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PCI-E实现大一统 主板上曾出现过的插槽
2017年07月08日 10时17分 作者:ZOL 编辑: 杨玉斌

 

一条长长的插槽,两排金光闪闪的引脚,这就是主板上最引人注意的一类接口,也是我们今天要谈的主角。那么这类接口叫什么名字?现在最常用的是PCI-E,在以前还有PCI、AGP等,这类接口都是PC的主要数据总线接口。

由于很多读分不清接口和总线的关系,所以吉吉我先简单讲讲什么是总线:总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,是连接PC和各个部件之间的纽带。

按照计算机所传输的信息种类,计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

涨姿势:主板上曾出现过的插槽 PCI-E实现大一统

那么这些接口和总线是什么关系?以大家最熟悉的PCI-E举例,PCI-E接口的设备都要通过PCI-E总线来进行通信,而PCI-E总线上走的设备并不全是PCI-E接口设备。分清了总线和接口的关系,我们便从最古老的总线接口ISA说起。对于许多资深玩家而言,最先出现在关于PC记忆当中的接口应该要数ISA了。ISA是一种尺寸巨大的插槽,一般情况下都会采用的黑色的配色,比我们现在熟知的PCI-E长很多。

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黑色的便是ISA接口

作为最早的PC总线,ISA诞生于DIY还未开始流行的1981年,它作为IBM PC/XT电脑的系统总线首次出现,由于PC/XT在相当长一段时间内都曾经是PC领域的统治者,所以ISA最开始被称为PC总线或者PC/XT总线。

在随后推出的基于16-bit Intel 80286处理器的PC/AT当中,ISA也相应地被扩展到了16bit,并被称呼为PC/AT总线。为了开发与IBM PC兼容的外部设备,行业内最终确立了以IBM PC总线规范为基础的总线,也就是上文说的ISA(Industry Standard Architecture工业标准架构)。 

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老主板上的ISA接口

ISA是8/16bit的系统总线,最大传输速率仅为8MB/S,但在当时是足够满足速度需求的。ISA允许多个CPU共享系统资源,且具有良好的设备兼容性,这让它成了当时最流行的系统总线。

ISA接口也就因此而成为了主板上的标准配置,无论声卡、显卡、解压卡还是别的什么设备,当时我们所要用到的几乎所有外接板卡都需要ISA接口。正因为此,ISA接口成了最早一批接触PC DIY的玩家们共有的记忆。

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ISA接口设备

不过,ISA的弱点也是显而易见的,作为最初的数据总线,ISA的传输速率很快便成了周边设备性能提升的瓶颈,它还有CPU占用率高以及占用硬件中断资源等其他问题,所以渐渐的也就无法再满足高速发展的外围设备的需求了,因此业界开始了对ISA总线的放弃以及对替代品的寻找。这位继任者,便是几乎陪伴了一代人的PCI。

最长寿的万能插槽——PCI

作为目前最长寿的总线接口,PCI已经走过了26载春秋,无论对于PC业界的历史还是对一个人的人生而言,26年都是一个相当长的时间跨度,而吉吉我恰好也是26岁。当初为了应对ISA带宽不足而提出PCI总线及接口时,相信不会有人能想到这一接口能够存在如此长的时间,即使在这个PCI-E独步天下的时代,仍有不少服务器和低端主板搭载PCI接口,而前文说到的ISA接口却早已消失在历史的洪流中了。

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常见的白色PCI插槽

PCI是由Intel 在1991年推出的一种局部总线,以最初目的而言,它并不是作为ISA的终结者出现的。PCI在结构上可以被视为CPU和原来的ISA之间插入的一级新总线,它拥有全新的操作方式,可以经由桥接电路来协调数据的传送,新加入的管理器能够提供信号缓冲,这让PCI的外设支持数量明显提升,并能在高时钟频率下保持高性能,它为当时的显卡、声卡、网卡、MODEM甚至数据采集卡等等设备提供了连接接口。

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采用PCI接口的Voodoo显卡

PCI总线及接口家族并没有像ISA那样仅仅发展了一代便戛然而止,随着对更高性能的要求,更为高速的64bit PCI/PCI-X总线也被提出,其频率规划提升到66~133MHz。但这些总线及接口大多服务于更高级别的服务器产品线,我们所见的最广泛的PCI接口仍旧是采用32 bit/33MHz的标准PCI接口。良好且异常广泛的兼容性,理想的系统资源占有率以及低廉的成本让PCI接口成了相当长一个时期里主板上出现最多的接口,它甚至变成了衡量主板可扩展性及实用性的标志之一。

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长相类似PCI-E接口

以133MB/S的带宽而言,PCI接口及总线对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备显得绰绰有余了,这是PCI接口能够在今天仍旧继续存在的原因之一。不过PCI的速度和带宽对性能高速增长的某些外部设备,比如显卡来说,很快就变得捉襟见肘了,在这种需求的催生下,近乎于昙花一现的一代著名接口——AGP现世了。

短命的显卡御用插槽——AGP

在上个世纪九十年代末期,随着Voodoo 2、TNT以及G200等第二代3D显卡的问世,PC用户们忽然发现了一个令人震惊的事实——在数倍激增的多边形以及材质解析度的作用下,PCI总线看似富裕的133MB/S的带宽,在新一代3D显卡面前竟然已经变得不够用了。好在技术端的反应一直都是快于市场端的,新一代3D显卡的需求,早在其研发阶段就已经被业界所注意到了,与新一代3D显卡一同到来的,还有新的AGP接口。

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较为少见的红色AGP接口

与PCI一样,AGP同样由Intel 所提出。早在第一代3D加速卡刚刚普及的90年代中期,Intel 就注意到了激增图形需求所带来的通讯带宽即将超过PCI总线的承受能力,为了应对这一矛盾,Intel 在PCI V2.1的基础上提出了全新的图形设备专用接口——AGP规范,并在1997年的440LX芯片组当中首次予以实现。

