PCI Express架构概述

news2024/11/6 23:34:20

目录

1. PCIe 总线概述

2. PCIe 拓扑结构

3. PCIe 分层结构

4. PCIe 事务层类型

5. PCIe 配置和地址空间


1. PCIe 总线概述

        PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)是一种用于连接计算机内部硬件设备的高速串行总线。它是在PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的基础上发展而来的。PCI总线是在1992年由Intel推出的,以取代ISA(Industry Standard Architecture)总线。PCI总线使用并行传输,速度相对较慢,最高只能达到133MB/s。

        为了满足高速数据传输的需求,PCIe总线于2003年问世。PCIe总线采用串行传输技术,通过使用多个信道并行发送数据来提高传输速度。它最初的速度为2.5GB/s,后来发展到8GB/s、16GB/s、32GB/s等多种速度级别。

链接速度X 1X 2X 4X 8
Gen1带宽(GB/s)0.5124
Gen2带宽(GB/s)1248
Gen3带宽(GB/s)24816
Gen4带宽(GB/s)481632

        当用较多的数据位对原始数据进行编码时,有效数据传输量低于实际传输的数据位数。例如:PCIe串行总线采用10位数据对8位数据进行编码(附加位可能用于时钟编码、误码检测等冗余位)。数据速率通常用每秒传输的数据位,具体指的是编码后的串行比特率,每秒吉比特(GT/s)和每秒兆比特(MT/s)。例如,2.5 GT/s指的是2.5 Gbit/s串行数据速率。

        吞吐量表示未编码的带宽(没有8b/10b、128b/130b或242B/256B编码的开销)。PCIe 1.0每通道2.5 GT/s的传输速率意味着2.5 Gbit/s的串行比特率。在8b/10b编码之前,对应的吞吐量为2.5Gbit/s x 8/10 = 2.0 Gbit/s。

PCIe版本推出年份Line codeTransfe rate per lane单向Throughput per lane(X1 lane)
1.02003NRZ 8b/10b2.5 GT/s2.5GT/s × 8/10 ÷ 8= 0.250 GB/s
2.02007NRZ 8b/10b5.0 GT/s5.0 GT/s × 8/10 ÷ 8= 0.500 GB/s
3.02010NRZ 128b/130b8.0 GT/s8.0 GT/s × 128/130 ÷ 8= 0.985 GB/s
4.02017NRZ 128b/130b16.0 GT/s16.0 GT/s × 128/130 ÷ 8= 1.969 GB/s
5.02019NRZ 128b/130b32.0 GT/s32.0 GT/s × 128/130 ÷ 8= 3.938 GB/s

         PCIe链路表示两个组件之间的双单工连接通道。基本的PCIe链路由两对低电压差分信号对组成:一对用于发送,另一对用于接收。

2. PCIe 拓扑结构

        PCIe采用的树形拓扑结构,RC(Root Complex)是树的根或主干;PCI采用的是总线型拓扑结构,一条PCI总线上挂着若干个PCI终端设备或PCI桥设备。

        PCIe Endpoint,就是PCIe终端设备,比如PCIe SSD、PCIe网卡等。

        PCIe Switch,用于扩展链路提供更多的端口连接Endpoint。Switch扩展了PCIe端口,靠近RC的那个端口,称为上游端口(Upstream Poat),而分出来的其他端口,称为下游端口(Downstream Port)。

注:RC是指PCI Express Root Complex,作为PCIe架构的核心组件,其作用是控制每个PCIe设备之间的通信。PCIe RC是一个设备,其主要任务是管理PCIe总线上的所有端点设备。它负责生成和分发PCIe事务,以及传输和接收数据包。此外,PCIe RC还能进行地址转换和流量控制,确保各个设备能够高效地进行数据传输。

3. PCIe 分层结构

         PCIe定义了三层结构:事务层、数据链路层、物理层。每层职责各不相同,但下层总是为上层服务的。

        事务层(Transaction Layer):负责创建或解析TLP包、流量控制、QoS、事务排序等。

        数据链路层(Data Link Layer):负责创建或解析DLLP包、Ack/Nak协议(链路层检错和纠错)、流控、电源管理等。

        物理层(Physical Layer):负责处理所有的Packet数据物理传输,发送端数据分发到各个Lane传输(Stripe),接收端把各个Lane上的数据汇总起来(De-stripe),每个Lane上加扰(Scramble,目的是让0和1分布均匀,去除信道的电磁干扰EMI)和去扰(De-scramble),以及8/10或者128/130编码解码等。

