一、外设

        计算机外设（Peripheral）是指连接到计算机主机以扩展其功能的外部设备。这些设备可以是输入设备、输出设备、存储设备或通信设备等，外设（外围设备）通过输入、输出、存储和通信等方式帮助计算机与用户和其他设备进行交互，使计算机成为更通用、更灵活的工具。下表是一些常见的外设设备：

类别	设备类型	功能描述
输入设备	键盘	用于输入文本、数字和符号的主要输入设备。
	鼠标	常用于图形界面系统，控制屏幕上的光标位置并进行点击操作。
输出设备	显示器	用于显示文本、图形和视频。
	打印机	将数字文档转换为纸质输出，分为喷墨打印机、激光打印机、热敏打印机等。
	扬声器	将数字音频信号转换为模拟声音输出，用于播放音乐、视频等声音。
	耳机	用于个人音频输出，适用于私密环境下的声音输出。
存储设备	硬盘驱动器（HDD）	传统的机械硬盘，通过磁性存储数据，容量大，价格相对便宜。
	固态硬盘（SSD）	基于闪存技术的存储设备，速度快，但价格较高，逐渐取代HDD。
	光盘驱动器	用于读取和写入光盘数据的设备，现在使用较少。
	U盘	便携式USB闪存设备，适用于文件的快速转移和存储。
	外部硬盘	通过USB或Thunderbolt接口连接到计算机的外部存储设备，用于大容量数据存储和备份。
通信设备	网卡（NIC）	用于连接计算机到网络（如以太网、Wi-Fi）的硬件。
	调制解调器	将数字信号转换为模拟信号，常用于电话线拨号上网。
	路由器	用于连接局域网（LAN）和广域网（WAN），管理网络流量。
	蓝牙适配器	通过蓝牙连接其他设备，如鼠标、键盘或耳机。
	USB适配器	用于扩展设备的USB接口，增加额外的USB设备支持。
其他专用外设	绘图板	为设计师和艺术家提供精确的数字绘图输入。
	VR设备	虚拟现实头戴设备，用于沉浸式虚拟体验。
	显卡	用于处理图形渲染和3D加速，尤其在游戏、视频编辑和AI计算中性能出色，支持高分辨率显示。

二、外设总线

        计算机外设总线是指连接计算机主板和外部设备的通信通道，用于在计算机和外设之间传输数据、指令和信号。外设总线可以连接多种设备，如存储设备、输入/输出设备、网络设备等。以下是几种常见的计算机外设总线及其特性：

外设总线	概述	特点	应用
PCI	由英特尔在1992年推出的并行总线，广泛用于90年代和2000年代初期。	32位或64位并行总线，时钟频率33MHz或66MHz，最大带宽533 MB/s，支持多设备共享。	网卡、声卡、显卡等设备。
PCI-X	PCI的扩展版本，1998年推出，主要用于企业级设备。	频率提升至133 MHz，最大带宽1.06 GB/s，向后兼容PCI设备。	高性能服务器和工作站。
PCIe	目前最主流的外设总线，采用串行通信。	每通道带宽从250 MB/s（PCIe 1.0）到8 GB/s（PCIe 6.0），支持全双工通信和热插拔。	显卡、固态硬盘（NVMe）、网络卡等。
AGP	专为显卡设计的接口，总线用于图形加速。	带宽从AGP 1x（266 MB/s）到AGP 8x（2.1 GB/s），适合高性能图形处理。	显卡的图形加速，3D图形处理。
USB	一种广泛使用的外设连接标准，用于连接外部设备。	支持即插即用和低功耗设备，带宽从12 Mbps到40 Gbps（USB 4.0）。	键盘、鼠标、存储设备、手机充电等。
SATA	用于连接硬盘和光驱的高速串行总线标准。	串行传输，带宽从1.5 Gbps到6 Gbps，线缆更长，传输稳定。	连接硬盘、固态硬盘、光驱等。
Thunderbolt	由英特尔和苹果开发的高速外设连接标准。	支持双向数据传输，带宽高达40 Gbps，支持菊花链连接。	显示器、外接存储设备、外接显卡等高性能设备。
FireWire	高速传输总线，主要用于多媒体设备。	传输速率从400 Mbps到800 Mbps，支持实时数据传输和供电。	视频设备、音频设备、外接存储等。
I²C	用于嵌入式系统和消费电子的低速串行总线标准。	低成本、低复杂度，支持多设备挂载，使用SDA和SCL两条线。	嵌入式系统、传感器、微控制器之间的通信。
SPI	高速串行总线，用于短距离设备通信。	全双工通信，使用四条线：MISO、MOSI、SCK、SS，通信速率较高。	微控制器、传感器、ADC/DAC、闪存等。
CAN	工业控制和汽车电子常用的通信总线。	支持分布式控制，传输速率可达1 Mbps，具备纠错机制。	汽车电子、工业自动化、机器人等。
HyperTransport	高速互联的总线技术，主要用于计算机内部连接。	点对点高速串行总线，单向带宽最高可达51.2 GB/s。	服务器和高性能计算平台。

