在概念上,PCI Express總線是較舊的PCI/ PCI-X總線的高速串行替換。PCI Express總線與舊PCI之間的主要區(qū)別之一是總線拓撲。 PCI使用共享并行總線架構,其中PCI主機和所有設備共享一組通用的地址,數(shù)據(jù)和控制線。 相比之下,PCI Express基于點到點拓撲,單獨的串行鏈路將每個設備連接到根系統(tǒng)(主機)。 由于其共享總線拓撲,可以對單個方向上的PCI總線進行仲裁(在多個主機的情況下),并且一次限制為一個主機。 此外,舊的PCI時鐘方案將總線時鐘限制在總線上最慢的外設(不管總線事務中涉及的設備如何)。
相比之下,PCI Express總線鏈路支持任何兩個端點之間的全雙工通信,同時跨多個端點的并發(fā)訪問沒有固有的限制。在總線協(xié)議方面,PCI Express通信封裝在數(shù)據(jù)包中。打包和解包數(shù)據(jù)和狀態(tài)消息流量的工作由PCI Express端口的事務層處理,電信號和總線協(xié)議的根本差異需要使用不同的機械外形尺寸和擴展連接器(因此,需要新的主板和新的適配器板); PCI插槽和PCI Express插槽不可互換。在軟件級別,PCI Express保留與PCI的向后兼容性; 傳統(tǒng)的PCI系統(tǒng)軟件可以檢測和配置較新的PCI Express設備,而無需顯式支持PCI Express標準,但是新的PCI Express功能無法訪問。兩個設備之間的PCI Express鏈路可以由1個到32個通道組成。 在多通道鏈路中,分組數(shù)據(jù)在通道上條帶化,并且峰值數(shù)據(jù)吞吐量與整個鏈路寬度成比例。通道計數(shù)在設備初始化期間自動協(xié)商,并且可以被任一端點限制。例如,單通道PCI Express(×1)卡可以插入多通道插槽(×4,×8等),初始化周期自動協(xié)商最高相互支持的通道數(shù)。該鏈接可以動態(tài)地自動配置自己,以便使用較少的通道,在存在不良或不可靠的通道的情況下提供故障容限。PCI Express標準定義了多個寬度的插槽和連接器:×1,×4,×8,×12,×16和×32。這允許PCI Express總線服務于不需要高吞吐量的成本敏感型應用,以及諸如3D圖形,網絡(萬兆以太網或多端口千兆位以太網)和企業(yè)級存儲(SAS或光纖通道)等關鍵性能的應用。作為參考,使用四路(×4)的PCI-X(133MHz 64位)設備和PCI Express 1.0設備具有大致相同的峰值單向傳輸速率為1064MB / s。 在多個設備同時傳輸數(shù)據(jù)的情況下,或者與PCI Express外設的通信是雙向的情況下,PCI Express總線具有比PCI-X總線更好的性能。
互連PCI Express設備通過稱為互連或鏈路的邏輯連接進行通信。鏈路是兩個PCI Express端口之間的點對點通信通道,允許它們發(fā)送和接收普通PCI請求(配置,I / O或存儲器讀/寫)和中斷(INTx,MSI或MSI-X) 。 在物理層面上,一條鏈路由一條或多條通道組成。低速外設(例如802.11 Wi-Fi卡)使用單通道(×1)鏈路,而圖形適配器通常使用更寬更快的16通道鏈路。
通道通道由兩個差分信號對組成,一對用于接收數(shù)據(jù),另一對用于發(fā)送。 因此,每個通道由四條線或信號跡線組成。在概念上,每條通道用作全雙工字節(jié)流,在鏈路端點之間的兩個方向同時傳輸8位“字節(jié)”格式的數(shù)據(jù)包。物理PCI Express鏈路可能包含1個到32個通道,更精確地包括1,2,4,8,12,16或32個通道。通道計數(shù)用“×”前綴( 例如“×8”表示八通道卡或插槽),×16是常用的最大尺寸。
串行總線由于后者的固有限制,包括半雙工操作,超量信號計數(shù)以及由于定時偏移引起的固有的較低帶寬,因此,傳統(tǒng)的并行總線選擇了綁定串行總線架構。定時偏移來自在不同長度的導線,潛在不同的印刷電路板(PCB)層和可能不同的信號速度下行進的并行接口內的分離的電信號。盡管作為單個字同時傳輸,并行接口上的信號具有不同的行進持續(xù)時間,并在不同時間到達其目的地。當接口時鐘周期短于信號到達之間的最大時間差時,就不可能恢復傳輸?shù)淖帧S捎诓⑿锌偩€上的定時偏移量可能達到幾納秒,因此所產生的帶寬限制在幾百兆赫的范圍內。串行接口不會出現(xiàn)定時偏移,因為每個通道中每個方向只有一個差分信號,并且由于時鐘信息嵌入在串行信號本身中,所以沒有外部時鐘信號。因此,串行信號的典型帶寬限制在幾千兆赫范圍內。 PCI Express是串行互連替代并行總線的一般趨勢的一個例子;其他示例包括Serial ATA(SATA),USB,Serial Attached SCSI(SAS),F(xiàn)ireWire(IEEE 1394)和RapidIO。在數(shù)字視頻中,常用的例子有DVI,HDMI和DisplayPort。多通道串行設計增加了靈活性,其能夠為較慢的設備分配較少的通道。