月初結束的Computex期間，支持PCIe 4.0標準的產品相繼問世，包括各大廠商推出的使用群聯PS5016-E16主控的PCIe 4.0 SSD，以及AMD全新Ryzen 3000系列處理器和X570晶片組，各大板卡廠商也紛紛公布X570主板。PCIe 4.0是消費級產品中最新的PCIe標準，相較於現在主流的PCIe 3.0帶寬翻倍，×16雙向帶寬可達到約64GB/s。
如上，AMD發布了支持PCIe 4.0的全系新品，PCIe 5.0規範也已制定完成，打算攢（cuán）機的小夥伴可能比較關注此類報導，也對PCIe有所了解。但PCIe的標準、迭代、帶寬、速率、通道數等規格往往很容易搞混，今天咱們來捋一捋PCIe。
本文篇幅較長，內容大致分為以下幾部分;
PCIe標準的概念及總線標準回顧
PCIe主流物理接口
PCIe傳輸速率
PCIe物理接口與傳輸速率的對應關係
兼容性
PCIe通道在CPU和主板上的分配
一、PCIe標準的概念及總線標準回顧
1、PCIe和總線
PCIe全稱Peripheral Component Interconnect Express，意為「高速串行計算機擴展總線標準」。顧名思義，PCIe是一種總線標準，所以我們要先了解一下什麼是總線。
總線（Bus）是計算機組件之間傳送信息的公共通信幹線，以一種通用的方式為各組件提供數據傳送和控制邏輯。命名為「Bus」是因為總線就像公共汽車一樣，在主板上按照既定路線來回不停地搬運著數據，數據的最小單位為比特（bit）。我們可以簡單理解為固定的通用數據傳輸線路。
▲藍色通道即為總線
PCIe就是一種總線標準，規定了總線的控制方式、傳輸協議、編碼方式、硬體接口、規格、帶寬和速率等，主要用於CPU、主板（晶片組/南橋/PCH）、擴展設備之間的數據傳輸。
（註：下文中和總線相關的部分，不再區分主板、晶片組、南橋、PCH）
PCIe是用以取代PCI總線標準而建立的，既然談到了PCI標準，我們就簡單回顧一下總線標準的主要發展歷史。
2、ISA
總線的概念最早來自IBM 1981年在PC/XT電腦上使用的系統總線，後被重命名為ISA總線，全稱「Industry Standard Architecture」，工業標準體系結構總線。之後8位的ISA被稱為XT標準，16位的ISA被稱為AT標準；AT標準工作頻率為8MHz，最大傳輸速率為16MB/s。
▲ISA插槽
圖自ExplainingComputers
3、MCA
1987年IBM打算用MCA總線取代ISA，MCA全稱「Micro Channel Architecture」，意為微通道體系架構體系，為32位，不兼容ISA。雖最終未獲得市場認可，但開創了擴展設備「即插即用」的先河，直接啟發了後來的PCI標準。
4、EISA
1988年EISA發布，稱為「擴展工業標準結構」，Enchanted-ISA。將AT標準擴展到32位，工作頻率為約8.33MHz，最大帶寬約為33MB/s。
▲EISA擴展卡
圖自Wikipedia
5、VLB
1992年，視頻電子標準協會（VESA）推出了VESA總線標準，作為ISA的擴充標準，32位。由於這是針對視頻傳輸的局部/本地總線（Local Bus），常被稱為VLB。
▲VLB插槽（棕色插槽+黑色插槽）
圖自Wikipedia
▲VLB擴展卡
圖自Wikipedia
6、PCI
PCI標準同樣誕生於1992年，全稱「Peripheral Component Interconnect」，意為外設部件互連標準。最早由英特爾發布PCI 1.0標準，後由PCI-SIG（外圍部件互連專業組）接管，於次年發布PCI 2.0標準規範。
