從ISA到PCIe“高速路”建成史

超載

總線是什么？

總線是指電腦內(nèi)部規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)（Data）的方式，是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的是為處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備提供傳遞信息的公共通道，一如連接各地的高速公路般連接各個(gè)配件或元件?？偩€的基本邏輯是，在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)只能負(fù)責(zé)傳輸一位數(shù)據(jù)（比特，bit），其實(shí)就是0或1。要想傳輸更多的數(shù)據(jù)、傳輸?shù)酶欤蔷捅仨殧U(kuò)展“道路”，增加“車(chē)道”，這就是所謂的總線的位寬;也可以提升行車(chē)速度，即所謂的頻率，兩者結(jié)合而產(chǎn)生的一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)流量就是帶寬。

而且，針對(duì)不同的連接，總線也是有（針對(duì)性）區(qū)別的。一般來(lái)說(shuō)，電腦的總線分為幾種。第一種是數(shù)據(jù)總線，名為DataBus，主要負(fù)責(zé)處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸;第二種是地址總線，即AddressBus，它負(fù)責(zé)用來(lái)在指定的內(nèi)存（RandomAccess Memory）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址;第三種總線，是控制總線Control Bus，它負(fù)責(zé)將微處理器（Control Unit，非中央處理器）發(fā)出的信號(hào)傳送到具體外部設(shè)備上，比如SATA設(shè)備（并發(fā)）、USB設(shè)備（串行）;還有一種是擴(kuò)展總線Expansion Bus，它的作用是電腦內(nèi)部和外部設(shè)備進(jìn)行通訊的總線（圖2）。比如我們說(shuō)的PCIe總線就是擴(kuò)展總線的一種。

具象來(lái)說(shuō)，例如一臺(tái)電腦，主板的主芯片（PCH）要負(fù)責(zé)CPU與內(nèi)存、顯卡等數(shù)據(jù)吞吐大戶(hù)的通訊工作（現(xiàn)在的CPU也會(huì)肩負(fù)這一工作），那么它如何工作呢？在CPU部分，通過(guò)前端總線（即FSB）連接到PCH芯片上，進(jìn)而通過(guò)其與內(nèi)存、顯卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的“交流”（圖3）。

當(dāng)然，總線也是代際迭代的，隨著時(shí)間的發(fā)展，數(shù)據(jù)的傳輸需求越來(lái)越高。時(shí)至今日，PCIe 5.0的總線帶寬速度已經(jīng)達(dá)到了驚人的128GB/s（全雙工），這要比早期ISA總線的數(shù)據(jù)帶寬大多了——8MB/s。你沒(méi)看錯(cuò)，早期的ISA總線帶寬受限于位寬只有8bit/16bit，最大的帶寬傳輸速度不過(guò)區(qū)區(qū)4.77MB/s、8MB/s。

ISA——我不快但是我很關(guān)鍵

ISA的全稱(chēng)為Industrial Standard Architecture（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線），它最早出現(xiàn)于1981年，是IBM兼容電腦的一個(gè)總線系統(tǒng)，位寬只有8bit。到了1984年，ISA總線升級(jí)為16bit，相應(yīng)插槽（圖4）可插接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡已及所謂的多功能接口卡等擴(kuò)展插卡（圖5）。其缺點(diǎn)是CPU資源占用太高，數(shù)據(jù)傳輸帶寬太小，是已經(jīng)被淘汰的插槽接口。而且，它現(xiàn)在只存在于極少部分的工控類(lèi)設(shè)備上還在使用。

ISA 總線的表現(xiàn)形式是一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的插槽，遠(yuǎn)比現(xiàn)在的PCIe長(zhǎng)許多，而且它的使用其實(shí)并不方便——現(xiàn)如今我們非常習(xí)慣的“即插即用”，即Plug-n-Play功能根本沒(méi)有，所以在安裝了ISA接口的設(shè)備時(shí)，必須手動(dòng)設(shè)置IRQ（中斷請(qǐng)求）、I/O地址（輸出/輸入地址）、DMA信道才能配置其工作。

早年間，數(shù)據(jù)總線的傳輸負(fù)載并不高，在80286處理器時(shí)代ISA總線還能夠完全應(yīng)對(duì)。但是當(dāng)80386這個(gè)32bit位寬外部總線的處理器出現(xiàn)后，總線帶寬就成為了嚴(yán)重的性能瓶頸，畢竟ISA擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)后也不過(guò)是16bit位寬（圖6）。因此在1988年的時(shí)候，康柏、惠普等九個(gè)廠商協(xié)同制定標(biāo)準(zhǔn)，將ISA總線擴(kuò)展到了32bit位寬，相應(yīng)的名稱(chēng)也變成了EISA，即Extended ISA擴(kuò)展ISA。EISA總線的工作頻率其實(shí)和ISA一樣都是8MHz，并且可以向下兼容8bit、16bit位寬的ISA總線設(shè)備。

