什么是PCIe？

PCIe是一种高速串行计算机扩展总线标准，自2003年推出以来，已经成为服务器(Server)和PC上的重要接口。今天为大家简单介绍一下PCIe的发展历史以及它的工作原理。

PCIe接口的全称是Peripheral Component Interconnect Express，原来的名字是“3GIO”，由Intel在2001年提出。PCIe的前身是PCI，PCI 使用的是并行传输方式，有较多的限制，并使用数据包（Packet）进行数据传输，数据报文在发送和接收过程中需要经过事务层、数据链路层和物理层多个层次。

PCIe串行总线标准被推出时，旨在替代旧的PCI、PCI-X和AGP总线标准，以实现更高的数据速率并简化系统设计。在交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后改名为“PCI-Express”，简称“PCI-e”。此后，随着时间的推移PCIe不断改进以适应现代计算机的最新带宽需求。

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2021年，PCIe 6.0 规范发布。每通道数据传输速率从PCIe 5.0的32 GT/s翻番至64 GT/s，PCIe 6.0*16通道的带宽高达256 GB/s，除了带宽和效率的提升外，PCIe 6.0还具有更低的延迟，是PCIe技术的又一大飞跃。

PCIe采用的是树型拓扑结构， 一般由根复合体(Root Complex)，中继器（Repeater），终端设备(Endpoint)等类型的PCIe设备组成。

接下来将讲述PCIe如何通过下图突出显示的典型链路进行初始化和传输。

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Root Complex: 根复合体是CPU和PCIe总线连接的接口。主要负责存储器域到PCIe总线域的地址转换，随着虚拟化技术的引入，根复合体的功能也越来越复杂。根复合体把来自CPU的request转化成PCIe的4类request(configuration、memory、I/O、message)并发送给下面的设备。

Repeater：中继器是一种信号调节装置，可分为两类：Retimers和Redriver，两者都是常用的PCIe组件，Retimer通过内部时钟重构信号，再恢复后发送出去；Redriver则是通过信号均衡化和预加强等技术，重新加强再发送出去。在图示中，我们将使用PCIe 4.0兼容的Retimers举例。

PCIe Endponit: PCIe终端设备，是PCIe树型结构的末端节点。比如SSD，网卡、GFX卡等等。

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在了解PCIe链路是如何建立以及数据如何通过PCIe协议传输之前，我们先了解一下常见PCIe控制信号的功能。

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PERST#信号为全局复位信号，由处理器系统提供。处理器系统需要为PCIe插槽和PCIe设备提供该复位信号。PCIe设备使用该信号复位内部逻辑，当该信号有效时，PCIe设备将进行复位操作。

WAKE#和CLKREQ#信号都用于在本文讨论范围之外的低功率状态之间转换。

REFCLK#是PCIe设备开始数据传输的先决条件，PCIe设备通过使用REFCLK#提供的100 MHz外部参考时钟(Refclk)，用于协调在两个PCIe设备间的数据传输。

PCIe链路在初始状态时，需要检测对端设备是否存在，然后才能进行链路训练。所有PCIe设备通电并提供参考时钟信号后在每个通道上将拥有接收器检测(Receiver Detection）电路，该电路将允许PCIe设备确定是否有要配对的链路伙伴。假设PCIe Rx检测电路检测到另一个设备，则每个通道将开始以2.5 GT/s的速度进行传输串行数据。

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2.5 GT/s是PCIe 1.0采用的数据速率，另外由于PCIe 1.0与任何PCIe设备兼容，因此每个PCIe链路都以相同的链路初始化过程开始。以下图为例，Root Complex、Retimer和Endpoint都以PCIe 1.0的速度开始传输。

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在经过PCIe链路初始化后，每个器件开始接收数据并做出响应。PCIe连接开始链路训练过程并进入配置阶段，在该阶段中，由于通道长度变化而导致数据中的任何偏差都能得到校准，PCIe链路的宽度、链路速率、链路翻转和链路极性也在此阶段确定。

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当存在多条链路时，则PCIe连接称为PCIe分叉。在示例中，有一个非分叉连接，即所有通道都分配给编号为0的链路。由于Retimer链路分为两部分，其两侧的链路分别进行链路初始化。在确定链路和通道号后，PCIe链路可以进入多种状态。

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以进入L0状态举例，这是发送和接收数据与数据包的正常操作状态。到达L0后Root Complex和Endpoint可相互通信，PCIe链路也可转换为多种低功耗状态或另一种链路训练状态。在此不做过多阐述。

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当PCIe设备支持PCIe Gen2时，链路速度也会随之提高。如果数据速率为PCIe Gen3或以上，PCIe链路将需要经历额外链路优化过程（称为链路均衡）。

链路均衡以建立设备间稳定的连接为目的。通过调节Tx (传输端)和Rx (接收端)的设置，提高信号质量，使PCIe链路以最稳定且更快的速率传输。由于PCIe在Gen3及以上的每一代均需优化连接，因此链路均衡过程可能发生多次。

例如：若所有PCIe设备为Gen5，则有3次链路均衡过程（第1次：Gen1-Gen3；第2次：Gen3-Gen4；第3次：Gen4-Gen5）。链路均衡通过PCIe 规范中定义的preset值来实现，preset指不同的预过冲(Preshoot)和去加重(De-emphasis)的组合。对于Gen3和Gen4，有11个preset值，即preset0-preset10。对于不同的链路情况，系统要求Rx端发送Tx EQ preset设置请求给Tx端，让其做对应的preset均衡设置；Tx端发送Rx EQ均衡设置，要求Rx端做相应的设置，最终获得一个最优的均衡组合和Rx端的眼图。

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Phase0：第1阶段链路均衡涉及上游端口(Upstream port)和下游端口(Downstream port)之间的精确动态协商，下游端口通过向上游设备发送每个通道所需的发送器preset值来开始链路均衡，被称为第0阶段链接均衡。在接收到下游端口的请求后不久，上游端口增加到第3代（Gen3）链路数据速率，并开始使用所需preset将训练序列发送回下游端口。链路速度增加至Gen3(8 GT/s)后，链路均衡过程通过来回发送preset值来协商每个端口的preset配置，从而继续优化链路。

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Phase1：为了充分优化链路，以便能够交换训练序列(Training Sequences)并且完成用于精调目的的剩余链路均衡阶段，尽管有出现链路质量差的可能性，相同的训练序列依然会被重复发送，来确保下游端口接收到正确的preset值。

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Phase2：在第1阶段链路的误码率实现BER≤10e-4后，进入到Phase 2，随后进一步优化上游端口的preset值，直至获得最优设置，链路的误码率应满足BER ≤ 1E-12。

Phase3：到第3阶段对下游端口执行相同的协商。上游端口通过训练序列发送均衡请求去调整下游端口的preset值，直至获得最优设置，链路的误码率应满足BER ≤ 1e-12。

当Phase3完成后，链路均衡也已完成，此时链路以Gen3的速率进入L0状态，并在该速率进行稳定通信。对于更高的传输速率，PCIe设备必须进行多次链路均衡过程。

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然而在某些主板设计中，尤其是那些具有长通道链路的主板，这种信号质量无法实现，可能需要另外的信号调节。在这种情况下，中继器（如Redriver，Retimer）则被用来做信号调节，并在PCIe设备和根复合体之间提供高质量信号。