1.什么是PCIe
PCI Express是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCI Express。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。
PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16(X2模式将用于内部接口而非插槽模式)。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用（自动识别并兼容）。PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。
PCI Express规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。例如，PCI Express X1规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽250MB/s，PCI Express X1已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。 因此，必须采用PCI Express X16，即16条点对点数据传输通道连接来取代传统的AGP总线。PCI Express X16也支持双向数据传输，每向数据传输带宽高达4GB/s，双向数据传输带宽有8GB/s之多，相比之下，目前广泛采用的AGP 8X数据传输只提供2.1GB/s的数据传输带宽。
2.PCIe发展历史
话说上世纪80年代处理器的速度是越来越快，早期的ISA并行总线有8位和16位两种模式，时钟频率为8MHz，总线带宽可以达到8MB/s和16MB/s；到88年推出了EISA在兼容ISA的基础上将位宽增加到32位，带宽因此也能达到32MB/s，当时这速率连接386/486之类的处理器已足够；但随着处理器速度越来越快，EISA总线的带宽已经满足不了CPU的需求，CPU外网总线带宽已经成为制约计算机处理能力继续提高的瓶颈。于是在1991年，Intel、IBM、HP、Compaq、DEC等100多家计算机公司成立了PCISIG，联合推出PCI（Peripheral Component Interconnect），92年PCI1.0便Release。
随着PCI总线的发展，PCI总线又发展到PCI-X（Peripheral Component Interconnect eXtended）。与PCI总线相比，PCI-X总线的位宽未改变，而是将时钟频率进行了提高。PCI-X 1.0的时钟频率有66MHz/100MHz/133MHz，总线带宽分别为：264MB/s,400MB/s和532MB/s(32位)，528MB/s,800MB/s和1064MB/s；PCI-X2.0的时钟频率有266MHZ/533MHz/1066MHz,总线带宽分别为1064MB/s、2132MB/s和4264MB/s(32位)，3128MB/s,4264MB/s和8512MB/s(64位)。PCI-X与PCI在结构上完全兼容。不过PCI-X出现不就便出现了PCIe，因此在工业界，PCI-X应用远没有PCI和PCIe广泛。
90年代处理器按照摩尔定律发展，PCI碰到了和ISA一样的问题--赶不上处理器发展速度。想要提高速度，还是并行总线的PCI，要么提升频率要么提升位宽；如果提升频率的话并行信号间的串扰让时序难以收敛，提高位宽的话，信号线数量又大大增加。于是高速的串行总线开始替代并行总线，差分线替代并行线，在2003年的时候PCIe诞生了。下图为PCIe1.0到PCIe5.0的发展概况。
3.PCIe总线基础知识
3.1PCIe体系结构
PCIe总线作为处理器系统的局部总线，其作用与PCI总线类似，主要目的是为了连接处理器系统中的外部设备，当然PCIe总线也可以连接其他处理器系统。在不同的处理器系统中，PCIe体系结构的实现方法略有不同。但是在大多数处理器系统中，都使用了RC、Switch和PCIe-to-PCI桥这些基本模块连接PCIe和PCI设备。在PCIe总线中，基于PCIe总线的设备，也被称为EP。
在下图的结构中，处理器系统首先使用一个虚拟的PCI桥分离处理器系统的存储器域与PCI总线域。FSB总线下的所有外部设备都属于PCI总线域。与这个虚拟PCI桥直接相连的总线为PCI总线0。这种架构与Intel的x86处理器系统较为类似。
3.2端到端的差分数据传递
“端到端的数据传送方式”是PCIe和PCI最大的差别，PCI是物理层为并行总线传输。PCIe链路使用“端到端的数据传送方式”，发送端和接收端中都含有TX(发送逻辑)和RX(接收逻辑)。
在PCIe总线的物理链路的一个数据通路(Lane)中，由两组差分信号，共4根信号线组成。其中发送端的TX部件与接收端的RX部件使用一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的发送链路，也是接收端的接收链路；而发送端的RX部件与接收端的TX部件使用另一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的接收链路，也是接收端的发送链路。一个PCIe链路可以由多个Lane组成。
高速差分信号电气规范要求其发送端串接一个电容，以进行AC耦合。该电容也被称为AC耦合电容。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，因为差分信号在布线时要求“等长”、“等宽”、“贴近”，而且在同层。因此外部干扰噪声将被“同值”而且“同时”加载到D+和D-两根信号上，其差值在理想情况下为0，对信号的逻辑值产生的影响较小。因此差分信号可以使用更高的总线频率。
此外使用差分信号能有效抑制电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference)。由于差分信号D+与D-距离很近而且信号幅值相等、极性相反。这两根线与地线间耦合电磁场的幅值相等，将相互抵消，因此差分信号对外界的电磁干扰较小。当然差分信号的缺点也是显而易见的，一是差分信号使用两根信号传送一位数据；二是差分信号的布线相对严格一些。
3.3PCIe总线的层次结构
PCIe总线采用了串行连接方式，并使用数据包(Packet)进行数据传输，采用这种结构有效去除了在PCI总线中存在的一些边带信号，如INTx和PME#等信号。在PCIe总线中，数据报文在接收和发送过程中，需要通过多个层次，包括事务层、数据链路层和物理层。PCIe总线的层次结构如图所示。具体每一层的硬件逻辑后续章节会详细介绍。
PCIe总线的层次组成结构与网络中的层次结构有类似之处，但是PCIe总线的各个层次都是使用硬件逻辑实现的。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。
3.3.1事务层
事务层定义了PCIe总线使用总线事务，其中多数总线事务与PCI总线兼容。这些总线事务可以通过Switch等设备传送到其他PCIe设备或者RC。RC也可以使用这些总线事务访问PCIe设备。
事务层接收来自PCIe设备核心层的数据，并将其封装为TLP(Transaction Layer Packet)后，发向数据链路层。此外事务层还可以从数据链路层中接收数据报文，然后转发至PCIe设备的核心层。
3.3.2数据链路层
数据链路层保证来自发送端事务层的报文可以可靠、完整地发送到接收端的数据链路层。来自事务层的报文在通过数据链路层时，将被添加Sequence Number前缀和CRC后缀。数据链路层使用ACK/NAK协议保证报文的可靠传递。
PCIe总线的数据链路层还定义了多种DLLP(Data Link Layer Packet)，DLLP产生于数据链路层，终止于数据链路层。值得注意的是，TLP与DLLP并不相同，DLLP并不是由TLP加上Sequence Number前缀和CRC后缀组成的。
3.3.3物理层
物理层是PCIe总线的最底层，将PCIe设备连接在一起。PCIe总线的物理电气特性决定了PCIe链路只能使用端到端的连接方式。PCIe总线的物理层为PCIe设备间的数据通信提供传送介质，为数据传送提供可靠的物理环境。
物理层是PCIe体系结构最重要，也是最难以实现的组成部分。PCIe总线的物理层定义了LTSSM(Link Training and Status State Machine)状态机，PCIe链路使用该状态机管理链路状态，并进行链路训练、链路恢复和电源管理。
3.3.4 PCIe层级结构及功能框图
下图为PCIe设备核心层、事务层、数据链路层、物理层的结构及功能框图，后期博文会详解。
4.PCIe链路的扩展
PCIe链路使用端到端的数据传送方式。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。使用Switch进行链路扩展的实例如图所示。
