PCIe 知识整理-带宽计算

传输速率为每秒传输量GT/s，而不是每秒位数Gbps，因为传输量包括不提供额外吞吐量的开销位； 比如 PCIe 1.x和PCIe 2.x使用8b / 10b编码方案，导致占用了20% (= 2/10)的原始信道带宽。

GT/s —— Giga transition per second (千兆传输/秒)，即每一秒内传输的次数。重点在于描述物理层通信协议的速率属性，可以不和链路宽度等关联。

Gbps —— Giga Bits Per Second (千兆位/秒)。GT/s 与Gbps 之间不存在成比例的换算关系。

PCIE带宽计算

PCIe 吞吐量(可用带宽)计算方法：

吞吐量 = 传输速率 * 编码方案

PCIe2.0协议支持5.0GT/s，每一条Lane上支持每秒钟传输5G个bit；但是不代表每条Lane支持5Gbps的速率。

由于PCIe2.0的物理层协议采取的是8b/10b的编码方案。每传输8个bit需要发送10个bit。这多出的2个Bit并不是对上层有意义的信息。

那么， PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5 * 8 / 10 = 4 Gbps = 500 MB/s 的速率。

以一个PCIe 2.0 x8的通道为例，x8的可用带宽为 4 * 8 = 32 Gbps = 4 GB/s。

同理，PCI-e3.0 协议支持 8.0 GT/s, 即每一条Lane 上支持每秒钟内传输 8G个Bit。

而PCIe 3.0 的物理层协议中使用的是 128b/130b 的编码方案。 即每传输128个Bit，需要发送130个Bit。

那么， PCIe 3.0协议的每一条Lane支持 8 * 128 / 130 = 7.877 Gbps = 984.6 MB/s 的速率。

一个PCIe 3.0 x16的通道，x16 的可用带宽为 7.877 * 16 = 126.031 Gbps = 15.754 GB/s。

为应对各领域日益增长的超高速带宽需求，英特尔推出了全新的互联协议Compute EXpress Link(CXL)，面向超极数据中心，高性能计算和AI等领域，可有效解决未来所遇到的负载瓶颈。

SSD的协议标准除了SATA，还有一个更先进的协议标准，就是PCIe。PCIe总线使用了高速差分总线，并采用了端到端的连接方式。

两个设备之间的的传输通道，称为Link，由1,2, 4, 8, 16, 32个Lane组成。Lane的数目代表Link的传输宽度（x1, x2, x4, x8, x16, x32)。

Lane是发送端与接收端之间的一个传输回路。由两组差分信号组成。如下图，

扩展：PCIe链路使用差分信号进行数据传送，一个差分信号由D+和D-两根信号组成，信号接收端通过比较这两个信号的差值，判断发送端发送的是逻辑“1”还是逻辑“0”。

与单端信号相比，差分信号抗干扰的能力更强，能有效抑制电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference)。

PCIe传输速率对比

Gen1/Gen2采用是8b/10b的编码，而Gen3之后则采用的是128b/130b的编码。

PCIe 的速度倍增减惯例与 PCIe 5.0 的发布保持一致。PCIe 5.0 使用自 PCIe 3.0 版以来的标准 128b/130b 编码方法，将在每个方向上提供 64 GB/秒的吞吐量。由于 PCIe 技术允许数据全双工双向流动，因此两个方向的总吞吐量加起来达到 128 GB/秒。

PCIe 3.0 之前的编码标准是 8b/10b，这意味着 8 位数据被编码并作为 10 位数字传输。这进而产生了 20% 的性能开销因子，将 2.5 GT/秒的原始比特传输速率降低到仅为 2.0 Gbit/秒的净带宽。这个更有效的 1.5% 开销因子在 PCIe 5.0 编码惯例中仍然有效。

PCIe总线物理链路间的数据传送使用基于时钟的同步传送机制，但是在物理链路上并没有时钟线，PCIe总线的接收端含通过PLL锁相环从接收报文中提取接收时钟，从而进行同步数据传递。

PCIe是一种封装分层协议,主要包括事务层（Transaction layer), 数据链路层（Data link layer)和物理层（Physical layer）。

在PCIe体系结构中，数据报文首先在设备的核心层(Device Core)中产生，然后再经过该设备的事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(Physical Layer)，最终发送出去。而接收端的数据也需要通过物理层、数据链路和事务层，并最终到达Device Core。

在一条PCIe链路中，这两个端口是完全对等的，分别连接发送与接收设备，而且一个PCIe链路的一端只能连接一个发送设备或者接收设备。因此PCIe链路必须使用Switch扩展PCIe链路后，才能连接多个设备。

发布于 2023-07-30 23:25・IP 属地上海