PCIe傳輸速率和有效帶寬計算方式

2021-12-21 線纜行業朋友分享圈

受委託讓我整理一個關於PCIe的主題分享文章,半月有餘實在沒辦法交差,首先,我自己本身,對PCIe並沒有做到胸有成竹,我的PCIe知識也只是停留在理論階段,我並沒有實際做過任何有關PCIe的東西;其次,我要把PCIe講得深入淺出,讓讀者輕易接受,我覺得很難,根本原因就是我還沒有做到胸有PCIe;我們平臺很多粉絲都是PCIe生產商或者高手,班門弄斧,我深感壓力。但儘管如此,我還是決定出發,我自己努力學習,盡我最大能力把我理解的關於PCIe東西分享給大家,也希望各位幫忙指點一二。

PCIe最初被稱為HSI(用於高速互連),並在最終確定其PCI-SIG名稱PCI Express之前,將其名稱更改為3GIO(第三代I / O)。名為阿拉帕霍工作組(AWG)的技術工作組制定了該標準。對於初稿,特設工作組只包括英特爾工程師; 隨後特設工作組擴大到包括行業夥伴。PCI Express是一項不斷發展和完善的技術.

「速度得用金錢來換,因此我們在邁向更高信號速率的同時,會看到有多少人願意為此付出代價,以及他們會怎麼做。」好消息是,PCIe將按照時程在年底完成0.71版的批准,將提供高達256GB/s 的速率;這距離16 GT/s速率的4.0版PCIe問世還不到兩年。加速PCIe發展藍圖的主要推手是雲端運算需求;而PCIe以往是每3~4年,甚至是7年會將數據傳輸速率提升一倍。數據中心網絡需要更快的速度以過渡至800Gbit乙太網絡,而數量越來越龐大的深度學習加速器,也感覺它們需要更高速度.

PCIe是串行總線,PCIe1.0的線上比特傳輸速率為2.5Gb/s,物理層使用8/10編碼,即8比特的數據,實際在物理線路上是需要傳輸10比特的,因此:

PCIe1.0 x 1的帶寬=(2.5Gb/s )/ 10bit =250MB/s

這是單條Lane的帶寬,有幾條Lane,那麼整個帶寬就是250MB乘以Lane的數目。

PCIe2.0的線上比特傳輸速率在PCIe1.0的基礎上翻了一倍,為5Gb/s,物理層同樣使用8/10編碼,所以:

PCIe2.0 x 1的帶寬=(5Gb/s )/ 10bit = 500MB/s

同樣,有多少條Lane,帶寬就是500MB/s乘以Lane的數目。

PCIe3.0的線上比特傳輸速率沒有在PCIe2.0的基礎上翻倍,不是10Gb/s,而是8Gb/s,但物理層使用的是128/130編碼進行數據傳輸,所以:

PCIe3.0 x 1的帶寬=(8Gb/s)/ 8bit = 1GB/s

同樣,有多少條Lane,帶寬就是1GB/s乘以Lane的數目。

由於採用了128/130編碼,128比特的數據,只額外增加了2bit的開銷,有效數據傳輸比率增大,雖然線上比特傳輸率沒有翻倍,但有效數據帶寬還是在PCIe2.0的基礎上做到翻倍。

這裡值得一提的是,上面算出的數據帶寬已經考慮到8/10或者128/130編碼,因此,大家在算帶寬的時候,沒有必要再考慮線上編碼的問題了。

和SATA單通道不同,PCIe連接可以通過增加通道數擴展帶寬,彈性十足。通道數越多,速度越快。不過,通道數越多,成本越高,佔用更多空間,還有就是更耗電。因此,使用多少通道,應該在性能和其他因素之間進行一個綜合考慮。

PCIe是從PCI發展過來的,PCIe的」e」是express的簡稱,快的意思。PCIe怎麼就能比PCI快呢,因為PCIe在物理傳輸上,跟PCI有著本質的區別。PCI使用並口傳輸數據,而PCIe使用的是串口傳輸。PCI並行總線,單個時鐘周期可以傳輸32bit或者64bit,怎麼就比不了你單個時鐘周期傳輸1個bit數據的串行總線呢。在實際時鐘頻率比較低的情況下,並口因為可以同時傳輸若干比特,速率確實比串口快。隨著技術的發展,數據傳輸速率要求越來越快,要求時鐘頻率也越來越快,但是,並行總線時鐘頻率不是想快就能快的。如下圖所示:

在發送端,數據在某個時鐘沿傳出去(左邊時鐘第一個上升沿),在接收端,數據在下個時鐘沿(右邊時鐘第二個上升沿)接收。因此,要在接收端能正確採集到數據,要求時鐘的周期必須大於數據傳輸的時間(從發送端到接收端)。受限於數據傳輸時間(該時間還隨著數據線長度的增加而增加),因此時鐘頻率不能做得太高。另外,時鐘信號在線上傳輸的時候,也會存在相位偏移(clock skew ),影響接收端的數據採集。

PCIe使用串行總線進行數據傳輸就沒有這些問題。它沒有外部時鐘信號,它的時鐘信息通過8/10編碼或者128/130編碼嵌入在數據流,接收端可以從數據流裡面恢復時鐘信息,因此,它不受數據在線上傳輸時間的限制,你導線多長都沒有問題,你數據傳輸頻率多快也沒有問題;沒有外部時鐘信號,自然就沒有所謂的clock skew問題.

PCIe為串行,通過使用差分信號傳輸(differential transmission),信號完整性理論之差分訊號;採用雙通道技術,在傳輸模式上,PCI-Express採用與全雙工通信技術類似的雙通道傳輸模式,在速度方面,PCI-Express v1.0a 為每個通道提供了2.5Gb/s的傳輸速率,隨著版本的不同,面向PCI Express擴展卡應用的線纜組件可提供PCIe X4、X8和X16等規格,該系列線纜組件包含MiniSAS、SATA、QSFP +和SPF +等高速線纜。PCIE物理層實現了一對收發差分對,可以實現全雙工的通訊方式,目前主要的PCIE結構主要是SAS結構,線材選用CAT A ,B,C ,D,E結構,根據測試的參數要求,設計符合不同規範的參數。

PCIe Spec只是規定了物理層需要實現的功能、性能與參數等,置於如何實現這些卻並沒有明確的說明。也就是說,廠商可以根據自己的需要和實際情況,來設計PCIe的物理層結構來保證功能即可!

新雅電線電纜(深圳)有限公司

新雅電線電纜(深圳)有限公司生產的PCIE 延長線X16 3.0,主板改裝PCIE設備,加厚金手指,電鍍沉金5U工藝,反覆插拔耐磨損,信號傳導更穩定,時間長久耐氧化。排線絕緣材質採用吸波材料,強效抗幹擾,專利技術,插座採用標準108mm固定孔間距,統一國際標準;採用聯茂TG180高強度板材,優化信號傳導,低阻抗,耐高溫。

較薄排線,厚度1.4mm,採用德國專利顆粒材料,第三代EMI屏蔽技術,每根線芯獨立排布,不懼幹擾,不懼損耗,不懼彎折,採用高密度環氧板固定排線,穩定兼容N卡7系、9系、10系、20系、專業顯卡等等。

新雅公司於1996年5月份成立於中國深圳市,以計算器接口設備線纜的製造為基礎,逐步發展到工控設備線纜、拖鏈電纜、機器人用線、工業伺服線纜、汽車產品用線、醫療設備用線、光電混合高頻電纜等產品的研發與製造。至今前後獲得了UL、CSA、CCC、PSE、IEC等安規認證,以及HDMI、USB、LAN CABLE、NMEA2000等產品認證以及ISO9001、IATF16949質量體系認證、TUV機器人線材及實驗室認證。

公司不斷發展壯大,所提供的產品銷往中國大陸、歐美、日本及東南亞等地。新雅公司與諸多知名品牌有長期穩定的合作關係,為華為、立訊、比亞迪、三菱,東風本田等企業,提供各類優質的線纜產品。

新雅公司以專業的技術、優秀的質量為依託;以精確的實驗、精密的檢測為保障。多年來本著同心協力、研究發展、永續經營、客戶至上的經營理念,憑藉優良的產品,完善的服務,良好的口碑,服務於客戶。以客戶為中心,持續改進,向客戶提供滿意的產品和優質的服務,是全體新雅同仁對所有客戶朋友的承諾。

我們以五星的業務團隊、資深的研發人員、匠心的生產隊伍、優秀的質量部門、快捷的物流系統,以及感恩的心,珍惜為您每一次服務的機會。


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