PCI-E成瓶颈？谁阻挠USB3和SATA3普及

    泡泡网主板频道12月15日 自电脑诞生起，就没有过停止升级的步伐。普通消费者看到的只是CPU换成了什么，从P3、P4到现在的酷睿i7，内存从128MB、512M到现在的12GB。而内行看到是主板上的深刻变化，以上的改变，都与主板接口革新有关。

    主板motherboard，可以说是电脑系统中最为基础最关键的设备。CPU和GPU无论多重要，都离不开主板的支持。电脑配件升级的目的是提高性能，减低功耗，即性能功耗比不断提高。CPU、GPU、内存都是发挥性能的配件，而主板是将这些配件协调好的必经之路。

    从产品层面上讲，好主板的标准是结实耐用、bug尽可能地少。而从主板的设计自身而言，将如此众多的设备连接起来无瓶颈才是最重要的。那么，我们现在常见的主板是否有瓶颈呢？

● PCI总线何时被彻底取代？

    主板的主要作用是协调各配件的运作，无瓶颈是最基本的要求。这是主板接口不断更新的真实原因。从早期的ISA，到后来的PCI，以及特为显卡的设计的AGP无不是因此而诞生。

即便是非常先进的X58，还保留对PCI的支持

    我们首先回顾下主板接口的早期时代，并行接口。现今PCI-E一统江湖之前，应用最广泛的是诞生于1992年的PCI(Peripheral Component Interconnect)总线，即使是现在，一些设备仍旧在PCI上发挥余温，而主板厂商也因为PCI设备的数量种类众多，而迟迟不把其从主板上彻底拿掉。

这种彻底的革新几乎不可见

    PCI设备设备优点就是兼容性高，即插即用。这就是一些周边设备迟迟不更新至PCI-E，一直坚守PCI阵地的根本原因。PCI仅有的133MB/s峰值带宽，应付高吞吐量的显卡，存储SAS卡，甚至千兆网卡都十分吃劲。虽然衍生出PCI-X增强数据吞吐量，但与PCI-E 1x就具有的250MB/s相比，差距甚远，被淘汰也是必然。

    但是，以声卡、电视卡为代表的功能扩展卡不需要太高的带宽，因此PCI经过10几年依然没有被淘汰，也是情有可原的。在PCI总线基础上诞生的AGP都已经被取代，PCI依然坚挺，可见只有当设备对带宽提出更高要求时，才会加速更新换代，目前只有显卡和阵列卡需要高带宽，今后则会有更多的设备抛弃PCI。

● 除了显卡，PCI-E何时才能真正普及

    时间进入2002年，随着显卡带宽需求的进一步加大。原来为显卡专用设计的AGP8X不堪重负。况且AGP是专为显卡设计，如果为每种设备都设计单独接口，绝非权宜之计。有鉴于此，在PCI、AGP、CSA（网卡专用）多种总线并存的情况下，第三代输入输出总线发布，即PCI-E。

    PCI-E相比之前接口的优势明显，首先它的出现结束了主板接口五代十国的情况（PCI、AGP、CSA），统一了总线标准，即所有设备均可通过PCI-E进行连接，这样简化主板设计上不必要的麻烦。此外，PCIE沿用了PCI总线的原理，但最大的革新是抛弃了并行共享总线，使用了更先进的串行点对点设计，可以大幅提高总线带宽和效率。

    PCI-E的另外一大特点，就是升级相对容易，接口内部定义不必进行大的改动，通过提升频率即可大幅提升有效带宽。PCI-E2.0相对PCI-E，主要就是频率的提高，进而提高带宽。此外，针对PCI-E实际应用中出现的问题，PCI-E也进行了小修改，比如动态链接功能，可以动态调整总线速度，达到节能的作用。

支持PCI-E 2.0的话，X8就能当作X16用，X4也能当作X8用，性能损失很小

    其实对于显卡来说，PCI-E 2.0翻倍的带宽并没有带来多少性能提升，业界之所以着急升级到2.0标准，主要是考虑到多显卡互联的需要，因为目前的情况是提升PCI-E的工作频率远比增加芯片组的PCI-E通道数来得容易。

