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定义

近 30 年来，PCIe 一直是 I/O 连接的关键，它为计算机组件之间提供节能、高带宽和低延迟的通信。PCIe 广泛应用于从手持设备到高性能计算和数据中心等各种应用领域，在互操作性、容量和带宽方面表现出色。其强大的基础架构还支持其他协议，例如 Compute Express Link (CXL®)，充分利用了 PCIe 的软件堆栈和平台连接能力。

PCI Express如何工作？

PCI Express (PCIe) 采用串行连接，类似于网络而非传统总线。PCIe 并非采用单一总线管理来自不同来源的数据，而是采用交换机来引导多个点对点串行连接。每个设备都有其专用连接，无需像传统总线那样共享带宽。PCIe 通道对于设备或 CPU 之间的通信至关重要，它由两条线路组成：一条用于输入数据，另一条带宽加倍的线路用于输出数据。这些通道确保通过电线快速传输数据，PCIe 设备中的通道数表示为 xN，表示其带宽容量。

图 1：PCI Express 设备

PCIe 集成了高速串行通信、点对点连接、基于交换机的架构以及分组化协议。PCIe 的效率很大程度上取决于链路协商和训练，因此捕获和观察动态链路活动是其调试的关键。与网络中的七层 OSI 模型类似，PCIe 采用分层架构运行（如下图所示）。

PCIe架构包括应用层、事务层、数据链路层和物理层。

PCIe 分层架构细分

• 应用层（主机层）：这层并不严格属于 PCIe 规范。它包含以太网和 NVMe 等协议作为有效载荷。PCIe 主要规定了数据传输的方法，并未指定有效载荷的内容。
• 事务层：负责链路上的设备配置。它促进主机内存和设备之间的内存传输，包括用于内存读写配置的命令。它还提供消息和错误报告机制。
• 数据链路层：管理设备之间的数据传输。包含流量控制和确认协议，以确保数据包的完整性。它还控制低功耗状态的转换，并向物理层发出节能信号。
• 物理层：分为两层：

   1、电气子块：包含模拟信号传输所必需的模拟组件。

   2、逻辑子块：使用状态机指示设备通信，并生成有序的数据模式和训练序列以进行链路训练。

PCIe 操作各层的典型事务

当两个设备通信时，就会建立 PCIe 链路。如下图所示，两端各有一个发送器 (TX) 和一个接收器 (RX)。应用层负责通过此链路在根复合体/主机和端点之间传输数据。相应的设备驱动程序生成 PCIe 流量，该流量从事务层传输到数据链路层，再到物理层，最终到达链路的另一端。

PCIe 链路剖析

PAM-4 信令与 NRZ信令

超大规模数据中心服务提供商必须支持更快的接口，因为 PCIe 已从使用 NRZ 的 PCIe 5.0 过渡到使用 PAM-4 的 PCIe 6.0。使用 PAM-4 信令至关重要，因为对于插入损耗仅超过几分贝 (dB) 的有损信道，不归零 (NRZ) 信令已无法再支持超过 32G 的数据速率。有关更多详细信息，请参阅这篇关于 PAM-4 多级信令及其与 NRZ 的权衡和优势的文章。

与NRZ的两个电压电平相比，PAM-4有四个电压电平，可产生12个不同的信号转换（六个上升时间和六个下降时间），从而形成三个区域眼图开口，如下图所示。每个眼图高度是NRZ眼图高度的1/3，导致PAM-4信噪比 (SNR) 下降超过9.5 dB，这会影响信号质量，并在高速信号传输中引入额外的限制。垂直眼图开口减小33%，降低了PAM-4信号对串扰和反射的容忍度，从而导致更高的误码率。

NRZ 与 PAM4 信号转换和眼图开口

PCI Express 7.0（PCIe 7.0）有哪些功能？

PCI-SIG 于 2022 年发布了 PCIe 7.0 技术，并计划于 2025 年发布完整规范。此项发展旨在满足数据密集型应用和市场的巨大带宽需求，包括人工智能/机器学习 (AI/ML)、1.6T/800G 以太网网络、高性能计算 (HPC) 以及高性能计算数据中心的量子计算。PCIe 7.0 将在加速器、处理器、网卡 (NIC) 和其他组件之间提供低延迟、低功耗且可靠的连接，确保高性能计算环境的高效连接。

• 更高的带宽： PCIe 7.0 的带宽是 PCIe 6.0 的两倍，双向传输速度高达 512 GB/s，拥有 16 条 128 GT/s 的通道。这种增强的带宽对于快速高效地处理大量数据至关重要，这对于 AI 和 HPC 应用至关重要。
• 低延迟：通过提高信号速率，PCIe 7.0 降低了对 AI 算法的实时处理和响应能力以及 HPC 中的高速数据处理至关重要的延迟。
• 兼容性和可扩展性： PCIe 7.0 保持与前几代 PCIe 的向后兼容性，确保与现有硬件的互操作性，并为未来的升级提供可扩展性。这对于将新技术无缝集成到现有的 AI 和 HPC 基础设施中至关重要。
• 能源效率：尽管性能有所提升，但 PCIe 7.0 仍旨在保持或提高能源效率，这对于降低数据中心和大型计算设施的总体运营成本和环境影响至关重要。
• 高级功能： PCIe 7.0 引入了新功能和优化，进一步增强了其在要求苛刻的应用中的实用性，包括改进的通道裕度功能、增强的错误检测和报告机制，以及对 CXL 等新兴技术的支持。
• 通道覆盖范围和信号完整性考量： PCIe 7.0 的目标通道覆盖范围与 PCIe 6.0 保持一致，在单连接拓扑中采用 4 英寸 - 14 英寸系统布线和 2 英寸 - 4 英寸 AIC 布线，焊盘间通道损耗高达 -36dB。为了最大限度地降低根复合体参考封装中的插入损耗和反射，通过最大限度地降低串扰来改善连接器插入损耗、回波损耗、PCB 损耗以及过孔插入和回波损耗。

为什么PCI Express 合规性如此重要？

随着技术进步的兴起，人们对更快的 CPU、更快的内存解决方案以及先进的消费设备的需求日益增长。这进一步加剧了对增强系统互联互通和更高带宽的需求。PCIe 等标准正是为了满足这一需求，满足了从数据中心、人工智能/机器学习到云解决方案等各个领域的需要。

在芯片设计中，市场上产品的兼容性始终是重中之重。PCI-SIG 合规性测试在确保这一点方面发挥着关键作用。制造商将其产品提交至 PCI-SIG 合规性研讨会，以验证其是否符合关键的 PCIe 规范，并且至关重要的是，确保与其他生态系统产品（无论供应商如何）无缝集成。虽然公司可以进行内部跨供应商兼容性测试，但获得 PCIe 合规性认证可以为产品的互操作性提供更可靠的验证，并得到行业领先者的认可。因此，凭借此合规性认证，开发人员可以继续进行芯片设计，并对其产品能够与市场上的其他产品无缝集成充满信心。

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