PCIe从入门到精通之一：综合简介

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PCIe从入门到精通之一：综合简介

0 引言

PCIe是硬件工程师跨不过去的坎。我刚开始工作就接触PCIe，工作中遇到的所有产品都有PCIe总线。在此想把自己学习PCIe的一些经历和感悟，以及踩过的坑分享在这里，与大家一起进步。所有PCIe主题的文章都会收录在《深入浅出聊PCIe》合集里，每篇文章一个PCIe的主题，预计会有几十篇文章。

让我们从零开始的了解PCIe，一步一步深入。

一 PCI总线的硬伤

上古时期，诸神发明了PCI总线（PCI于1992年推出，那时的我刚好可以打酱油了。）。它是计算机与周边设备互联的主要接口。

32位PCI总线，33 MHz时钟频率：这是最常见的PCI版本（也有更高的速度），其峰值传输速率为133 MB/s。(33.33 MHz × 32 bits ÷ 8 bits/byte = 133 MB/s)。

PCI总线有各种硬伤，主要表现为：

• "排队等候"是常态：所有的公司（设备）要发快递，都得挤到这条单行道上。你想啊，显卡要发个高清视频数据，硬盘要读写个大文件，声卡要播放个音乐，大家都在这条道上排队。谁先谁后？那可就得看运气了。

• "限速"是硬伤：这条单行道不仅容易堵车，它的最高限速也比较低。

• "并行"的烦恼：PCI采用的是并行传输，就像很多条细线并排传输数据。听起来很厉害，但问题是，当速度快起来的时候，这些细线上的信号很容易互相干扰，导致数据出错。

二 "后辈"PCIe横空出世

实际的需求催生了技术的变革。PCIe就像是计算机王国里的一场"交通革命"，它彻底解决了PCI时代"堵车、限速、信号差"的顽疾，让各种硬件设备能够真正发挥出它们的"洪荒之力"。PCI老前辈呢，也光荣地完成了历史使命，退出了主流舞台。

PCIe（全称：Peripheral Component Interconnect Express），中文常译作"高速外围组件互连"，你可以把它理解成计算机上各种硬件设备之间的一条点对点连接的"高速铁路"。通过这条"高速铁路"，各种不同的硬件设备之间可以传输数据。

它的主要作用是什么？

在计算机里，中央处理器（CPU）需要和GPU、固态硬盘（SSD）、网卡、声卡、BMC、FPGA、ASIC等各种硬件进行数据交换才能协同工作。PCIe就是专门用来连接这些设备，让它们之间能够高效、快速地传输数据，就像不同城市之间的高速铁路一样，它连接在不同的城市之间进行数据的高速传输。

三 PCIe标准的迭代和速度

PCIe Specification	Data Rate(Gb/s) (Encoding)	x16 B/W per dirn*	Year
1.0	2.5(8b/10b)	32 Gb/s	2003
2.0	5.0(8b/10b)	64 Gb/s	2007
3.0	8.0(128b/130b)	126 Gb/s	2010
4.0	16.0(128b/130b)	252 Gb/s	2017
5.0	32.0(128b/130b)	504 Gb/s	2019
6.0	64.0(PAM-4, Flit)	1024 Gb/s (~1Tb/s)	2021
7.0	128.0(PEM-4, Flit)	2048Gb/s	2025
8.0	256.0(PAM-4, Flit)	4096 Gb/s (~4Tb/s)	2028

• The x16 Bandwidth after encoding overhead

PCIe 1.0

• 发布时间：2003年
• 特点：作为PCI Express技术的首个标准，它标志着从传统并行PCI总线向串行互联架构的转型。PCIe 1.0a的单通道(Lane)数据速率为2.5 GT/s，采用8b/10b编码，单通道带宽约为250 MB/s

PCIe 2.0

• 发布时间：2007年初
• 特点：传输速率在PCIe 1.x的基础上翻倍，每通道速率达到5 GT/s，单通道带宽提升至500 MB/s，x16配置下总吞吐量达到8 GB/s

PCIe 3.0

• 发布时间：2010年11月
• 特点：数据速率提高到8.0 GT/s。最大的改变是采用了更高效的128b/130b编码机制，将编码开销从20%降低到1.5%，使得每个引脚的带宽比PCIe 2.0翻了一番。RX equaliztion（CLTE和DFE）是PCIe Gen3开始引入的新功能