PCI由ISA發展而來，同樣為一種並行總線標準。PCI2.0標準的數據位寬為64位，工作頻率為33MHz，傳輸速率可達264MB/s。
7、AGP
AGP全稱Accelerated Graphics Port，加速圖形埠，AGP 1.0發布於1996年，基於PCI標準發展來的針對圖形加速卡的高速埠（Port）。AGP為點對點傳輸通道，僅供顯卡使用。
AGP採用32位傳輸，規格分為1×、2×、4×、Pro、8×等，最高傳輸速率可超過2GB/s達到2133MB/s。由於代際之間工作電壓不同，隔代互不兼容。
▲同時搭載ISA、PCI和AGP插槽的主板
圖自ExplainingComputers
8、PCI-X
1998年發布的PCI-X標準是PCI的改進版本，總線寬度為64位，通過增加針腳數量來提高帶寬，支持共享帶寬，PCI-X 2.0最高傳輸速率可達4.2GB/s，仍為並行傳輸。
▲PCI-X擴展卡
圖自Wikipedia
9、PCIe
時間來到2001年，英特爾公布用以取代PCI和AGP標準的新一代總線標準，命名為「3GIO（3rd Generation I/O）」，後改名為「PCI Express」，簡稱「PCIe」或「PCI-E」，於2003年正式推出。
（註：下文用「PCIe」表述。）
和上述所有標準不同，PCIe標準採用串行傳輸。所謂並行傳輸，指同一時刻傳輸超過一個bit，串行傳輸指同一時刻僅傳輸一個bit。乍看下可能有些違反常識，為何摒棄看起來更快的並行傳輸而採用串行傳輸？
是這樣的，在數據通道工作頻率普遍不高的時代，並行傳輸的效率高於同頻率的串行傳輸；但隨著傳輸通道工作頻率的不斷提升、位寬的不斷增加，並行傳輸物理接口就要做得越來越大，也更難以消除通道間的相互影響。這時物理接口可以做到比較小、可以將工作頻率提上更高的串行傳輸自然就「上位」了。
PCIe是目前最主流的總線標準，除了顯卡，音效卡、網卡、USB/SSD擴展卡等均可通過PCIe完成計算機的內部高速通信。如今市面上的中高端主板幾乎所有擴展接口均為PCIe接口，中低端主板上也逐漸難覓PCI接口。
二、PCIe主流物理接口
1、物理接口
先來看一下PCIe的物理接口長什麼樣。
從PCIe 1.0開始，其規格就分為×1、×2、×4、×8、×12、×16、×32。其中×2僅作為內部規格沒有對應的插槽（Slot），×12、×32規格的接口極為罕見不會出現在消費級產品上，所以主流PCIe插槽有×1、×4、×8、×16四種，最常見為×1和×16，至於×4和×8去哪了下文會提到。Mini PCIe（×2）接口現主要出現在筆記本產品上，且一般被無線網卡佔用，此處不談。
▲常見PCIe插槽
▲對應擴展卡針腳
▲PCIe×16顯卡
▲PCIe×32插槽
2、規格
PCIe接口分為供電和數據兩部分，無論哪種規格的接口供電針腳（Pin）數量均為22個，最高可提供75W的電力。此外，×1、×4、×8、×16全長分別為25mm、39mm、56mm、89mm，數據區針腳數量分別為14、42、76、142個。
三、PCIe傳輸速率
之前我們提到過，PCIe中的「e」為Express，在此表「快速」之意，所以傳輸速度上相較於PCI優勢明顯，這也正是其能取代PCI標準的重要因素之一。
PCIe標準中，用以傳輸數據的線路稱為「通道（Lane）」，×1表示接口有一條PCIe通道，×4表示有4條，以此類推；每條通道速率相等，可以疊加。
這張表列出了PCIe標準不同代際和規格的速率，表達的信息比較多，有些概念理解起來會比較繞，我們一項一項來看，小編儘量表達清楚。
▲PCIe標準速率
