IT之家学院从Ryzen3000说起可能是东半球最易懂的PCIe科普

　　月初结束的Computex期间，支持PCIe 4.0标准的产品相继问世，包括各大厂商推出的使用群联PS5016-E16主控的PCIe 4.0 SSD，以及AMD全新Ryzen 3000系列处理器和X570芯片组，各大板卡厂商也纷纷公布X570主板。PCIe 4.0是消费级产品中最新的PCIe标准，相较于现在主流的PCIe 3.0带宽翻倍，×16双向带宽可达到约64GB/s。
　　如上，AMD发布了支持PCIe 4.0的全系新品，PCIe 5.0规范也已制定完成，打算攒（cuán）机的小伙伴可能比较关注此类报导，也对PCIe有所了解。但PCIe的标准、迭代、带宽、速率、通道数等规格往往很容易搞混，今天咱们来捋一捋PCIe。
　　本文篇幅较长，内容大致分为以下几部分;
　　PCIe标准的概念及总线标准回顾
　　PCIe主流物理接口
　　PCIe传输速率
　　PCIe物理接口与传输速率的对应关系
　　兼容性
　　PCIe通道在CPU和主板上的分配
　　一、PCIe标准的概念及总线标准回顾
　　1、PCIe和总线
　　PCIe全称Peripheral Component Interconnect Express，意为＂高速串行计算机扩展总线标准＂。顾名思义，PCIe是一种总线标准，所以我们要先了解一下什么是总线。
　　总线（Bus）是计算机组件之间传送信息的公共通信干线，以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。命名为＂Bus＂是因为总线就像公共汽车一样，在主板上按照既定路线来回不停地搬运着数据，数据的最小单位为比特（bit）。我们可以简单理解为固定的通用数据传输线路。
　　▲蓝色通道即为总线
　　PCIe就是一种总线标准，规定了总线的控制方式、传输协议、编码方式、硬件接口、规格、带宽和速率等，主要用于CPU、主板（芯片组/南桥/PCH）、扩展设备之间的数据传输。
　　（注：下文中和总线相关的部分，不再区分主板、芯片组、南桥、PCH）
　　PCIe是用以取代PCI总线标准而建立的，既然谈到了PCI标准，我们就简单回顾一下总线标准的主要发展历史。
　　2、ISA
　　总线的概念最早来自IBM 1981年在PC/XT电脑上使用的系统总线，后被重命名为ISA总线，全称＂Industry Standard Architecture＂，工业标准体系结构总线。之后8位的ISA被称为XT标准，16位的ISA被称为AT标准；AT标准工作频率为8MHz，最大传输速率为16MB/s。
　　▲ISA插槽
　　图自ExplainingComputers
　　3、MCA
　　1987年IBM打算用MCA总线取代ISA，MCA全称＂Micro Channel Architecture＂，意为微通道体系架构体系，为32位，不兼容ISA。虽最终未获得市场认可，但开创了扩展设备＂即插即用＂的先河，直接启发了后来的PCI标准。
　　4、EISA
　　1988年EISA发布，称为＂扩展工业标准结构＂，Enchanted-ISA。将AT标准扩展到32位，工作频率为约8.33MHz，最大带宽约为33MB/s。
　　▲EISA扩展卡
　　图自Wikipedia
　　5、VLB
　　1992年，视频电子标准协会（VESA）推出了VESA总线标准，作为ISA的扩充标准，32位。由于这是针对视频传输的局部/本地总线（Local Bus），常被称为VLB。
　　▲VLB插槽（棕色插槽+黑色插槽）
　　图自Wikipedia
　　▲VLB扩展卡
　　图自Wikipedia
　　6、PCI
　　PCI标准同样诞生于1992年，全称＂Peripheral Component Interconnect＂，意为外设部件互连标准。最早由英特尔发布PCI 1.0标准，后由PCI-SIG（外围部件互连专业组）接管，于次年发布PCI 2.0标准规范。