        PCIe各层功能细节图。 

4. PCIe 事务层类型

        PCIe事务层分为四种不同的类型(Memory、IO、Configuration、Message),分别用于访问内存空间、IO空间、配置空间,这三种请求在PCI或者PCI-X时代就有了,Message请求是PCIe新加的。

        PCI或者PCI-X时代,像中断、错误以及电源管理相关信息,都是通过边带信号进行传输的,但PCIe干掉了这些边带信号线,所有的通信都是走带内信号,即通过Packet传输相应的Message信息。

        设备的物理空间,可以通过内存映射的方式到主机的主存。新的PCIe设备(区别于Legacy PCIe设备)只支持内存映射,之所以还存在访问IO空间的TLP,完全是为了兼容老设备。

        这四种事务层请求,还可分为两种类型的TLP,分别为Posted TLP和Non-Posted TLP。如果发送的TLP不需要对方回应答包,称之为Posted TLP;如果发送的TLP需要对方回应答包,称之为Non-Posted TLP。 

5. PCIe 配置和地址空间

        PCIe配置空间是PCI Express(PCIe)设备的寄存器集合,用于管理设备的配置和初始化。这些寄存器包含设备的ID、设备状态、中断号、资源分配和其他配置信息。

        PCIe设备在启动后会被系统BIOS扫描,BIOS会读取设备的ID和配置空间来确定设备的类型、属性和资源需求。系统BIOS会将这些信息存储在系统内存中,以便操作系统加载设备驱动程序并分配资源。设备驱动程序可以通过访问PCIe配置空间来初始化设备、配置传输特性和通知系统中断信息。

        每个PCIe设备都有这样一段空间,主机软件可以通过读取它获得该设备的信息,也可以通过它来配置该设备,这段空间称为PCIe的配置空间。PCIe设备的配置空间是协议规定好的,每一个字段放什么内容,都是有定义的。

        配置空间就是一系列寄存器的集合,从PCI时代开始,就有的64Byte的Header和192Byte的Capability数据结构。由于PCIe功能比较强大,配置空间由PCI时代的256Byte扩展成了4KB。为了兼容PCI设备,前256Byte内容和结构保持不变。

        配置空间中有个比较重要的BAR(Base Address Register) ,对Endpoint Cfg(Type0)提供最多6个BAR,而对Switch(Type1)来说只有2个。

        CPU只能直接访问主机内存(Memory)空间(或者IO空间),不能直接对PCIe等外设进行操作。CPU如果想访问某个设备的空间,由于它不能亲自跟那些PCIe外设打交道,因此叫RC去办。比如,如果CPU想读取PCIe外设的数据,先叫RC通过TLP把数据从PCIe外设读到主机内存,然后CPU从主机内存读数据;如果CPU要往外设写数据,则先把数据在内存中准备好,然后叫RC通过TLP写入到PCIe设备。 

        具体实现就是上电的时候,系统把PCIe设备开放的空间(系统软件可见)映射到内存地址空间,CPU要访问该PCIe设备空间,只需访问对应的内存地址空间。一个PCIe设备,可能有若干个内部空间需要映射到内存空间,设备出厂时这些空间的大小和属性都写在Configuration BAR寄存器里面,上电后系统软件读取这些BAR,分别为其分配对应的系统内存地址空间,并把相应的内存基地址写回到BAR(BAR的地址其实就是PCI总线域的地址,CPU访问的是存储器域的地址,CPU访问PCIe设备时,需要把PCI总线域地址转换成存储器域的地址)。

6. PCIe 设备地址映射

概念补充:

1. 系统是如何检测PCIe设备的存在?

        当PCIe设备被插入主板上的PCIe插槽时,主板的BIOS会扫描系统中的硬件,并通过PCIe总线来探测新插入的设备。BIOS会向设备发送一系列的命令,例如读取设备的ID号、配置信息等。如果设备能够正确地响应这些命令并返回正确的信息,则说明设备已成功连接到系统中。

2. non-prefetchable和prefetchable的区别?

