什么是PCIe？

PCIe是一種高速串行計算機擴展總線標準，自2003年推出以來，已經成為服務器(Server)和PC上的重要接口。今天為大家簡單介紹一下PCIe的發展歷史以及它的工作原理。

PCIe接口的全稱是Peripheral Component Interconnect Express，原來的名字是“3GIO”，由Intel在2001年提出。PCIe的前身是PCI，PCI 使用的是并行傳輸方式，有較多的限制，并使用數據包（Packet）進行數據傳輸，數據報文在發送和接收過程中需要經過事務層、數據鏈路層和物理層多個層次。

PCIe串行總線標準被推出時，旨在替代舊的PCI、PCI-X和AGP總線標準，以實現更高的數據速率并簡化系統設計。在交由PCI-SIG（PCI特殊興趣組織）認證發布后改名為“PCI-Express”，簡稱“PCI-e”。此后，隨著時間的推移PCIe不斷改進以適應現代計算機的最新帶寬需求。

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2021年，PCIe 6.0 規范發布。每通道數據傳輸速率從PCIe 5.0的32 GT/s翻番至64 GT/s，PCIe 6.0*16通道的帶寬高達256 GB/s，除了帶寬和效率的提升外，PCIe 6.0還具有更低的延遲，是PCIe技術的又一大飛躍。

PCIe采用的是樹型拓撲結構， 一般由根復合體(Root Complex)，中繼器（Repeater），終端設備(Endpoint)等類型的PCIe設備組成。

接下來將講述PCIe如何通過下圖突出顯示的典型鏈路進行初始化和傳輸。

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Root Complex:根復合體是CPU和PCIe總線連接的接口。主要負責存儲器域到PCIe總線域的地址轉換，隨著虛擬化技術的引入，根復合體的功能也越來越復雜。根復合體把來自CPU的request轉化成PCIe的4類request(configuration、memory、I/O、message)并發送給下面的設備。

Repeater：中繼器是一種信號調節裝置，可分為兩類：Retimers和Redriver，兩者都是常用的PCIe組件，Retimer通過內部時鐘重構信號，再恢復后發送出去；Redriver則是通過信號均衡化和預加強等技術，重新加強再發送出去。在圖示中，我們將使用PCIe 4.0兼容的Retimers舉例。

PCIe Endponit: PCIe終端設備，是PCIe樹型結構的末端節點。比如SSD，網卡、GFX卡等等。

圖3

在了解PCIe鏈路是如何建立以及數據如何通過PCIe協議傳輸之前，我們先了解一下常見PCIe控制信號的功能。

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PERST#信號為全局復位信號，由處理器系統提供。處理器系統需要為PCIe插槽和PCIe設備提供該復位信號。PCIe設備使用該信號復位內部邏輯，當該信號有效時，PCIe設備將進行復位操作。

WAKE#和CLKREQ#信號都用于在本文討論范圍之外的低功率狀態之間轉換。

REFCLK#是PCIe設備開始數據傳輸的先決條件，PCIe設備通過使用REFCLK#提供的100 MHz外部參考時鐘(Refclk)，用于協調在兩個PCIe設備間的數據傳輸。

PCIe鏈路在初始狀態時，需要檢測對端設備是否存在，然后才能進行鏈路訓練。所有PCIe設備通電并提供參考時鐘信號后在每個通道上將擁有接收器檢測(Receiver Detection）電路，該電路將允許PCIe設備確定是否有要配對的鏈路伙伴。假設PCIe Rx檢測電路檢測到另一個設備，則每個通道將開始以2.5 GT/s的速度進行傳輸串行數據。

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2.5 GT/s是PCIe 1.0采用的數據速率，另外由于PCIe 1.0與任何PCIe設備兼容，因此每個PCIe鏈路都以相同的鏈路初始化過程開始。以下圖為例，Root Complex、Retimer和Endpoint都以PCIe 1.0的速度開始傳輸。