　　PCI由ISA发展而来，同样为一种并行总线标准。PCI2.0标准的数据位宽为64位，工作频率为33MHz，传输速率可达264MB/s。
　　7、AGP
　　AGP全称Accelerated Graphics Port，加速图形端口，AGP 1.0发布于1996年，基于PCI标准发展来的针对图形加速卡的高速端口（Port）。AGP为点对点传输通道，仅供显卡使用。
　　AGP采用32位传输，规格分为1×、2×、4×、Pro、8×等，最高传输速率可超过2GB/s达到2133MB/s。由于代际之间工作电压不同，隔代互不兼容。
　　▲同时搭载ISA、PCI和AGP插槽的主板
　　图自ExplainingComputers
　　8、PCI-X
　　1998年发布的PCI-X标准是PCI的改进版本，总线宽度为64位，通过增加针脚数量来提高带宽，支持共享带宽，PCI-X 2.0最高传输速率可达4.2GB/s，仍为并行传输。
　　▲PCI-X扩展卡
　　图自Wikipedia
　　9、PCIe
　　时间来到2001年，英特尔公布用以取代PCI和AGP标准的新一代总线标准，命名为＂3GIO（3rd Generation I/O）＂，后改名为＂PCI Express＂，简称＂PCIe＂或＂PCI-E＂，于2003年正式推出。
　　（注：下文用＂PCIe＂表述。）
　　和上述所有标准不同，PCIe标准采用串行传输。所谓并行传输，指同一时刻传输超过一个bit，串行传输指同一时刻仅传输一个bit。乍看下可能有些违反常识，为何摒弃看起来更快的并行传输而采用串行传输？
　　是这样的，在数据通道工作频率普遍不高的时代，并行传输的效率高于同频率的串行传输；但随着传输通道工作频率的不断提升、位宽的不断增加，并行传输物理接口就要做得越来越大，也更难以消除通道间的相互影响。这时物理接口可以做到比较小、可以将工作频率提上更高的串行传输自然就＂上位＂了。
　　PCIe是目前最主流的总线标准，除了显卡，声卡、网卡、USB/SSD扩展卡等均可通过PCIe完成计算机的内部高速通信。如今市面上的中高端主板几乎所有扩展接口均为PCIe接口，中低端主板上也逐渐难觅PCI接口。
　　二、PCIe主流物理接口
　　1、物理接口
　　先来看一下PCIe的物理接口长什么样。
　　从PCIe 1.0开始，其规格就分为×1、×2、×4、×8、×12、×16、×32。其中×2仅作为内部规格没有对应的插槽（Slot），×12、×32规格的接口极为罕见不会出现在消费级产品上，所以主流PCIe插槽有×1、×4、×8、×16四种，最常见为×1和×16，至于×4和×8去哪了下文会提到。Mini PCIe（×2）接口现主要出现在笔记本产品上，且一般被无线网卡占用，此处不谈。
　　▲常见PCIe插槽
　　▲对应扩展卡针脚
　　▲PCIe×16显卡
　　▲PCIe×32插槽
　　2、规格
　　PCIe接口分为供电和数据两部分，无论哪种规格的接口供电针脚（Pin）数量均为22个，最高可提供75W的电力。此外，×1、×4、×8、×16全长分别为25mm、39mm、56mm、89mm，数据区针脚数量分别为14、42、76、142个。
　　三、PCIe传输速率
　　之前我们提到过，PCIe中的＂e＂为Express，在此表＂快速＂之意，所以传输速度上相较于PCI优势明显，这也正是其能取代PCI标准的重要因素之一。
　　PCIe标准中，用以传输数据的线路称为＂通道（Lane）＂，×1表示接口有一条PCIe通道，×4表示有4条，以此类推；每条通道速率相等，可以叠加。
　　这张表列出了PCIe标准不同代际和规格的速率，表达的信息比较多，有些概念理解起来会比较绕，我们一项一项来看，小编尽量表达清楚。
　　▲PCIe标准速率
　　第一列RAW BIT RATE代表原生速率，以PCIe 1.0为例，每条Lane的速率为2.5GT/s。