Non-prefetchable和Prefetchable是PCI总线的术语。PCI总线包括多个设备和主机之间的通信。以下是它们的区别:

  1. Non-prefetchable: 指的是设备可以访问的存储区域,但是不能预取数据。这种存储区域的访问速度通常比Prefetchable存储区域稍慢。

  2. Prefetchable: 指的是设备可以访问和预取数据的存储区域。这种存储区域的访问速度通常比Non-prefetchable存储区域稍快。

总的来说,Prefetchable存储区域比Non-prefetchable存储区域更适合用于大数据传输。而且,如果设备能够预取,它可以在主机需要数据之前将数据缓存起来,提高系统性能。

        对于PCIe设备,系统软件分配映射空间的步骤如下:

  1. 上电时,系统软件首先会读取PCIe设备的BAR0,得到数据BAR0初始化出厂数据;
  2. 然后系统软件往该BAR0写入全1,BAR寄存器有些bit是只读的,是PCIe设备出厂前就固化好的bit,写全1进去,如果值保持不变,就说明这些bit是厂家固化好的,这些固化好的bit提供了这块内部空间的一些信息。
  3. 如果低12位没变,表明该设备空间大小是4KB(2的12次方字节),其中低4bit表明了该存储空间的属性(IO映射还是内存映射?32bit地址还是64bit地址?能否预取?)

 

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/625002.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

在Windows 11 中安装和使用 WSL 2

文章目录 列出可安装的发行版/分发安装WSL 2常用命令显示帮助启动分发从powershell中退出分发关闭正在运行的分发立即终止所有正在运行的分发和 WSL 2轻型虚拟机。更新wsl 使用VSCode连接WSL设置代理换源WSL 与 Windows 11 共享文件导入、导出 WSL 发行版导出导入 安装Docker E…

Nacos架构与原理 - 总体架构

文章目录 Nacos 起源Nacos 定位Nacos 优势Nacos 生态Nacos 总体设计设计原则架构图用户层业务层内核层插件 小结 Nacos 起源 Nacos 在阿里巴巴起源于 2008 年五彩石项目(完成微服务拆分和业务中台建设),成长于十年双十⼀的洪峰考验&#xff…

【大数据之路1】Hadoop 入门

1. Hadoop 入门 1. 大数据概述1. 大数据相关说明2. Hadoop 及大数据生态圈3. Hadoop 核心组件4. Hadoop 生态圈5. 集群安装模式6. Hadoop 运行模式7. Hadoop 工作流程8. Hadoop 的推行策略9. 知识点 2. Hadoop 启动与服务名1. Hadoop(HDFS/YARN)启动2. H…

区间预测 | MATLAB实现基于QRCNN-BiGRU卷积双向门控循环单元多变量时间序列区间预测

区间预测 | MATLAB实现基于QRCNN-BiGRU卷积双向门控循环单元多变量时间序列区间预测 目录 区间预测 | MATLAB实现基于QRCNN-BiGRU卷积双向门控循环单元多变量时间序列区间预测效果一览基本介绍模型描述程序设计参考资料 效果一览 基本介绍 1.Matlab实现基于QRCNN-BiGRU卷积神经…

数据结构4:二叉树

目录 1.树概念及结构 1.1树的概念 1.3树的表示 1.4树在实际中的运用(表示文件系统的目录结构) 2.二叉树的概念及结构 2.1概念 2.2现实中的二叉树: 2.3特殊的二叉树: 2.4 二叉树的性质 2.5二叉树的存储结构 1.顺序结构 …

如何用 10 种策略改进 ChatGPT 的人工智能

你是否曾有过和AI机器人交互无果的经历?或许只是因为提示语的问题!想要ChatGPT/Bard/Bing Chat等AI机器人更智能、回应更高效? 必须学会AI提示语技巧!本文将深入解析如何用精准的语言编写提示,让您的AI聊天机器人更进一步。 为什…

从买卖股票入手谈谈DP Table

动态规划问题主要就是要明确dp函数定义、搞清楚状态以及状态转移方程 构建DP思路解析 状态 188. 买卖股票的最佳时机 IV - 力扣(LeetCode) 对于股票,我们每天有三种选择 > buy, sell, hold 限制条件有 > 天数限制(n&…

