前不久小狮子给大家介绍了一下PCIe7.0标准的制定情况，当发现这个版本的标准居然需要使用光连接时大家显然都激动了，留言讨论的朋友相当多。那么，PCIe是如何一步步走到这逆天速度的？它是怎么工作的？
从前系统确实很慢……
有个很文艺的金句，叫“从前时间过得很慢，一生只够爱一人”，而对于电脑来说，用现在的眼光来衡量，同样如此。
在发明个人电脑的20世纪80年代，当时计算机主板上装有数十个芯片和大量用于添加额外扩展卡的扩展插槽。这些扩展槽都使用IBM的ISA总线（工业标准架构）。虽然该技术并不先进，但基本满足了当时的应用需求。
随着处理器速度的提升，对更高性能扩展总线的需求日益增长，这催生了PCI总线（Peripheral Component Interconnect）和用于视频信号传输的VLB（VESA Local Bus）标准，当然也就催生了幕后的PCI-SIG和VESA两大标准组织。
PCI总线虽然起初看起来速度较慢（以固定的 33 /66MHz频率运行），但其稳定性和较低的延迟使其逐渐在工作站和服务器市场获得青睐。随着3D图形卡的兴起，PCI接口成为了首选，因为它能够更好地满足当时还被称为“图形加速器”的显卡的性能需求。
升技BE6老主板，你能认全这些插槽吗
当时，家庭 PC 用户通常没有很多扩展卡，也没有任何对总线有很大要求的扩展卡。然而，随着 3D 显卡行业的腾飞，这种情况发生了变化，最好的显卡都配备了 PCI 接口。游戏也充分利用了这一点，PCI 总线的局限性变得越来越明显。
PCI 扩展插槽中的所有卡都使用相同的总线，并且必须轮流发送和接收数据。对于显卡来说，这可能会产生问题，因为它们很容易占用总线。所以Intel 于 1997 年开发了加速图形端口 (AGP) 来解决这个问题，它为显卡提供了专门的 PCI 总线。
而Nvidia也依靠AGP技术，成功推出了RIVA128（1997）和GeForce256（1999） 3D显卡，大获成功成就了这个世界第一市值公司的第一桶金。
帝盟的RIVA128显卡，显存仅4MB
英特尔推出 PCI 总线后不久，就成立了一个特别兴趣小组 (PCI-SIG)，以支持主板和扩展卡供应商确保其硬件符合规范。
随着AGP技术加持PCI总线兴起的一波游戏浪潮，到 2000 年代初，该组织已拥有数百名成员，其中五个成员（康柏、戴尔、惠普、IBM 和微软）与英特尔合作开发 PCI 的替代品，提供更强大的性能来满足市场需要，在PCI-SIG 中代号为 3GIO（第三代 I/O），于 2002 年 4 月发布了PCI Express技术。
革命性的技术来了
PCI Express（PCIe）作为一种革命性的计算机总线技术，其工作原理与传统的PCI总线有着显著的不同。
点对点通信
PCIe采用点对点（Point-to-Point，P2P）通信模式，这意味着在任何给定时间，只有一个设备可以独占总线，无需与其他设备共享。这种设计显著提高了数据传输的效率，因为每个设备都可以直接与主机或目标设备通信，而无需等待总线空闲。
串行通信
与PCI和AGP的并行通信方式不同，PCIe使用串行通信。在并行通信中，多个数据位同时传输，而串行通信每次只传输一个数据位。这种设计消除了时钟偏移问题，允许PCIe在更高的时钟频率下稳定运行。因此，在PCIe1.0，其总线速度就达到了1250MHz，比起33MHz的PCIe提升是相当巨大的！
低压差分信号（LVDS）
PCIe使用低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）技术进行数据传输。LVDS通过成对的信号线传输数据，每对信号线中的两个信号相位相差180度，并且工作在较低的电压下。这种技术不仅减少了信号干扰，还降低了功耗。
全双工通信
PCIe支持全双工通信，即同时发送和接收数据。每个PCIe通道由四根线组成，其中两对线分别用于发送和接收数据。这种设计使得数据传输更加高效，因为数据可以在两个方向上同时流动。由于 PCI Express 是全双工的，可以同时在两个方向发送信息，因此始终使用两组成对选通。