　　GT/s是用以描述物理层通信协议速率的单位，意为Giga Transmission per second（千兆传输/秒），指每秒完成多少次数据传输，与Gbps（Gb/s）并没有直接对应的换算关系，需要根据具体的物理层通信协议判断。
　　（注：下文不对＂Gbps＂＂Gb/s＂作区分。）
　　套用在PCIe标准上，因为采用串行传输，所以PCIe 1.0单条通道的数据传输速率为2.5Gb/s。即为，每秒双向最多可传输＂2.5G（2.5×十亿）＂个bit。
　　之所以加这么多定语，是因为这个2.5Gb/s并不是我们真正能用到的速率，也就是说我们的设备跑不到这么高的速率。PCIe标准采用的编码方式需要在数据前后各占用一个bit用以识别开始和终止。PCIe 2.0及之前的版本采用8 bit/10 bit的编码方式，即传输8 bit的（有意义的）数据，需要占用10 bit的传输量。编码方式造成的损耗称为编码损耗，PCIe 2.0及之前的编码损耗率为20%，现在主流的PCIe 3.0及之后的版本采用128 bit/130 bit的编码方式，损耗率约为1.5%，几乎可以忽略不计。
　　了解了编码损耗之后，下面两项指标就容易理解了，仍以PCIe 1.0为例：
　　第二列LINK BW代表链路带宽（Brandwidth），即为实际可用的数据传输带宽。
　　2.5GT/s根据串行传输的特性换算成2.5Gb/s，算上编码损耗，即为可用的数据传输带宽：
　　2.5GT/s × 1b/T × 8b/10b = 2Gb/s
　　第三列是换算为我们比较好理解的单位（b→B）：
　　2Gb/s ÷ 8b/B × 1000M/G = 250MB/s
　　（注：G=10∧9、M=10∧6）
　　用第一列数据算上编码损耗，除以10再将单位换位MB/s也是同样的结果。
　　最后一列TOTAL BW X16代表×16规格下（双向）总带宽/速率。
　　用单条速率计算即可：
　　2Gb/s ÷ 8b/B × 16 × 2 = 8GB/s
　　或
　　250MB/s ÷ 1000M/G × 16 × 2 = 8GB/s
　　表中＂~＂表示大约，实际略小于表中数据，因编码损耗很小没有计入。
　　下表中详细展示了PCIe各版本各规格的单向带宽/速率。
　　▲PCIe标准速率
　　大家可能都注意到，新版本带宽翻倍是PCIe的优良传统。
　　▲总线带宽发展史
　　总结一下，打个比方，每个bit的数据是一辆小车，PCIe总线是车道，每条Lane是一条双向车道，PCIe版本规定了速度上限，由此就很好理解了，不考虑编码损耗的情况下，车道越多，允许的车速越快，通过的数据自然也就越多。
　　四、PCIe物理接口与传输速率的对应关系
　　判断接口的速率
　　看完物理接口和速率，再来看一下他们之间的对应关系。
　　了解了上述内容，很容易就可以想到，同一版本/代际内，对于插槽：
　　速率越快，则针脚越多；
　　针脚越多，则插槽越长；
　　速率越快，则插槽越长。
　　对于设备：
　　速率越快，金手指数量越多，长度越长。
　　对吗？对。
　　为什么还要单拎出来？因为对于插槽来说，逆命题不全成立，所以提一下。
　　对于扩展设备来讲，命题成立，反之亦然。
　　对于主板上的插槽来讲，有一点要注意，插槽长并不代表针脚多、速率快。
　　举个例子，下图是一张MSI MEG Z390 Godlike，主板上的PCIe插槽包括一个×1长度插槽和四个×16长度插槽，我们之前已经了解到，×16表示有16条PCIe通道，那个这五个PCIe插槽是否有65条通道？
　　▲MSI MEG Z390 Godlike
　　其实并没有，事实很残酷，远远没有，物理上讲只有33（16+4+1+8+4）条，可以同时使用的更少，最多21（16+4+1）条。
　　如何判断插槽速率呢，最简单的就是看说明书，说明书上会注明每个插槽的速率。
　　▲MSI MEG Z390 Godlike说明书中PCIe插槽及速率部分
　　PCH可以理解为南桥/芯片组，下同
　　我们还可以这样判断，主流平台（Z系列主板及以下，下同）上：
　　首先，任何×1长度插槽内只有一条通道；