Java关键字abstract详解

abstract 1.可以用来修饰:类、方法 2.具体的: abstract修饰类:抽象类 抽象类不能实例化 抽象类中一定有构造器,便于子类实例化时调用(涉及:子类对象实例化的全过程)。 开发中,都会提…

(转载)基于蚁群算法的旅行商问题(TSP)求解(matlab实现)

蚁群算法(ant colony algorithm,ACA)是由意大利学者M.Dorigo等人于20世纪90年代初提出的一种新的模拟进化算法,其真实地模拟了自然界蚂蚁群体的觅食行为。M.Dorigo等人将其用于解决旅行商问题(traveling salesman problem,TSP),并取得了较好的实验结果。 近年来&am…

论文精读 —— Invisible Backdoor Attack with Sample-Specific Triggers

文章目录 带有样本特定触发器的隐形后门攻击论文信息论文贡献理解性翻译摘要1. 引言2. 相关工作2.1. 后门攻击2.2. 后门防御 3. 深入了解现有防御4. 样本特定的后门攻击(SSBA)4.1. 威胁模型4.2. 提出的攻击如何生成样本特定的触发器样本特定的后门攻击流…

linux学习之top命令详解

参考文章 https://blog.csdn.net/langzi6/article/details/124805024 top ​ 第一行:运行时长,负载 top - 10:04:54 up 474 days, 22:16, 2 users, load average: 2.07, 1.60, 0.94 top - 10:04:54:当前时间。 up 474 days, 22:16&#…

redis与分布式锁浅谈

redis与分布式锁浅谈 1.高并发下缓存失效问题 1.1 缓存穿透: 缓存穿透:指查询一个一定不存在的数据,由于缓存是不命中,将去查询数据库,但是数据库也无此记录,我们没有将这次查询的null写入缓存&#xff0…

windows禁用输入法

Rime 呼出菜单的快捷键 ctrl grave 跟 vs code 呼出底部命令行的快捷键冲突了,每次用 vs code 时都会用 ctrl space 将输入法禁用,让它变成一个圈叉: 由 [1],这个快捷键是 windows 系统禁用输入法的快捷键,在 Setti…

实战干货——教你用Fiddler捕获HTTPS请求

目录 安装Fiddler 配置Fiddler 配置手机 iOS机安装证书 安全思考? 总结: 安装Fiddler 这里不特别说明了,网上搜索一大把,根据安装引导一步步安装即可。(这里采用的是fiddler v4.6) fiddler抓包视频教…

深入理解Linux虚拟内存管理(六)

系列文章目录 Linux 内核设计与实现 深入理解 Linux 内核(一) 深入理解 Linux 内核(二) Linux 设备驱动程序(一) Linux 设备驱动程序(二) Linux 设备驱动程序(三&#xf…

奇安信应急响应-Windows

处置思路方法和Linux是一致的, 系统命令, 有一些整蛊的就会锁定你,不让你用鼠标点击,就通过命令其打开就好 findstr命令跟linux一样查找关键字,图中就是hello关键字,然后.txt的文件, 我们可以…

(1)HTTP与RPC区别

定义 HTTP接口使用基于HTTP协议的URL传参调用RPC接口则基于远程过程调用 http是一种协议 ,rpc是一种方法 RPC RPC服务基本架构包含了四个核心的组件,分别是Client、Server、Clent Stub以及Server Stub。 Client (客户端)&am…

【数据可视化】2D/3D动画

## 2D动画 - transform ◼ CSS3 transform属性允许你旋转,缩放,倾斜或平移给定元素。 ◼ Transform是形变的意思(通常也叫变换),transformer就是变形金刚 ◼ 常见的函数transform function有: ---- 平移:translate(x, y) ---- 缩放:scale…

600万用户在用,中国版Access上市,Excel和WPS用户直呼:太棒了

中国版的Access到底有没有? 大家都知道微软的Access功能很强大,作为office里的一款数据库软件,不仅能帮助我们进行数据的分析和处理,而且再深入一点,还可以用VBA实现一些高级的用法。不仅国外有很多用户,就…

【C++】deque的用法

目录 一、容器适配器二、deque的介绍三、deque的使用及缺陷1、deque的构造函数2、deque的元素访问接口3、deque的 iterator的使用4、deque的增删查改4、deque的缺陷5、为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器 一、容器适配器 在了解deque前,我们先讲一讲什…