这组四根线通常称为 PCIe 通道，规范通过乘法器指示使用的通道数。
例如，x1 是一个通道，x4 是四个通道，x16 是十六个通道，依此类推。这就是现在各种PCIe X**参数的由来。更多的通道可以提供更高的数据传输带宽。一个x16的PCIe通道可以提供比x1通道更高的数据传输速率。而即使是单通道，也可以在一个方向上以约 200 MB/s 的最低速率传输数据。
这种通道机制还带来了一个好处，就是设备需要的引脚数量的减少，使得扩展槽的大小也减少了。X1通道规格，只需要18个引脚就能达到额定性能，大大减少了扩展槽的长度（PCI最短也要56个引脚）。
PCIe x1、PCIe x16、PCI、PCIe x1、PCIe x16同时出现在一个主板上
数据包传输
PCIe使用基于数据包的传输方式。数据被组织成数据包，每个数据包包含有效负载和额外的控制信息，如包头和包尾。这种传输方式提高了数据传输的灵活性和可靠性，因为每个数据包可以独立地进行错误检测和纠正。
PCIe使用特定的编码方案来提高数据传输的效率。例如，PCIe 3.0采用了128b/130b编码方案，这意味着每130个传输位中包含128个有效数据位。这种编码方案减少了因编码而损失的带宽，提高了数据传输的效率。
电源管理
PCIe插槽为设备提供必要的电源，包括+3.3V和+12V引脚。随着设备功耗的增加，PCIe标准也在不断更新以支持更高的电源需求。例如，最新的PCIe插槽设计包括了16针的HPWR电源连接器，可以提供高达600W的外接功率，而槽上功率也达到了75W。
PCIe卡引脚中，供电脚都是在最左端部分，剩余的都是数据脚
向后兼容性
PCIe设计时考虑了向后兼容性，尤其是在软件层面。这意味着旧的PCI设备可以在新的PCIe系统中使用，尽管它们不能利用PCIe的全部高速特性。
通过上述的工作原理，PCIe能够提供高速、高效的数据传输能力，满足现代计算机对于性能的不断追求。随着技术的不断发展，PCIe将继续演进，以适应未来计算的需求。
速度的“盛世”到来
由于PCIe总线技术如此具有先进性和扩展性，很快就成为了整个PC界事实上的数据总线标准，并导致我们的主板、显卡、存储设备发生了一个巨大变化。
在主板上，北桥芯片因此消失，直接集成到CPU中，然后通过剩下的南桥芯片的大型PCIe控制器进行连接。例如，Ryzen 9 7950X 处理器和 X670E 主板芯片分别拥有 28 条和 20 条 PCIe 通道。16 个用于显卡插槽，8 个用于两个NVME驱动器，其余 4 个用于与主板通信。
而在存储方面，现在无论是SATA还是NVME硬盘，实际上也是通过PCIe总线进行和CPU的交互！由于 CPU 和芯片组中的通道数量固定，因此它们无法同时使用，所以，CPU支持PCIe总线的标准和数量，也成为平台扩展性强不强的标准了。
持续更新，只为更快
自2003年首次发布以来，PCI-SIG已经发布了八个版本的PCIe规范，每次更新都带来了更快的数据传输速率和改进的编码方案。例如，PCIe 6.0采用了与GDDR6X内存相同的PAM4信号方法，进一步减少了带宽损失。
尽管如此，PCIe的更新并非总是一帆风顺。电源供应一直是PCIe系统面临的一个挑战。随着技术的发展，显卡等设备的功耗也在不断增加，这要求PCIe插槽提供更多的电力。为此，PCI-SIG推出了不同功率的电源设计，包括最新的16针HPWR设计，其功率上限达到了600W。
而PCIe 7.0预计将在2025年发布，届时数据传输速率有望再次翻倍。虽然家庭PC可能在很长一段时间内都不会需要如此高的速率，但对于服务器和专业应用来说，更高的带宽总是受欢迎的。关于这个发展情况，请参看我们不久前的PCIe7.0规范制定进度的介绍文章。
PCIe技术的发展不仅仅是为了提高速度，更重要的是为硬件供应商提供一个统一的标准，以便他们有足够的时间来开发产品和制造方法。随着PCIe技术的不断进步，它将继续作为电脑内部数据传输的主力军，在未来几十年内发挥着关键作用。
来源：钛师父