　　其次，×16长度插槽按照与CPU的距离，离CPU最近的×16长度插槽内，针脚一定是满的，即有16条通道，且是直连CPU的（下文会讲到）。
　　再次，次远的×16长度插槽中最多有一半的针脚，即为×8速率，8条通道，高端主板可直连CPU；
　　再次，再远的×16长度插槽中一般为×4速率，4条通道，最多8条，高端主板可直连CPU；
　　最后，最远的×16长度插槽中一般为×4或×8速率，连接到芯片组；
　　其他稍低端主板没有这么多×16长度插槽，但判断依据和顺序是一致的。
　　还有一些方法可以快速判断插槽的速率，我们知道针脚的数量和速率的快慢是对应的，那么大部分主板只要看背面的针脚数量，就可以准确判断通道数和速率了。
　　▲从主板背部的针脚可以判断PCIe插槽速率
　　对于背部有金属盖板的主板，仔细观察插槽，也可以看到针脚的多少。
　　▲主板背部覆盖＂装甲＂
　　▲可以观察到针脚的数量
　　至于分明只有×8或×4的速率，为何要做成×16长度的插槽，第一是为了好看，清一色的×16长度插槽确实比参差不齐的×8/×4要好看；第二就是下面我们要提到的兼容性。结合这两点也可以填上之前的坑，×8/×4长度插槽未能成为主流的原因正是可以通过阉割×16插槽针脚的方式实现，保留×16插槽的长度也可以实现更好的兼容性。
　　五、兼容性
　　PCIe标准自面世以来，已经有四代应用于消费级产品，最新的PCIe 5.0规范也已制定完毕，虽然有众多不同的版本和规格，但PCIe标准的兼容性是极好的。
　　总结来讲，PCIe各版本各规格相互兼容，取最低版本最低规格的速率。
　　比如：
　　PCIe 3.0的卡插在4.0的槽中可以正常工作在3.0的速率下；
　　PCIe 4.0的卡插在3.0的槽中可以正常工作在3.0的速率下；
　　×1的卡插在×16的插槽中可以正常工作在×1的速率下；
　　×16的卡插在×1的插槽中可以正常工作在×1的速率下；
　　以此类推。
　　大家对上面几个例子可能有些困扰，前三例比较好理解，最后一例长卡如何插入短槽中呢？
　　有些PCIe卡槽尾端不封闭，称为＂Open-ended Slot＂，较高规格的卡便可以插入到较短的插槽中了。
　　来看具体的例子：
　　ROG MAXIMUS XI HERO（WiFi）这款主板带有三个×1长度插槽，全部都是尾端不封闭的插槽，以此来增强兼容性的好处就是，个别情况下PCIe插槽数量不够时，可以在短槽内插入长卡，当然只能跑在较低的速率上。
　　▲开放式端口
　　总结来讲，PCIe标准的兼容性极好，几乎各版本各规格都可以相互兼容，通道不够时有多少用多少，通道富余时用多少取多少。
　　另外提一嘴，PCIe标准允许通过物理方式（贴胶带等）屏蔽高速率扩展卡的针脚，以此来降低速率，当然只有在某些测试时才会用到……
　　六、PCIe通道在CPU和主板上的分配
　　1、通道数
　　上文在讲到如何判断接口和速率时，有提到通道/总线的数量以及是否直连CPU的问题，拎出来单讲是因为明白这一点，对于选择CPU、主板、显卡/SSD等扩展设备的搭配十分重要。
　　在英特尔和AMD平台上，可供我们用来扩展设备的总线都由两部分组成，分别由CPU和芯片组提供。
　　这里以英特尔平台为例，主流平台上：
　　三代以来，CPU最多提供16条PCIe 3.0通道，Z270及之后的芯片组最多提供24条PCIe 3.0通道，由芯片组扩展出的通道所传输的数据，最终也要交由CPU处理，所以芯片组与CPU之间也有一条总线用以通信，英特尔平台称之为DMI，本质上仍是PCIe通道，版本与芯片组一致，为×4带宽，即通过芯片组扩展的所有设备速率总和上限为PCIe 3.0×4。
　　看个具体的例子，Intel Core i9 9900K + Z390的组合，CPU提供16条PCIe 3.0通道，芯片组提供24条PCIe 3.0通道，芯片组与CPU间通过DMI 3.0×4总线进行通信，速率相当于PCIe 3.0×4。
　　▲Intel Core i9 9900K最多提供16条PCIe 3.0通道
