PCI和PCIe到底是什么关系？为什么现在几乎看不到PCI插槽了？

如果你打开一台十几年前的电脑或主机机箱，你会发现上面往往排列着几条长度相同的白色扩展插槽，这些就是PCI（Peripheral Component Interconnect）总线接口。在那个年代，网卡、声卡、视频采集卡都离不开它。

如今无论是消费级PC主机还是服务器主板，基本都被长短不一的PCIe插槽所统治，很多刚接触硬件设计或底层驱动的工程师都会好奇，PCIe仅仅是PCI的加速版吗，两者究竟是什么关系？为什么曾经如日中天的PCI最终会被彻底淘汰？今天，我们就来聊一聊这背后的硬件接口进化历程。

PCI：属于并行总线时代的产物

PCI由Intel于1992年推出，在很长一段时间里都是PC平台最重要的扩展总线标准。

PCI采用的是典型的共享总线结构。简单来说，主板上的多个外设共同连接到同一条数据总线上，任何时刻只能有一个设备占用总线进行数据传输。当多个设备同时请求访问时，需要通过总线仲裁机制决定谁先使用。

这种设计在当时非常先进。相比更早期的ISA总线，PCI不仅速度更快，而且实现了即插即用（Plug and Play），大幅降低了硬件扩展难度。

但随着计算机性能的快速提升，共享总线架构的缺点也逐渐暴露出来，所有设备共用同一条传输通道，意味着带宽必须被多个设备分摊。一旦高性能设备增多，总线就会成为整个系统的瓶颈。

PCI为什么越来越跟不上时代

标准PCI接口最常见的规格是33MHz、32位，其理论带宽约133MB/s。

在上世纪90年代，这个带宽已经足够满足绝大部分应用的需求。但当进入千兆网络、高分辨率显示和大容量存储信息时代后，133MB/s的带宽很快就显得捉襟见肘。

当前市面上常见的千兆网卡理论带宽约125MB/s，PCI总线带宽尚且能应付，但NVMe固态硬盘读写速度普遍可达到数GB/s，FPGA图像采集卡单路数据流量就可能超过PCI总线极限，高性能显卡更是需要几十GB/s以上的数据交换能力。此时，PCI带宽就显得严重不足。

此外，除了带宽不足，共享总线还带来了额外的延迟和仲裁开销。当多个设备同时工作时，总线竞争会进一步影响系统性能。因此，从2000年前后开始，业界迫切需要一种全新的高速互联技术。

PCIe的出现：彻底改变连接方式

2003年，PCI Express（PCIe）正式发布。

很多人认为PCIe只是更快的PCI，实际上它们在硬件架构上已经完全不同。

PCI采用并行共享总线，而PCIe采用点对点串行连接。

在PCIe系统中，每个设备都拥有独立的数据链路，不再与其他设备共享总线带宽。设备通过交换结构（Switch）与CPU或芯片组连接，从而实现真正的并行通信。

这种变化带来的好处就是扩展性得到了极大增强，增加新的设备不会占用其他设备的传输资源，使得系统能够并行处理大量高速的数据流。

x1、x4、x8、x16到底是什么意思

观察主板会发现，不同PCIe插槽长度并不相同。

这是因为PCIe采用了基于Lane（通道）的设计。每条Lane都包含一组发送链路和接收链路，可以同时进行双向数据传输。

PCIe插槽后面的数字表示该设备可使用的Lane数量：

• PCIe x1：1条Lane
• PCIe x4：4条Lane
• PCIe x8：8条Lane
• PCIe x16：16条Lane

Lane数量越多，对应能够支持的总带宽就越高，常见的PCIe带宽速率如下表所示。

表1 PCIe常见带宽速率参考表

PCI消失了，但它其实一直都在

虽然硬件结构发生了翻天覆地的变化，但PCIe并没有完全抛弃PCI留下的生态。

为了保证兼容性，PCIe保留了PCI设备配置空间、设备枚举机制以及Bus/Device/Function等软件模型。对于操作系统而言，PCIe设备仍然被视为PCI设备的一种延续。

这也是为什么在Windows设备管理器或Linux系统中，至今仍然能够看到“PCI设备”“PCI总线”等名称。

从某种意义上说，PCIe继承了PCI的软件体系，却彻底重构了底层硬件架构。正是这种“软件兼容、硬件革新”的设计思路，使PCIe能够在短时间内取代PCI，并成为过去二十年最成功的计算机互联标准之一。

下期预告

既然PCIe已经不再是传统总线，那么设备上电后，操作系统又是如何发现PCIe设备的？PCIe配置空间、BAR寄存器和驱动程序之间又是什么关系？下一篇将从PCIe设备枚举过程开始继续展开。

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