ISA總線的致命弱點(diǎn)可不止帶寬有限，它更大的問(wèn)題在于CPU占用率高、且占用硬件中斷資源——筆者曾經(jīng)在一塊主板上裝了兩個(gè)ISA設(shè)備，為了分配好中斷資源著實(shí)煞費(fèi)苦心，遠(yuǎn)不如現(xiàn)在的設(shè)備即插即用那么簡(jiǎn)單。1990年代后期，PCI總線逐步取代了ISA總線。在英特爾PC'98規(guī)范中徹底放棄了對(duì)ISA總線的支持，后期即便有推出帶有ISA插槽的主板，也不過(guò)是通過(guò)模擬的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)ISA設(shè)備的支持。

PCI——提速全靠我

正如前文所述，ISA也好，EISA也罷，先天的傳輸瓶頸已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足32bit的80386、乃至80486處理器的帶寬吞吐需求，新的總線標(biāo)準(zhǔn)呼之欲出。19 92年的時(shí)候，英特爾提出了PCI，Peripheral ComponentInterconnect（外圍組件互連總線）協(xié)議1.0標(biāo)準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)僅僅限于組件規(guī)范。

為了能夠盡管推廣PCI總線協(xié)議，替代掉ISA總線協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)，英特爾召集了多個(gè)廠商組成了PCI-SIG（PCI Special InterestGroup，PCI特殊興趣小組）企業(yè)聯(lián)盟（圖7），并在1993年4月發(fā)布了PCI 2.0標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)第一次將PCI接口的物理規(guī)格確定，從此也奠定了PCI總線協(xié)議的地位。

對(duì)比ISA總線協(xié)議，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)一開(kāi)始就提供了ISA無(wú)法企及的高度：133MB/s的帶寬（33MHz時(shí)鐘，每時(shí)鐘傳送32bit），這對(duì)當(dāng)時(shí)的電腦（圖8）來(lái)說(shuō)已經(jīng)是超高速帶寬了。到了后期，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提升到64bit位寬，帶寬達(dá)到了264MB/s，當(dāng)然，對(duì)于現(xiàn)在來(lái)看這根本不算什么，但是在當(dāng)時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ISA。

另一個(gè)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了即插即用功能。在使用ISA設(shè)備安裝的時(shí)候，設(shè)備之間可能存在硬件資源占用上的沖突，這必須手動(dòng)調(diào)配硬件資源才能解決，而在PCI總線標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備，安裝即可使用（當(dāng)然在操作系統(tǒng)內(nèi)還需要安裝驅(qū)動(dòng)程序），無(wú)需手動(dòng)調(diào)配硬件資源（圖9）。

還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)也是ISA總線標(biāo)準(zhǔn)不具備的，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)增加了奇偶校驗(yàn)錯(cuò)（PERR）、系統(tǒng)錯(cuò)（SERR）、從設(shè)備結(jié)束（STOP）等控制信號(hào)及超時(shí)處理等可靠性措施，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源鬄樵黾?。可以說(shuō)，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)讓PCI設(shè)備擴(kuò)展真正做到了好用、省心的效果。

不過(guò)，在90年代末期，PCI總線即便是64bit的修訂版本規(guī)格，也僅有264MB/s的帶寬吞吐能力，已經(jīng)無(wú)法為顯卡提供足夠的帶寬支撐，而此時(shí)業(yè)界又沒(méi)有一個(gè)更好的解決辦法。于是，英特爾將AGP這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專(zhuān)用傳輸通道提了出來(lái)。

AGP——特殊的候補(bǔ)隊(duì)員

AGP全稱(chēng)為Accelerated Graphics Port（加速圖形接口），是1997年英特爾為了應(yīng)對(duì)顯卡這種帶寬吞吐大戶(hù)的需求，在PCI總線標(biāo)準(zhǔn)上創(chuàng)建的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸通道。可以說(shuō)它并非是一個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)——畢竟它只是為顯卡的專(zhuān)用接口（圖10）。要知道，任何一個(gè)總線都允許多個(gè)設(shè)備共享，而AGP只能只能實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”的模式，僅僅為顯卡提供帶寬支撐。

AGP時(shí)代，出現(xiàn)了許多經(jīng)典的顯卡，比如3DFX Voodoo Banshee（圖11）、NVIDIARIVA 128（圖12）、3Dlabs Permedia 2、ATiRage系列（圖13）、Matrox Millennium II、S3ViRGE GX/2等等。比較有趣的是，最早的一批AGP顯卡并非原生AGP接口，而是通過(guò)橋接方式由PCI總線轉(zhuǎn)換成AGP，而且需要一顆單獨(dú)的芯片負(fù)責(zé)處理轉(zhuǎn)換，這導(dǎo)致首批此類(lèi)顯卡的性能根本無(wú)法發(fā)揮實(shí)際效率，很多人都對(duì)AGP嗤之以鼻。直到真正原生的AGP接口顯卡出現(xiàn)，人們才領(lǐng)略了AGP接口的高帶寬究竟能帶來(lái)什么樣的3D加速性能。