三、PCIe总线

        PCIe是目前最主流的外设总线，广泛用于连接显卡、固态硬盘（NVMe）、网络卡等设备，几乎在所有现代PC和服务器中都有应用。PCIe作为外设总线的主要特点包括串行通信、点对点连接、高带宽、全双工通信、通道灵活性、向后兼容、支持热插拔、低延迟与高效率以及高级电源管理。它的灵活性和高性能使其成为现代计算机中用于连接外设的主流接口标准。

3.1 PCI

        PCI (Peripheral Component Interface)总线是在1990年代初开发的，目的是解决当时个人电脑的外设总线不足问题。当时的标准是IBM的AT总线，其他厂商称之为ISA总线。ISA总线适用于设计时的286 16位设备，但对于更新的32位设备及其外设而言，ISA在带宽和功能上都有所不足，尤其是即插即用等改进功能的需求日益增加。此外，ISA使用的大型连接器具有较高的针脚数，增加了硬件设计的复杂性。

        鉴于这些问题，PC厂商意识到需要一种新的总线设计。多个替代总线设计被提出，包括IBM的MCA、EISA（扩展ISA，由IBM的竞争对手作为开放标准提出）和VESA总线（视频电子标准协会，由视频卡厂商为视频设备提出）。然而，这些设计各有其缺点，未能获得广泛认可。

        最终，PCI作为一个开放标准由PC市场的主要参与者组成的一个团体——PCISIG（PCI特别兴趣小组）开发。新开发的总线架构在性能上远超ISA，并定义了每个设备内的一组新寄存器，称为配置空间。这些寄存器使得软件能够查看设备所需的内存和I/O资源，并为每个设备分配不会与系统中其他地址冲突的地址。这些功能——开放设计、高速性能、软件可见性和控制能力——帮助PCI克服了ISA和其他总线的限制。凭借这些优势，PCI很快成为PC中标准的外围总线。      

3.2 PCI-X

        几年后，PCI-X（PCI-扩展）作为PCI架构的逻辑扩展被开发出来，并大幅提升了总线的性能。虽然稍后会详细讨论这些变化，但PCI-X的主要设计目标之一是保持与PCI设备的硬件和软件兼容性，以简化从PCI向PCI-X的迁移过程。后来，PCI-X 2.0修订版进一步提高了速度，达到了最高4 GB/s的原始数据传输率。

        由于PCI-X在硬件上保持了对PCI的向后兼容性，它依然是并行总线，因此继承了并行总线模型所面临的问题。这对我们来说是有趣的，因为并行总线最终会在有效带宽上遇到实际的瓶颈，无法轻易提高速度。PCISIG曾尝试通过PCI-X进一步提高数据传输速率，但这一努力最终被放弃。这个速度瓶颈以及高引脚数量促使了从并行总线模型向新的串行总线模型的转变。

        因此，PCIe（PCI Express）随后被引入，采用串行传输方式，并逐步替代了PCI-X，成为当代计算机的主要扩展总线标准。

        在表1-1中展示了早期总线标准随着时间推移所经历的更高频率和带宽的发展。其中一个有趣的点是时钟频率与总线上的插卡槽数量之间的相关性。由于PCI采用了低功耗信号模型，这意味着在更高的频率下，信号传输路径需要更短，并且总线上的负载（插卡槽）数量也要减少。这是因为在高频率下，长信号线和更多负载会影响信号完整性。

        另一个值得注意的点是，随着时钟频率的增加，允许在共享总线上的设备数量也随之减少。当引入PCI-X 2.0时，由于其高速传输的需求，导致总线不得不转变为点对点互连架构。这种点对点连接模式避免了多个设备共享同一总线带来的信号完整性问题，从而提升了系统的整体性能和数据传输稳定性。

        这种演变反映了技术上的妥协和改进：为了支持更高的传输速度和频率，必须减少总线上的设备数量或者改进总线架构，如从共享总线转向点对点互连。