● USB3.0和SATA3.0标准出台，需要PCI-E 2.0的支持

    今年最热门的技术就是USB3.0和SATA3.0标准的出台，但遗憾的是目前没有任何一款芯片组能够支持这两项新潮的技术，尤其是Intel，作为SATA3.0和USB3.0标准的制定者和推动者之一，刚刚发布的P55芯片组居然不支持，这的确让人非常遗憾。

    两项技术的带宽需求都很高，而得益于PCI-E2.0已经普及开来，所以给主板厂商充分的空间，通过PCI-E通道使用第三方解决方案来支持USB3.0和SATA3.0。

    一线主板厂商都选择了SATA3.0控制芯片Marvell 88SE9134和USB3.0控制芯片NEC D720200F1来提供额外的接口，这两颗芯片都是基于PCI-E 2.0 X1总线，这样500MB/s的带宽刚好可以满足USB3.0的500MB/s理论值，勉强满足SATA3.0 600MB/s的带宽。

    当如果芯片组仅支持PCI-E 1.1的话，那么SATA3.0的带宽将仅为250MB/s，还不如主板自带的SATA2.0快，USB3.0的速度也将大打折扣。因此随着USB3.0和SATA3.0标准的出台，芯片组不支持PCI-E 2.0是绝对不行的！

●AMD最新7系列芯片组！全部支持PCI-E 2.0

    AMD的CPU虽然整体性能不如Intel，但芯片组和显卡（整合显卡）都做的有声有色，就拿7系列芯片组来说，北桥除了提供显卡使用了一条或者两条PCI-E 2.0 X16接口外，还预留了6条PCI-E 2.0 X1接口供扩展卡使用：

AMD 790FX芯片组架构图

AMD 790GX架构图

    790FX北桥共提供了38条PCI-E 2.0通道，32条供显卡使用（16+16或8+8+8+8模式），6条供扩展芯片或扩展卡使用。790GX北桥提供了22条PCIE2.0通道，16条供显卡使用（16或8+8模式），6条供扩展芯片或扩展卡使用。

    当主板厂商整合USB3.0和SATA3.0芯片，或者用户自行购买扩展卡时，由于这些PCIE都是2.0标准，所以完全不会有瓶颈。

● Intel南桥全面落伍，最新P55都仅支持PCI-E 1.1

    而Intel的做法与AMD不同，Intel的北桥仅为显卡提供PCI-E 2.0通道，扩展卡的PCI-E通道由南桥提供，目前Intel最新的ICH10R南桥能够提供6个PCI-E 1.1通道，数量虽然与AMD相同，但带宽差一倍。

Intel X58架构图

    X58作为目前最高端的芯片组，规格更加强大，除了ICH10R提供的6条PCIE 1.1通道外，X58北桥还能提供额外的4条PCIE 2.0通道供扩展卡使用，因此X58支持SATA3.0和USB3.0也不会有问题。但比X58更新的P55芯片组就没这么幸运了：

    注1：上图中Intel所标出的PCI-E总线是双向带宽值（上下行同时传输数据），可以看到，CPU中整合的PCI-E控制器带宽是P55芯片组的两倍。如果算单行带宽的话，P55的PCI-E X1只有250MB/s。

    注2：X58北桥支持PCI-E 2.0，AMD主流芯片组都支持PCI-E 2.0，这些主板可以直接整合SATA3.0和USB3.0控制芯片，性能不会有损失。

    注3：Core i7-800和i5处理器整合了原本属于北桥的所有功能（包括PCI-E 2.0），因此P55芯片组实际上就是一颗南桥，这颗“南桥”相比ICH9R/10R没有什么实质性的改进，Intel这些年也是不思进取。

    LGA1156接口的Core i7/i5已经整合了北桥的全部功能，处理器内建PCIE 2.0 X16供显卡使用，没有给扩展芯片预留多余的PCIE通道。而P55芯片组仅相当于一颗南桥，规格并不比ICH10R强多少。

