抛弃PCI 迎接PCI Express时代（上）
技术大讲堂
导言：随着Intel桌面915/925系列芯片组（对应移动市场的915GM/PM芯片组）进入市场，炒得沸沸扬扬的PCI Express（简称PCI-E）开始真正进入我们的视线，支持PCI Express的主板也越来越多。PCI Express总线技术拥有更快的传输速度，以及更方便、更廉价的外围设计。
PC系统的基本架构
不可否认，一些硬件高手对PC系统架构可以说了如指掌。不过为了更好地为下文做铺垫，并照顾一些初级读者，我们还是需要简单地说明一下。
核心芯片组在这个系统中扮演着一个交换机的角色，它掌管着各个外围设备的通信资源，以完成系统各部分的连接。实际情况是核心芯片组被分成两个部分：北桥和南桥。
至于为什么这么分？是因为CPU、内存以及显卡这三个部件工作非常紧密，他们需要更快的数据交换速度，在如今的系统中，GPU更像是第二颗CPU，它跟内存交换的速度甚至比和CPU交换还快。所以CPU、内存和显卡的接口被一起集成在北桥中。而南桥掌管着一些外围设备的数据交换，比如硬盘、USB、网卡等。这些设备的数据通过南桥被输送到北桥，并通过北桥到达CPU或者内存。
图1是现在的计算机系统架构，我们可以很清楚地看到PCI总线在南桥上。相对FSB、DDR或者HUB-LINK等总线，PCI在现在的系统中应该是时间最久、速度最慢的总线，它极大地拖累了整个系统的速度。
结合图，我们也能理解，目前的计算机是由许多不同协议、不同带宽负载能力的总线连接而成（比如ATA、FSB等）。而随着PC业的发展，总有不同的硬件设备需要加入到南桥，比如IEEE1394、千兆网卡等。外围设备都需要通过PCI总线完成，这使得原本就已经显得拥挤的PCI总线更加不堪重负。
对PC的设计者而言，理想化的总线是，仅用一种总线技术把所有的设备连接起来，甚至包括CPU、RAM、GPU。虽然要实现这种理想化的设计比较困难，但我们还是找到了一个能把外围设备统一起来的高速、廉价的总线，那就是PCI Express。
PCI总线的基本原理
在开始了解PCI Express总线之前，我们必须要了解PCI总线的工作方式，这将有助于我们更好地了解PCI Express。
PCI总线的时钟频率是33MHz，32bit的，并采用了数据/地址线复用技术来减少PIN数。我们可以很容易计算出它的理论传输速度为32bit×33MHz= 1056Mbit/s=132MB/s。这个速度在PCI推出的时候是非常超前的，但随着计算机系统的发展，这点带宽也越来越显得拥挤。当然，在设计之初，PCI也考虑到将来升级的问题。它可以升级成64bit、33MHz，理论速度达到264MB/s，也可进一步升级成64bit、66MHz，速度可达到528MB/s。
在CPU主频越来越高的现在，也许有人要问，为什么PCI不能通过提高总线的频率来提升数据带宽，反而推出全新的PCI Express呢？原因其实很简单，由于PCI总线的PIN数过多，单纯的提高运行时钟会导致严重的信号干扰问题，而解决这些问题需要的成本将大大降低其竞争力。
PCI使用共享总线技术实现设备互连，不同的PCI设备（比如网卡、声卡、RAID卡等）被连接到同一根总线共享与CPU、RAM的通信。因为使用了共享总线技术，所以在总线上必须具有仲裁机制， Host(Root)就是仲裁机关。如果在同一时刻有多个设备要求使用总线的时候，就会由它来授权某个设备使用总线，而其他设备在这期间内就必须等待。一旦某个设备取得总线的使用权，它就会成为总线的主设备，而其他设备就成为从设备。主设备通过南桥与CPU、RAM等设备来进行数据通信。
PCI-X:带宽加大，速度提高，还是不够
PCI-X技术推出的本意是为了升级传统的PCI总线，以延缓PCI总线被淘汰的速度（图2）。但遗憾的是，PCI-X并没有从根本上改变PCI的架构，而且它的制造成本也大大超过了PCI。它对PCI总线的改良并不完善，在某些方面它甚至比PCI更糟糕。
PCI-X总线的宽度从PCI的32bit上升到64bit，并把总线频率从33MHz提升到最高的133MHz，使PCI-X的理论传输速度达到了64bit×133MHz=1GB/s。新的PCI-X 2.0(PCI-X 266)版本更加入了类似于DDR技术的双倍读取技术，即在时钟的上升沿和下降沿都传送数据。这使得PCI-X的理论速度再增加了一倍，达到2.1GB/s。
虽然PCI-X使用了多项技术使PCI得到了更大的数据带宽扩展和频率提升，但这一切大大增加了其实现的成本。
PCI Express: 下一代的总线系统
PCI Express (PCI-E) 是第三代的总线规范。虽然它在2002年已经发布，但真正的PCI-E设备是在去年才进入我们的视野（图3）。
PCI-E和PCI总线的最大区别在于PCI-E采用了点到点的传输技术。图4是点到点技术的逻辑图（星形），并与共享总线技术作为对比。
在一个点到点的总线技术中，交换器替代了原来的主控器，并由它来控制总线上各设备的数据交换。与共享总线不同的是，当一个设备与另一个设备进行数据交换的时候，它们的通信是独立的。大概你已经想到，PCI技术相当于一个HUB，而PCI-E技术则相当于一个交换机。不同的是，售价上交换机比HUB要贵很多，PCI-E的制造成本要比PCI便宜。
PCI-E技术的出现就好像你跟你的朋友在用手机打电话，因为不存在同线电话，你们两人的谈话是私有的，不被“分享”的，也就不存在同线电话的背景噪音问题。PCI由于采用的是共享总线，所以在同一时间总线上传输数据的设备只能有两个，一个发送者，一个接收者，而其他需要传输的设备就只能等待。而PCI-E则不同，由于其建立的连接是点对点的，各个连接之间并不影响，所以在同一时间可以有多个设备传输数据。
启用了QoS（Quality of Service）
由于所有的外设都将通过交换机完成数据交换，所以交换器的地位就变得举足轻重。在PCI总线上，我们需要一个仲裁机构（主控制器）来判断哪个设备在哪个时刻使用总线，同样的道理，在交换机上我们也需要采取一个策略来完成对资源的分配。
在完成对外围设备的资源分配后，PCI-E还有一个新功能来完成目前流行的服务QoS（Quality of Service,服务质量）。PCI-E的交换机能将需要传送的数据打包发送，其原理类似于目前的Internet的分组交换原理。即：发送端在发送某一段数据的时候，把这段数据分成一个一个的包，并把这些包通过不同的路由发送到接收端，接收端在接收完这些数据包以后，会重新完成数据的组合。分组交换技术的好处是能够充分利用系统资源的带宽，这点在单路由的情况下不能很好地体现出来，但在多路由的情况下，分组交换的优点就会发挥得淋漓尽致。由于实时数据流（比如视频和音频传输）在分组交换技术中有着更高的传输优先级，所以能极大提高实时业务的服务质量。这意味着你将在大型3D游戏中丢帧更少，并有着更少的音频延时。