那么，AGP的帶寬究竟有多大呢？在PCI總線標(biāo)準(zhǔn)下，最高的帶寬吞吐能力也不過(guò)264MB/s，還會(huì)有多個(gè)設(shè)備分享，而AGP的第一版即達(dá)到266MB/s的帶寬，且只有顯卡獨(dú)享。到了后期，AGP 8×的帶寬達(dá)到了驚人的2.1GB/s——當(dāng)然，你不能以今天的眼光來(lái)看待。AG P的規(guī)范版本一共經(jīng)歷了4次更替，分別為AGP 1×、AGP 2×、AGP 4×和AGP 8×，它們對(duì)應(yīng)的規(guī)格版本分別是AGP 1.0（AGP 1×、AGP 2×）、AGP 2.0（AGP 4×）、AGP 3.0（AGP 8×），具體的規(guī)格可以參考表格，注意AGP 1×和AGP 2×都?xì)w于AGP 1.0版本。另外，AGP接口向下兼容，而不能向上兼容，因?yàn)檫B電壓都會(huì)有所區(qū)別（圖14）。

PCIe——?dú)v經(jīng)5代的超大家族

到了AGP 8×后期，最高2.1GB/s的帶寬吞吐能力也不足以支撐顯卡日益高漲的帶寬需求，同時(shí)，其他設(shè)備也對(duì)總線帶寬有了更高的要求，PCI+AGP的組合已經(jīng)不夠看了。于是，PCIe應(yīng)運(yùn)而生（圖15）。

2001年，英特爾在IDF（英特爾開(kāi)發(fā)者論壇）大會(huì)上公布了最新的總線技術(shù)，被命名為“3GIO”。之后的2002年，PCI特殊興趣組織（PCI-SIG）正式公布了新一代總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這就是從3GIO改名而來(lái)的PCIe。PCIe，實(shí)際全稱(chēng)為PCI Express。

而且極具創(chuàng)新的是，PCIe的規(guī)范設(shè)計(jì)十分友好，只要是支持PCI總線的操作系統(tǒng)，無(wú)需修改升級(jí)即可支持PCIe總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很快，這個(gè)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就取代了PCI+AGP的組合，成為最主流的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（圖16）。

PCI e不僅具有極為強(qiáng)大的帶寬吞吐能力，還能支持更高的供電，對(duì)于大功率的PCIe擴(kuò)展設(shè)備無(wú)疑十分友好。它甚至在電壓的支持上也做了特別設(shè)計(jì)，可以分別支持+3.3V、3.3Vaux以及+12V三種不同的電壓標(biāo)準(zhǔn)，讓PCIe設(shè)備的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單容易。

當(dāng)然，最重要的還是PCIe驚人的帶寬吞吐能力。不同于以往的PCI、ISA總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需求，PCIe能夠以不同規(guī)格、不同速率提供給使用者設(shè)計(jì)不同的插槽，如PCIe ×1、PCIe ×2、PCIe ×4、PCIe×8、PCIe ×16（圖17）。

PCIe的規(guī)范主要是為了提升電腦內(nèi)部所有總線的速度，因此帶寬有多種不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，其中PCIe ×16是特別為顯卡所設(shè)計(jì)。AGP的帶寬吞吐能力最高為2.1GB/s，對(duì)比PCIe 1.0 ×16的4GB/s很明顯差異甚大。但是要注意，4GB/s是指資料傳輸?shù)睦硐胫?，并不是使用PCIe接口的顯卡，就能夠有突飛猛進(jìn)的性能表現(xiàn)，實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)并不會(huì)有這么大的差異存在。

計(jì)算公式為PCIe串行總線帶寬（MB/s）=串行總線時(shí)鐘頻率（MHz）×串行總線位寬（bit/8= B）×串行總線管線×編碼方式×每時(shí)鐘傳輸幾組數(shù)據(jù)（cycle），例如全雙工PCIe 1.0 ×1，其帶寬= 2500×1/8×1×8/10×1×2=500MB/s。

可以說(shuō)，PCIe的出現(xiàn)一定程度解決了帶寬不足的問(wèn)題，而且PCIe總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷升級(jí)，方案已經(jīng)從最初的PCIe 1.0更替到最新的PCIe 6.0。目前的設(shè)備應(yīng)用則開(kāi)始全面進(jìn)入PCIe 4.0時(shí)代。而最新的12代酷睿處理器平臺(tái)雖然在處理器中提供了PCIe 5.0總線通道，但是距離普及還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。

當(dāng)然了，即便是PCIe 4.0總線技術(shù)準(zhǔn)，其帶寬吞吐能力依然是極為強(qiáng)勁的，對(duì)比最初的ISA總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)呈幾何數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，這就是技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的好處——否則，NVMe規(guī)范的固態(tài)硬盤(pán)（圖18），又怎么可能因之發(fā)揮其超強(qiáng)的讀寫(xiě)性能？次時(shí)代的旗艦級(jí)顯卡，又靠什么與CPU通信，來(lái)支持高分辨率、高畫(huà)質(zhì)下的流暢游戲呢？