容的服務器或桌面工作站的硬件允許系統設計人員指定所遇到的任何硬件平臺符合或超過應用程序的特定要求可以使用。部分通用主機系統無法滿足應用程序的硬件需求是I/O。或特定于應用程序的處理模塊。通過“打包”I/O和特定的應用程序將處理元素轉換成PCI Express擴展系統，設計者可以創建模塊化與主機系統獨立的系統。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系統硬件需求（供應商偏好、特殊偏好等）。

物理分離

某些應用程序具有主機系統和I/O設備的偏好，要求物理分離。分離要求可以是環境、安全或

系統因素。例如，一些測試工程師將指定一個PCI Express擴展系統。用于I/O板的環境測試。為了正確測試I/O板，板子必須安裝在一個環境中。許多主機系統不是或不能夠承受I/O板測試所需的環境。通過在環境艙安裝擴展系統，主機系統可以安裝在外部，通過電纜連接到測試的I/O板。

PCI Express版本

2003年發布了PCI Express 1.0a規范（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）發布了另外兩個主要規范提高了PCI Express接口的性能。2007年PCI Express 2規范發布。Gen-2 PCIe，現在眾所周知，使用5 Gbps的信號

8b/10b編碼，支持的最大理論帶寬64 Gbpsx16。在2010年，發布了PCI Express 3規范。Gen-3 PCIe使用8 Gbps信號128b / 130b編碼，支持的最大理論帶寬126 Gbpsx16。

結論

PCI Express擴展是許多不同應用程序的有效解決方案，包括：

•基于GPU的高性能計算節點

•高性能3D圖形圖像渲染系統

•PCIe測試系統

•固態磁盤（SSD）子系統

•高端口計數I/O系統（以太網、高速串行等）

•視頻墻系統

•視頻捕獲和編輯系統

PCI Express擴展系統有Gen-1, Gen-2和 Gen-3。PCI Express擴展系統帶來了對系統設計者的高度靈活性：選擇主機系統的靈活性和

定制和應用到特定場景的靈活性。

附加信息

有關PCI Express擴展系統的更多信息，請參閱北京熠新科技網站。