● 转接卡必须插在PCIE2.0扩展槽上才能发挥全部效能

    像这样的SATA3.0或USB3.0扩展卡，接口都是PCIE 2.0 X1，必须要求主板支持PCIE2.0，否则速度直接减半。如果是AMD的7系列主板，那就没有任何问题，但如果是Intel主板的话，X58主板可以找2.0的接口插上，而P55及以下级别的主板就只有250MB/s的带宽了。

● 移花接木——使用CPU提供的PCI-E通道

    这种方法如果论效果的话确实是解决了目前P55-PCH和Marvell 88SE9134的窘境，但也是需要有特定环境的。

    这种方法的原理是利用两颗P13PCIE开关芯片把两颗Marvell 88SE9134链接到Lynnfield处理器所提供的两条PCI-E x8 2.0总线中的一条，这样虽然有效的解决了带宽问题，但前提是使用这款主板的用户不能在使用SATA 6Gbps的同时使用NVIDIA的SLI或者AMD的CrossFire技术，因为这样Lynnfield所能提供给显卡的带宽会变得不够用……

● 过河搭桥——通过桥接芯片将南桥PCI-E转换成2.0标准

    P55芯片组提供了8条PCI-E 1.1通道供附加芯片或扩展卡使用，多数情况下用户只能用到其中的两三条，多余的通道被闲置浪费掉了。其实如果把剩余的通道组合起来的话使用就能实现N倍的带宽。

    华硕就使用了一颗PLX公司产的PEX8613桥接芯片来将P55的PCI-E通道组合起来使用。这颗芯片看上去比较眼熟，与ATI HD4870X2显卡上用的PEX8647芯片比较相似。华硕所使用的PEX8613是低规格版，可以将4条PCI-E通道桥接成8条供两个设备使用：

    PEX8613芯片同时支持PCI-E 1.1和2.0标准，如果挂接在P55上面的话，虽然PCI-E仅为1.1标准，但4条依然可以达到1GB/s的带宽，刚好可以满足两个PCI-E 2.0 X1设备的需要——正好外挂一个USB3.0控制芯片和一个SATA3.0控制芯片。

    华硕的解决方案看似繁琐，理论上性能没有瓶颈，既不影响显卡性能、又不限制SATA3.0和USB3.0的带宽，还没有浪费P55芯片组的PCI-E资源，更不影响南桥扩展槽(还剩4个通道)，缺点是增加了额外成本——PEX8613芯片。

● PCI-E 2.0带宽提速的额外好处

    大家都知道，主板芯片组有通道数限制，不可能无限制增长。以X58为例，北桥提供了36条通道，而分给显卡使用的是32条，南桥上虽然有6条pci-e 1x可供使用，但这些PCI-E是1.1版本，而且南北桥间的采用DMI连接，所以性能上损失较大。

X58独立的PCI-E控制器提供了36条

    那么，在有限的通道数上，PCI-E如何能够尽可能多地发挥带宽的优势呢？我们以对接口带宽需求最旺盛的显卡为例给大家讲解：

    根据我们之前的测试测试，得出的结论是：老旧的PCI-E 1.1接口，16X实际上和PCI-E 2.0 8X接口的带宽是相同的，理论上可以满足显卡的需求。而8X的接口大小相对16x来说是一半大小，这样算下来的话，PCI-E2.0与PCI-E1.0所提供的带宽一致的情况下，占用的带宽PCI-E2.0仅是PCI-E1.0一半。这样的，在有限的通道数限制下，PCI-E2.0节约通道数，并能插上更多的设备。

更多的插槽可以组建多GPU的超级计算机

    总结：PCI-E为高带宽设备而生，从PCI到PCI-E 1X，133-250MB/s，带宽增加了一倍，从AGP 8x到PCI-E X16，带宽翻了四倍。而PCIE 2.0带宽再次翻倍，且每通道通过的带宽流量更大。■<