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AGP接口位置一般在主板中央

用通俗但并不严谨的理解,AGP可以被看做是运行在66MHz+倍频设计的PCI,两者基于同样的基础,但AGP拥有自己独特的特点——它也引入了包括AGP DME(Direct Memory Execution)以及AGP TA(Texture Acceleration),甚至是AGP FW(Fast Write,仅NVIDIA 提供)在内的一系列新技术,同时将PCI的带宽从133MB/S提升到了266MB/S起跳,这很好的满足了新一代图形显卡的需求。

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采用AGP接口的ATi Radeon X800显卡

随着显卡的高速发展,AGP也在不断的提升着自己的能力,从最开始的1X到后来的2X、4X甚至8X,其带宽也从266MB/S一路提升到了令PCI总线汗颜的2133MB/S,工作电压也一步步下降到了0.8V之低。尽管如此,AGP保持了PCI外形不变且统一的光荣传统,其独特的单一棕色接口,在那个时代几乎成了“图形接口”的代名词。    

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AGP 8x接口

但是作为PCI的特殊拓展,AGP从诞生之日起就有许多无法回避的缺陷,它仅支持单一设备连接,无法实现多卡互联扩展,而且其与PCI日渐背离的巨大带宽差异也成了很大的麻烦。所以与PCI长达26年的服役经历形成了鲜明对比,AGP在发展至8x之后便停止了前进,最终带宽也定格在了2133MB/S,并最终被5年后出现的PCI-Express接口所替代。

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NVIDIA GeForce 6800 Ultra AGP-PRO接口版本

尽管寿命不长,但是AGP还是为PC图形业界的发展提供了坚实的基础。在它的陪伴下,太多经典显卡成了无数PC DIY玩家美好的回忆。只要是经历过那个时代的玩家,相信都不可能会忘记主板正中那条象征着卓越 游戏性能的棕色接口。

实现大一统的插槽——PCI-E

在AGP/PCI之后,成本高昂的PCI-X并没有成为接班人,主板的PC总线及接口来到了PCI-Express时代。PCI-E以优秀的高速点对点传输形式带来了巨大的带宽提升,其兼容性和扩展灵活性也达到了前所未有的高度。在经过了短暂的更替之后,PCI-E接口便完全取代PCI/AGP并成为了大部分主板的唯一板卡扩展接口。在经历了相当长时间的各种混搭之后,PC的扩展接口在PCI-E时代首次迎来了大一统的格局。

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一家独大的PCI-E接口

早在2001年的春季,英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接,并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底,包括IntelAMD 、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范,并在2002年完成,对其正式命名为PCI Express,简称PCI-E。

它采用了目前业内流行的点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。

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PCI-E 1x/4x/16x插槽

视可扩展性需求不同,现代主板的标准接口配置通常会包含若干个PCI-E 1x短槽以及2个以上的PCI-E 8/16x长槽,这些PCI-E接口已经取代了其他所有接口的功能,连接了包括显卡,声卡,扩展卡甚至SSD硬盘在内的几乎所有PC扩展硬件。除非芯片组提供支持,你甚至连PCI接口都很难再看到。

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Mellanox 100Gb/s网卡使用了PCI-E 4.0

目前PCI-E已经发展到了3.0,首款支持PCI-E 3.0的显卡是AMD Radeon HD 7970。尽管对当前的旗舰处理器和显卡来说,PCI-E 3.0不会有任何性能瓶颈,不过新一代的PCI-E 4.0已经在地平线上了,速率比8GT/s的PCI-E 3.0翻倍,16x总单向带宽可达32GB/s。

PCI-E 4.0规范已经发展到了0.9版规范,PCI-SIG组织已经在考虑下下代规范PCI-E 5.0了,预计2019年完成标准制定,速率比PCI-E 3.0再次翻倍,可提供128GB/s的带宽。

以接口来命名PC时代

我们刚刚回顾的接口的发展史,其实就是PC内部数据总线变迁的历史。从最开始的ISA总线起算,PC数据总线经历了从并行到串行,再到最后串并行的交替。伴随着接口的不断演变,我们所使用的数据带宽也从最开始的几MB每秒逐渐提升到了数GB乃至几十GB每秒。正是总线的不断进步,让有了我们获得了更快速的显卡和更高速硬盘的机会。 

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PCI-E SSD

前面介绍的几种接口牵动着许多玩家关于那个年代PC的记忆,我们回顾经典产品时会涉及到接口,追忆PC发展史时无法避过接口,甚至不同的接口会被冠以“时代”的称谓,比如说“PCI时代”说“AGP时代”等等。那些消失在历史长河中的接口承载了一代人的美好回忆,接驳扩展积木就如同搭积木一样,那是不属于孩童的“高级玩具”。

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PCI-E发展路线图

发展和更迭是任何事物都要面对的历程,总线和接口也不例外,而我们关于PC的记忆以及种种快乐,正是这不断的变化连接在一起所造就的。不过说实话,接口和总线发展到今天已经没有什么再向上的空间了,关于PCI-E的标准,最大的推动力就是显卡,但是毫不夸张的说,PCI-E 3.0 x16足够满足任何高性能显卡,还有很大性能冗余。

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多种插槽混搭的时代已经一去不复返

虽然PCI-E带宽在不断地提升,但它们在PC市场的用武之地越来越小,因为消费级市场根本用不到这么高的带宽,只有高性能服务器、网络等产品上才有意义,因此不用说迟迟未至的PCI-E 4.0,PC市场用上PCI-E 5.0更是非常遥远的梦。




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