GT/s是用以描述物理層通信協議速率的單位，意為Giga Transmission per second（千兆傳輸/秒），指每秒完成多少次數據傳輸，與Gbps（Gb/s）並沒有直接對應的換算關係，需要根據具體的物理層通信協議判斷。
（註：下文不對「Gbps」「Gb/s」作區分。）
套用在PCIe標準上，因為採用串行傳輸，所以PCIe 1.0單條通道的數據傳輸速率為2.5Gb/s。即為，每秒雙向最多可傳輸「2.5G（2.5×十億）」個bit。
之所以加這麼多定語，是因為這個2.5Gb/s並不是我們真正能用到的速率，也就是說我們的設備跑不到這麼高的速率。PCIe標準採用的編碼方式需要在數據前後各佔用一個bit用以識別開始和終止。PCIe 2.0及之前的版本採用8 bit/10 bit的編碼方式，即傳輸8 bit的（有意義的）數據，需要佔用10 bit的傳輸量。編碼方式造成的損耗稱為編碼損耗，PCIe 2.0及之前的編碼損耗率為20%，現在主流的PCIe 3.0及之後的版本採用128 bit/130 bit的編碼方式，損耗率約為1.5%，幾乎可以忽略不計。
了解了編碼損耗之後，下面兩項指標就容易理解了，仍以PCIe 1.0為例：
2.5GT/s根據串行傳輸的特性換算成2.5Gb/s，算上編碼損耗，即為可用的數據傳輸帶寬：
2.5GT/s × 1b/T × 8b/10b = 2Gb/s
2Gb/s ÷ 8b/B × 1000M/G = 250MB/s
（註：G=10∧9、M=10∧6）
用第一列數據算上編碼損耗，除以10再將單位換位MB/s也是同樣的結果。
用單條速率計算即可：
2Gb/s ÷ 8b/B × 16 × 2 = 8GB/s
或
250MB/s ÷ 1000M/G × 16 × 2 = 8GB/s
表中「~」表示大約，實際略小於表中數據，因編碼損耗很小沒有計入。
下表中詳細展示了PCIe各版本各規格的單向帶寬/速率。
▲PCIe標準速率
大家可能都注意到，新版本帶寬翻倍是PCIe的優良傳統。
▲總線帶寬發展史
總結一下，打個比方，每個bit的數據是一輛小車，PCIe總線是車道，每條Lane是一條雙向車道，PCIe版本規定了速度上限，由此就很好理解了，不考慮編碼損耗的情況下，車道越多，允許的車速越快，通過的數據自然也就越多。
四、PCIe物理接口與傳輸速率的對應關係
判斷接口的速率
看完物理接口和速率，再來看一下他們之間的對應關係。
了解了上述內容，很容易就可以想到，同一版本/代際內，對於插槽：
速率越快，則針腳越多；
針腳越多，則插槽越長；
速率越快，則插槽越長。
對於設備：
對嗎？對。
為什麼還要單拎出來？因為對於插槽來說，逆命題不全成立，所以提一下。
對於擴展設備來講，命題成立，反之亦然。
對於主板上的插槽來講，有一點要注意，插槽長並不代表針腳多、速率快。
舉個例子，下圖是一張MSI MEG Z390 Godlike，主板上的PCIe插槽包括一個×1長度插槽和四個×16長度插槽，我們之前已經了解到，×16表示有16條PCIe通道，那個這五個PCIe插槽是否有65條通道？
▲MSI MEG Z390 Godlike
其實並沒有，事實很殘酷，遠遠沒有，物理上講只有33（16+4+1+8+4）條，可以同時使用的更少，最多21（16+4+1）條。
如何判斷插槽速率呢，最簡單的就是看說明書，說明書上會註明每個插槽的速率。
▲MSI MEG Z390 Godlike說明書中PCIe插槽及速率部分
PCH可以理解為南橋/晶片組，下同
我們還可以這樣判斷，主流平臺（Z系列主板及以下，下同）上：
首先，任何×1長度插槽內只有一條通道；
其次，×16長度插槽按照與CPU的距離，離CPU最近的×16長度插槽內，針腳一定是滿的，即有16條通道，且是直連CPU的（下文會講到）。