PCIe 4.0

• 发布时间：2017年10月
• 特点：数据速率从8.0 GT/s翻倍到16.0 GT/s，单通道带宽约2 GB/s，x16配置下总吞吐量达到64 GB/s。PCIe 4.0保留了128b/130b编码方案

PCIe 5.0

• 发布时间：2019年5月
• 特点：传输速率再次翻倍，达到32 GT/s，x16配置下可提供128 GB/s的吞吐量

PCIe 6.0

• 发布时间：2022年1月
• 特点：传输速率翻倍至64 GT/s，x16配置下可提供256 GB/s的总吞吐量。PCIe 6.0首次引入了脉冲幅度调制PAM4信号编码，使得在保持信道带宽不变的前提下，实现了传输速率的翻倍。它还引入了低延迟前向纠错（FEC）和固定大小的FLIT（流量控制单元）编码。1b/1b的FLIT编码是PCIe Gen6的新功能

PCIe 7.0

• 发布时间：PCI-SIG已于2025年6月11日正式发布PCIe 7.0规范
• 特点：旨在将传输速率从PCIe 6.0的64 GT/s提升一倍至128 GT/s，通过x16配置可提供高达512 GB/s的双向传输速度

PCIe 8.0

• PCIe标准的每一次迭代都致力于在提高数据传输速度和带宽的同时，优化延迟和效率，并保持与前几代技术的向后兼容性

四 PCIe标准带宽

	RAW BITRATE	LINK BW	BW/LANE	X16 BW
PCIe 1.0	2.5GT/s	2Gb/s	250MB/s	4GB/s
PCIe 2.0	5.0GT/s	4Gb/s	500MB/s	8GB/s
PCIe 3.0	8.0GT/s	8Gb/s	~1GB/s	~16GB/s
PCIe 4.0	16GT/s	16Gb/s	~2GB/s	~32GT/s
PCIe 5.0	32GT/s	32Gb/s	~4GB/s	~64GT/s
PCIe 6.0	64GT/s	64Gb/s	~8GB/s	~128GT/s

术语解释：

• Raw Bit Rate：是指每秒发生的传输数据的操作次数，或者说每秒有多少个UI（unit interval）。比如PCIe Gen2，Raw Bit Rate=5.0GT/s，表明它的每秒能完成5,000,000,000个数据的传输，每位数据(Bit)占用的时间宽度=1s/5,000,000,000 =0.2ns=200ps。两个UI为一个数据时钟，因此数据频率=1/(2x200ps)=2.5GHz。测量过PCIe信号的朋友都知道，数据的频率是数据速率的一半。

• Link BW(Bandwidth)：是指每秒能实际传输到少个bit，PCIe Gen1和PCIe Gen2采用8b/10b编码，实际带宽要乘以8/10，所以PCIe Gen1的实际带宽=2.5GT/s x 8/10 =2Gb/s，而PCIe Gen2的实际带宽=5GT/s x 8/10=4Gb/s。PCIe Gen3、PCIe Gen4和PCIe Gen5都采用128b/130b编码，实际带宽损耗可以忽略不计。PCIe Gen6采用Flit 1b/1b编码，实际带宽没有损耗。

• BW/Lane：是指单个通道lane单方向的实际数据带宽，单位是每秒多少字节（Giga byte per second），因为一个字节byte=8bit，因此BW/Lane= Link BW/ 8。例如PCIe Gen6，BW/Lane= Link BW/ 8 =64Gb/s /8 =8GB/s

• X16 BW：是指16个通道lane单方向的实际数据带宽，X16 BW = BW/Lane x 16。其它不同width的带宽大家可以自己推导。有的文献用双向的吞吐率作为带宽，那么最终的数据要翻倍。例如PCIe Gen6，X16 BW = BW/Lane x 16 =8GB/s x16 =128GB/s

五 总结

PCIe标准每隔几年速率就要翻倍，从2010年Gen3到2017年Gen4之间有7年的停滞一方面是需求没跟上，另一方面是某大厂为了利益而消极怠工。

随着人工智能/机器学习、高速网络、云计算、边缘计算和量子计算等新起，在这些需求的刺激下，PCIe正以风驰电掣的速度发展着。目前network的主流速度是单通道100G，正朝着200G迈进，2028年PCIe的速度将达到恐怖的256Gb/s并首次超越network的速度。

其摧枯拉朽之势不可阻挡，其它的要么顺势一起发展，要么被其超越。