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在經過PCIe鏈路初始化后，每個器件開始接收數據并做出響應。PCIe連接開始鏈路訓練過程并進入配置階段，在該階段中，由于通道長度變化而導致數據中的任何偏差都能得到校準，PCIe鏈路的寬度、鏈路速率、鏈路翻轉和鏈路極性也在此階段確定。

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當存在多條鏈路時，則PCIe連接稱為PCIe分叉。在示例中，有一個非分叉連接，即所有通道都分配給編號為0的鏈路。由于Retimer鏈路分為兩部分，其兩側的鏈路分別進行鏈路初始化。在確定鏈路和通道號后，PCIe鏈路可以進入多種狀態。

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以進入L0狀態舉例，這是發送和接收數據與數據包的正常操作狀態。到達L0后Root Complex和Endpoint可相互通信，PCIe鏈路也可轉換為多種低功耗狀態或另一種鏈路訓練狀態。在此不做過多闡述。

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當PCIe設備支持PCIe Gen2時，鏈路速度也會隨之提高。如果數據速率為PCIe Gen3或以上，PCIe鏈路將需要經歷額外鏈路優化過程（稱為鏈路均衡）。

鏈路均衡以建立設備間穩定的連接為目的。通過調節Tx (傳輸端)和Rx (接收端)的設置，提高信號質量，使PCIe鏈路以最穩定且更快的速率傳輸。由于PCIe在Gen3及以上的每一代均需優化連接，因此鏈路均衡過程可能發生多次。

例如：若所有PCIe設備為Gen5，則有3次鏈路均衡過程（第1次：Gen1-Gen3；第2次：Gen3-Gen4；第3次：Gen4-Gen5）。鏈路均衡通過PCIe 規范中定義的preset值來實現，preset指不同的預過沖(Preshoot)和去加重(De-emphasis)的組合。對于Gen3和Gen4，有11個preset值，即preset0-preset10。對于不同的鏈路情況，系統要求Rx端發送Tx EQ preset設置請求給Tx端，讓其做對應的preset均衡設置；Tx端發送Rx EQ均衡設置，要求Rx端做相應的設置，最終獲得一個最優的均衡組合和Rx端的眼圖。

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Phase0：第1階段鏈路均衡涉及上游端口(Upstream port)和下游端口(Downstream port)之間的精確動態協商，下游端口通過向上游設備發送每個通道所需的發送器preset值來開始鏈路均衡，被稱為第0階段鏈接均衡。在接收到下游端口的請求后不久，上游端口增加到第3代（Gen3）鏈路數據速率，并開始使用所需preset將訓練序列發送回下游端口。鏈路速度增加至Gen3(8 GT/s)后，鏈路均衡過程通過來回發送preset值來協商每個端口的preset配置，從而繼續優化鏈路。

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Phase1：為了充分優化鏈路，以便能夠交換訓練序列(Training Sequences)并且完成用于精調目的的剩余鏈路均衡階段，盡管有出現鏈路質量差的可能性，相同的訓練序列依然會被重復發送，來確保下游端口接收到正確的preset值。

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Phase2：在第1階段鏈路的誤碼率實現BER≤10e-4后，進入到Phase 2，隨后進一步優化上游端口的preset值，直至獲得最優設置，鏈路的誤碼率應滿足BER ≤ 1E-12。

Phase3：到第3階段對下游端口執行相同的協商。上游端口通過訓練序列發送均衡請求去調整下游端口的preset值，直至獲得最優設置，鏈路的誤碼率應滿足BER ≤ 1e-12。

當Phase3完成后，鏈路均衡也已完成，此時鏈路以Gen3的速率進入L0狀態，并在該速率進行穩定通信。對于更高的傳輸速率，PCIe設備必須進行多次鏈路均衡過程。

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然而在某些主板設計中，尤其是那些具有長通道鏈路的主板，這種信號質量無法實現，可能需要另外的信號調節。在這種情況下，中繼器（如Redriver，Retimer）則被用來做信號調節，并在PCIe設備和根復合體之間提供高質量信號。