再次，次遠的×16長度插槽中最多有一半的針腳，即為×8速率，8條通道，高端主板可直連CPU；
再次，再遠的×16長度插槽中一般為×4速率，4條通道，最多8條，高端主板可直連CPU；
最後，最遠的×16長度插槽中一般為×4或×8速率，連接到晶片組；
其他稍低端主板沒有這麼多×16長度插槽，但判斷依據和順序是一致的。
還有一些方法可以快速判斷插槽的速率，我們知道針腳的數量和速率的快慢是對應的，那麼大部分主板只要看背面的針腳數量，就可以準確判斷通道數和速率了。
▲從主板背部的針腳可以判斷PCIe插槽速率
對於背部有金屬蓋板的主板，仔細觀察插槽，也可以看到針腳的多少。
▲主板背部覆蓋「裝甲」
▲可以觀察到針腳的數量
至於分明只有×8或×4的速率，為何要做成×16長度的插槽，第一是為了好看，清一色的×16長度插槽確實比參差不齊的×8/×4要好看；第二就是下面我們要提到的兼容性。結合這兩點也可以填上之前的坑，×8/×4長度插槽未能成為主流的原因正是可以通過閹割×16插槽針腳的方式實現，保留×16插槽的長度也可以實現更好的兼容性。
五、兼容性
PCIe標準自面世以來，已經有四代應用於消費級產品，最新的PCIe 5.0規範也已制定完畢，雖然有眾多不同的版本和規格，但PCIe標準的兼容性是極好的。
總結來講，PCIe各版本各規格相互兼容，取最低版本最低規格的速率。
比如：
PCIe 3.0的卡插在4.0的槽中可以正常工作在3.0的速率下；
PCIe 4.0的卡插在3.0的槽中可以正常工作在3.0的速率下；
×1的卡插在×16的插槽中可以正常工作在×1的速率下；
×16的卡插在×1的插槽中可以正常工作在×1的速率下；
以此類推。
大家對上面幾個例子可能有些困擾，前三例比較好理解，最後一例長卡如何插入短槽中呢？
有些PCIe卡槽尾端不封閉，稱為「Open-ended Slot」，較高規格的卡便可以插入到較短的插槽中了。
來看具體的例子：
ROG MAXIMUS XI HERO（WiFi）這款主板帶有三個×1長度插槽，全部都是尾端不封閉的插槽，以此來增強兼容性的好處就是，個別情況下PCIe插槽數量不夠時，可以在短槽內插入長卡，當然只能跑在較低的速率上。
▲開放式埠
總結來講，PCIe標準的兼容性極好，幾乎各版本各規格都可以相互兼容，通道不夠時有多少用多少，通道富餘時用多少取多少。
另外提一嘴，PCIe標準允許通過物理方式（貼膠帶等）屏蔽高速率擴展卡的針腳，以此來降低速率，當然只有在某些測試時才會用到……
六、PCIe通道在CPU和主板上的分配
1、通道數
上文在講到如何判斷接口和速率時，有提到通道/總線的數量以及是否直連CPU的問題，拎出來單講是因為明白這一點，對於選擇CPU、主板、顯卡/SSD等擴展設備的搭配十分重要。
在英特爾和AMD平臺上，可供我們用來擴展設備的總線都由兩部分組成，分別由CPU和晶片組提供。
這裡以英特爾平臺為例，主流平臺上：
三代以來，CPU最多提供16條PCIe 3.0通道，Z270及之後的晶片組最多提供24條PCIe 3.0通道，由晶片組擴展出的通道所傳輸的數據，最終也要交由CPU處理，所以晶片組與CPU之間也有一條總線用以通信，英特爾平臺稱之為DMI，本質上仍是PCIe通道，版本與晶片組一致，為×4帶寬，即通過晶片組擴展的所有設備速率總和上限為PCIe 3.0×4。
看個具體的例子，Intel Core i9 9900K + Z390的組合，CPU提供16條PCIe 3.0通道，晶片組提供24條PCIe 3.0通道，晶片組與CPU間通過DMI 3.0×4總線進行通信，速率相當於PCIe 3.0×4。