　　下图中展示了英特尔平台总线拓扑图，从中可以直观地看出，直连CPU的通道性能要好于连接到芯片组的通道，也可以看出芯片组提供的通道用途十分广泛，包括SATA、USB、M.2在内的众多接口均需要占用PCIe通道，这就涉及到总线的拆分与合并，简单来说就是，这些通道该怎么分。
　　▲八代酷睿平台总线
　　2、CPU总线的拆分和芯片组总线的合并
　　先来看比较好理解的总线合并，仍接上例，芯片组提供的24条PCIe通道均为×1速率，如有接口需要支持PCIe 3.0×4，如M.2硬盘插槽，则将24条×1通道中相邻的4条合并，即可，×8的显卡插槽、USB接口、SATA插槽等同理。
　　当然，PCIe通道在主板上是＂稀缺资源＂，对于一些提供丰富接口的主板来说，CPU和芯片组提供的PCIe通道都是不够用的，经常需要不同接口共享带宽，这时就需要根据需求设计方案，按需将通道分配给不同的接口，以及规定通道不够时，哪些接口需要将通道让给其他接口。实现这些功能的元器件称为Switch，一般译为开关或转换器，就是下面的这些。
　　▲Switch
　　Switch的逻辑很简单，对芯片组提供的通道，Switch决定将其并到哪个接口，对CPU提供的通道相反，Switch决定将其拆分到哪个插槽。
　　▲并非所有插槽都同时可用
　　文字为自变量，符号为因变量
　　接下来看CPU PCIe通道的拆分，首先需要说明的是，CPU总线拆分仅在英特尔的Z系列主板和AMD的X系列主板上受支持，英特尔的H系列和B系列主板以及AMD的A系列和B系列主板不支持，距离CPU最近的显卡插槽独显×16的带宽，即不支持显卡SLI或CrossFire。以及，需要CPU支持，英特尔官网都查得到。
　　▲Intel Core i9 9900K支持的PCIe配置
　　英特尔主流CPU最多提供16条PCIe 3.0通道，我们上面提到过，默认情况下全都分给离CPU最近的×16显卡插槽，但有些主板会提供三个甚至四个×16长度插槽，但CPU提供的PCIe通道只有16条，除去连接到芯片组的，只能拆分。
　　①MSI Z370 Gaming Pro Carbon
　　不同主板的拆分策略不同，以MSI Z370 Gaming Pro Carbon为例，主板有三个×16长度插槽，两个PCIe通道直连CPU，最高速率分别为×16和×8，最后一个连接到芯片组，速率为×4。
　　▲MSI Z370 Gaming Pro Carbon
　　▲MSI Z370 Gaming Pro Carbon说明书中关于PCIe插槽速率和CPU总线拆分部分
　　当第一个插槽插卡，第二个插槽不插卡时，第一个插槽可提供×16的速率；
　　当第二个插槽插卡时，四颗Switch会将后面八条通道切换到第二个插槽，两个插槽均提供×8速率。
　　②MSI MEG Z390 ACE
　　更高端一些的主板，会有更多×16长度插槽的通道直连CPU，玩法也更多，以MSI MEG Z390 ACE为例，主板有三个×16长度插槽，通道全部直连CPU，最高分别提供×16、×8、×4速率。
　　▲MSI MEG Z390 ACE
　　▲MSI MEG Z390 ACE说明书中关于PCIe插槽速率和CPU总线拆分部分
　　除上例中的情况外，当第三个插槽也插卡时，另外两颗Switch将后四条通道切换至第三个插槽，三个插槽分别提供×8、×4、×4速率。
　　③MSI MEG Z390 GODLIKE
　　再看MSI MEG Z390 GODLIKE，主板有四个×16长度插槽，三个直连CPU，最高速率分别为×16、×4、×8，主板背部有两颗额外的Switch，除与上两例部分情况相同外，当第一个和第三个插槽插卡，第二个插槽不插卡时，通过八颗Switch，将后八条通道切换至第三个插槽，第一个、第三个插槽均提供×8速率，这样的设定应该是出于散热的考虑。
　　▲MSI MEG Z390 GODLIKE
　　▲MSI MEG Z390 GODLIKE说明书中关于PCIe插槽速率和CPU总线拆分部分