▲Intel Core i9 9900K最多提供16條PCIe 3.0通道
下圖中展示了英特爾平臺總線拓撲圖，從中可以直觀地看出，直連CPU的通道性能要好於連接到晶片組的通道，也可以看出晶片組提供的通道用途十分廣泛，包括SATA、USB、M.2在內的眾多接口均需要佔用PCIe通道，這就涉及到總線的拆分與合併，簡單來說就是，這些通道該怎麼分。
▲八代酷睿平臺總線
2、CPU總線的拆分和晶片組總線的合併
先來看比較好理解的總線合併，仍接上例，晶片組提供的24條PCIe通道均為×1速率，如有接口需要支持PCIe 3.0×4，如M.2硬碟插槽，則將24條×1通道中相鄰的4條合併，即可，×8的顯卡插槽、USB接口、SATA插槽等同理。
當然，PCIe通道在主板上是「稀缺資源」，對於一些提供豐富接口的主板來說，CPU和晶片組提供的PCIe通道都是不夠用的，經常需要不同接口共享帶寬，這時就需要根據需求設計方案，按需將通道分配給不同的接口，以及規定通道不夠時，哪些接口需要將通道讓給其他接口。實現這些功能的元器件稱為Switch，一般譯為開關或轉換器，就是下面的這些。
▲Switch
Switch的邏輯很簡單，對晶片組提供的通道，Switch決定將其併到哪個接口，對CPU提供的通道相反，Switch決定將其拆分到哪個插槽。
▲並非所有插槽都同時可用
文字為自變量，符號為因變量
接下來看CPU PCIe通道的拆分，首先需要說明的是，CPU總線拆分僅在英特爾的Z系列主板和AMD的X系列主板上受支持，英特爾的H系列和B系列主板以及AMD的A系列和B系列主板不支持，距離CPU最近的顯卡插槽獨顯×16的帶寬，即不支持顯卡SLI或CrossFire。以及，需要CPU支持，英特爾官網都查得到。
▲Intel Core i9 9900K支持的PCIe配置
英特爾主流CPU最多提供16條PCIe 3.0通道，我們上面提到過，默認情況下全都分給離CPU最近的×16顯卡插槽，但有些主板會提供三個甚至四個×16長度插槽，但CPU提供的PCIe通道只有16條，除去連接到晶片組的，只能拆分。
①MSI Z370 Gaming Pro Carbon
不同主板的拆分策略不同，以MSI Z370 Gaming Pro Carbon為例，主板有三個×16長度插槽，兩個PCIe通道直連CPU，最高速率分別為×16和×8，最後一個連接到晶片組，速率為×4。
▲MSI Z370 Gaming Pro Carbon
▲MSI Z370 Gaming Pro Carbon說明書中關於PCIe插槽速率和CPU總線拆分部分
當第一個插槽插卡，第二個插槽不插卡時，第一個插槽可提供×16的速率；
當第二個插槽插卡時，四顆Switch會將後面八條通道切換到第二個插槽，兩個插槽均提供×8速率。
②MSI MEG Z390 ACE
更高端一些的主板，會有更多×16長度插槽的通道直連CPU，玩法也更多，以MSI MEG Z390 ACE為例，主板有三個×16長度插槽，通道全部直連CPU，最高分別提供×16、×8、×4速率。
▲MSI MEG Z390 ACE
▲MSI MEG Z390 ACE說明書中關於PCIe插槽速率和CPU總線拆分部分
除上例中的情況外，當第三個插槽也插卡時，另外兩顆Switch將後四條通道切換至第三個插槽，三個插槽分別提供×8、×4、×4速率。
③MSI MEG Z390 GODLIKE
再看MSI MEG Z390 GODLIKE，主板有四個×16長度插槽，三個直連CPU，最高速率分別為×16、×4、×8，主板背部有兩顆額外的Switch，除與上兩例部分情況相同外，當第一個和第三個插槽插卡，第二個插槽不插卡時，通過八顆Switch，將後八條通道切換至第三個插槽，第一個、第三個插槽均提供×8速率，這樣的設定應該是出於散熱的考慮。
▲MSI MEG Z390 GODLIKE
▲MSI MEG Z390 GODLIKE說明書中關於PCIe插槽速率和CPU總線拆分部分
3、判斷方法
最簡單的方法，還是看說明書，隨產品附帶的丟了不要緊，官網都下得到，說明書會詳細地介紹每個插槽的PCIe通道直連到哪個晶片、最高速率和帶寬共享情況，一目了然，上面我們已經看了很多例子了。
不想看說明書也可以判斷，上文中已經講了判斷是否直連CPU和插槽速率的方法，此外，根據Switch的數量和位置，便可以判斷出通道分配情況：
▲MSI MEG Z390 ACE
▲主板標註插槽直連CPU
▲AIDA64中查看總線使用情況
▲GPU-Z中查看顯卡使用的總線接口
4、一些共享帶寬建議
當然，並不是每個人都需要將所有PCIe通道都留給顯卡，事實上絕大多數顯卡遠不能吃滿PCIe 3.0×16的帶寬，包括NVIDIA RTX 2080 Ti，Techpowerup遊戲測試數據顯示NVIDIA RTX 2080Ti工作在PCIe 3.0×16下平均僅比工作在×8下提升2%~3%，性能差距非常小，且解析度越高差距越小。
▲4K解析度下性能相對表現
灰色表示未吃滿PCIe 3.0×8
圖自Techpowerup
所以CPU直連總線的拆分除了顯卡SLI或CF外，還可以用來擴展網卡、PCIe SSD等，更充分地利用直連CPU的通道。畢竟2080 Ti也只有2%~3%的性能損耗，分出來的×8帶寬擴展出兩塊直連CPU的NVMe SSD豈不美哉。
▲PCIe 3.0×4 SSD
▲M.2 to PCIe×16轉接卡
（4×M.2 PCIe×4 to PCIe×16）
少數主板上也會有走直連CPU通道的M.2插槽，當然在Z系列主板上，要和臨近的PCIe插槽共享帶寬，也就是要和第一個×16長度插槽搶帶寬。
一般走直連CPU通道的M.2插槽會標註不支持SATA，走連接晶片組通道的M.2插槽會標註支持SATA。
▲左為直連CPU，右為連接到晶片組
圖自PCEVA
精打細算如何分配CPU和晶片組提供的PCIe通道當然只是主流平臺要考慮的事，發燒平臺就要闊氣得多，Intel Core i9-9980XE可以提供44條直連PCIe通道，AMD Ryzen Threadripper 2990WX可提供64條直連PCIe通道。
▲Intel Core i9 9980XE可提供44條PCIe 3.0通道
▲AMD Ryzen Threadripper 2990WX可提供64條PCIe 3.0通道
寫在最後
想體驗PCIe 4.0產品的A飯們再過十幾天就可以出手了，5.0的規範已經完成，6.0的制定也已上路。看起來新標準更新得很快，其實「全靠友商襯託」，PCIe 3.0標準2010年便已面世，相關產品至今也已服役超過8年時間，4.0的「難產」讓5.0顯得特別迅速。
▲PCIe 6.0標準提上日程，帶寬翻倍
目前絕大多數產品都不能吃滿PCIe 3.0帶寬，AMD確認老主板不給用PCIe 4.0，加之英特爾對PCIe 4.0的態度，有觀點認為未來的新產品中，會出現兩代標準長期共存的局面。就目前而言，想儘快體驗新標準的產品還是要YES起來。
不過也正像英特爾所言，當下新的標準對大多數顯卡的提升效果甚微，支持PCIe 4.0的SSD新品也鮮有能跑到5GBps的，和理論速度還有一定差距，所以如果你並不急著擁抱PCIe 4.0，不妨等等。
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