　　3、判断方法
　　最简单的方法，还是看说明书，随产品附带的丢了不要紧，官网都下得到，说明书会详细地介绍每个插槽的PCIe通道直连到哪个芯片、最高速率和带宽共享情况，一目了然，上面我们已经看了很多例子了。
　　不想看说明书也可以判断，上文中已经讲了判断是否直连CPU和插槽速率的方法，此外，根据Switch的数量和位置，便可以判断出通道分配情况：
　　周围有Switch的×16长度插槽，和其下面一个×16长度插槽，PCIe通道都是直连CPU的；
　　一般一颗Switch可控制两条通道，将末尾的通道切换至下一个插槽。
　　▲MSI MEG Z390 ACE
　　一些主板上会标注出哪些插槽直连CPU，以及大部分主板上直连CPU的插槽，用料要比连接芯片组的插槽好一些。
　　▲主板标注插槽直连CPU
　　想要查看总线的使用情况，可以使用AIDA64或GPU-Z等软件查看，或者在BIOS/UEFI查看。
　　▲AIDA64中查看总线使用情况
　　▲GPU-Z中查看显卡使用的总线接口
　　4、一些共享带宽建议
　　当然，并不是每个人都需要将所有PCIe通道都留给显卡，事实上绝大多数显卡远不能吃满PCIe 3.0×16的带宽，包括NVIDIA RTX 2080 Ti，Techpowerup游戏测试数据显示NVIDIA RTX 2080Ti工作在PCIe 3.0×16下平均仅比工作在×8下提升2%~3%，性能差距非常小，且分辨率越高差距越小。
　　▲4K分辨率下性能相对表现
　　灰色表示未吃满PCIe 3.0×8
　　图自Techpowerup
　　所以CPU直连总线的拆分除了显卡SLI或CF外，还可以用来扩展网卡、PCIe SSD等，更充分地利用直连CPU的通道。毕竟2080 Ti也只有2%~3%的性能损耗，分出来的×8带宽扩展出两块直连CPU的NVMe SSD岂不美哉。
　　▲PCIe 3.0×4 SSD
　　▲M.2 to PCIe×16转接卡
　　（4×M.2 PCIe×4 to PCIe×16）
　　少数主板上也会有走直连CPU通道的M.2插槽，当然在Z系列主板上，要和临近的PCIe插槽共享带宽，也就是要和第一个×16长度插槽抢带宽。
　　一般走直连CPU通道的M.2插槽会标注不支持SATA，走连接芯片组通道的M.2插槽会标注支持SATA。
　　▲左为直连CPU，右为连接到芯片组
　　图自PCEVA
　　精打细算如何分配CPU和芯片组提供的PCIe通道当然只是主流平台要考虑的事，发烧平台就要阔气得多，Intel Core i9-9980XE可以提供44条直连PCIe通道，AMD Ryzen Threadripper 2990WX可提供64条直连PCIe通道。
　　▲Intel Core i9 9980XE可提供44条PCIe 3.0通道
　　▲AMD Ryzen Threadripper 2990WX可提供64条PCIe 3.0通道
　　写在最后
　　想体验PCIe 4.0产品的A饭们再过十几天就可以出手了，5.0的规范已经完成，6.0的制定也已上路。看起来新标准更新得很快，其实＂全靠友商衬托＂，PCIe 3.0标准2010年便已面世，相关产品至今也已服役超过8年时间，4.0的＂难产＂让5.0显得特别迅速。
　　▲PCIe 6.0标准提上日程，带宽翻倍
　　目前绝大多数产品都不能吃满PCIe 3.0带宽，AMD确认老主板不给用PCIe 4.0，加之英特尔对PCIe 4.0的态度，有观点认为未来的新产品中，会出现两代标准长期共存的局面。就目前而言，想尽快体验新标准的产品还是要YES起来。
　　不过也正像英特尔所言，当下新的标准对大多数显卡的提升效果甚微，支持PCIe 4.0的SSD新品也鲜有能跑到5GBps的，和理论速度还有一定差距，所以如果你并不急着拥抱PCIe 4.0，不妨等等。
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