從ISA到PCIe“高速路”建成史

超載

總線是什么？

總線是指電腦內部規范化的交換數據（Data）的方式，是一種內部結構，它的是為處理器、內存、輸入/輸出設備提供傳遞信息的公共通道，一如連接各地的高速公路般連接各個配件或元件?？偩€的基本邏輯是，在同一個時間內只能負責傳輸一位數據（比特，bit），其實就是0或1。要想傳輸更多的數據、傳輸得更快，那就必須擴展“道路”，增加“車道”，這就是所謂的總線的位寬;也可以提升行車速度，即所謂的頻率，兩者結合而產生的一定時間內數據流量就是帶寬。

而且，針對不同的連接，總線也是有（針對性）區別的。一般來說，電腦的總線分為幾種。第一種是數據總線，名為DataBus，主要負責處理器和內存之間的數據存儲、傳輸;第二種是地址總線，即AddressBus，它負責用來在指定的內存（RandomAccess Memory）數據存儲地址;第三種總線，是控制總線Control Bus，它負責將微處理器（Control Unit，非中央處理器）發出的信號傳送到具體外部設備上，比如SATA設備（并發）、USB設備（串行）;還有一種是擴展總線Expansion Bus，它的作用是電腦內部和外部設備進行通訊的總線（圖2）。比如我們說的PCIe總線就是擴展總線的一種。

具象來說，例如一臺電腦，主板的主芯片（PCH）要負責CPU與內存、顯卡等數據吞吐大戶的通訊工作（現在的CPU也會肩負這一工作），那么它如何工作呢？在CPU部分，通過前端總線（即FSB）連接到PCH芯片上，進而通過其與內存、顯卡進行數據的“交流”（圖3）。

當然，總線也是代際迭代的，隨著時間的發展，數據的傳輸需求越來越高。時至今日，PCIe 5.0的總線帶寬速度已經達到了驚人的128GB/s（全雙工），這要比早期ISA總線的數據帶寬大多了——8MB/s。你沒看錯，早期的ISA總線帶寬受限于位寬只有8bit/16bit，最大的帶寬傳輸速度不過區區4.77MB/s、8MB/s。

ISA——我不快但是我很關鍵

ISA的全稱為Industrial Standard Architecture（工業標準結構總線），它最早出現于1981年，是IBM兼容電腦的一個總線系統，位寬只有8bit。到了1984年，ISA總線升級為16bit，相應插槽（圖4）可插接顯卡、聲卡、網卡已及所謂的多功能接口卡等擴展插卡（圖5）。其缺點是CPU資源占用太高，數據傳輸帶寬太小，是已經被淘汰的插槽接口。而且，它現在只存在于極少部分的工控類設備上還在使用。

ISA 總線的表現形式是一個長長的插槽，遠比現在的PCIe長許多，而且它的使用其實并不方便——現如今我們非常習慣的“即插即用”，即Plug-n-Play功能根本沒有，所以在安裝了ISA接口的設備時，必須手動設置IRQ（中斷請求）、I/O地址（輸出/輸入地址）、DMA信道才能配置其工作。

早年間，數據總線的傳輸負載并不高，在80286處理器時代ISA總線還能夠完全應對。但是當80386這個32bit位寬外部總線的處理器出現后，總線帶寬就成為了嚴重的性能瓶頸，畢竟ISA擴展標準后也不過是16bit位寬（圖6）。因此在1988年的時候，康柏、惠普等九個廠商協同制定標準，將ISA總線擴展到了32bit位寬，相應的名稱也變成了EISA，即Extended ISA擴展ISA。EISA總線的工作頻率其實和ISA一樣都是8MHz，并且可以向下兼容8bit、16bit位寬的ISA總線設備。

ISA總線的致命弱點可不止帶寬有限，它更大的問題在于CPU占用率高、且占用硬件中斷資源——筆者曾經在一塊主板上裝了兩個ISA設備，為了分配好中斷資源著實煞費苦心，遠不如現在的設備即插即用那么簡單。1990年代后期，PCI總線逐步取代了ISA總線。在英特爾PC'98規范中徹底放棄了對ISA總線的支持，后期即便有推出帶有ISA插槽的主板，也不過是通過模擬的方式實現對ISA設備的支持。

PCI——提速全靠我

正如前文所述，ISA也好，EISA也罷，先天的傳輸瓶頸已經無法滿足32bit的80386、乃至80486處理器的帶寬吞吐需求，新的總線標準呼之欲出。19 92年的時候，英特爾提出了PCI，Peripheral ComponentInterconnect（外圍組件互連總線）協議1.0標準，但是該標準僅僅限于組件規范。

為了能夠盡管推廣PCI總線協議，替代掉ISA總線協議等標準，英特爾召集了多個廠商組成了PCI-SIG（PCI Special InterestGroup，PCI特殊興趣小組）企業聯盟（圖7），并在1993年4月發布了PCI 2.0標準，這個標準第一次將PCI接口的物理規格確定，從此也奠定了PCI總線協議的地位。

對比ISA總線協議，PCI總線標準一開始就提供了ISA無法企及的高度：133MB/s的帶寬（33MHz時鐘，每時鐘傳送32bit），這對當時的電腦（圖8）來說已經是超高速帶寬了。到了后期，PCI總線標準進一步提升到64bit位寬，帶寬達到了264MB/s，當然，對于現在來看這根本不算什么，但是在當時，這個標準遠遠超出ISA。

另一個特點是實現了即插即用功能。在使用ISA設備安裝的時候，設備之間可能存在硬件資源占用上的沖突，這必須手動調配硬件資源才能解決，而在PCI總線標準下的設備，安裝即可使用（當然在操作系統內還需要安裝驅動程序），無需手動調配硬件資源（圖9）。

還有一個優點也是ISA總線標準不具備的，PCI總線標準增加了奇偶校驗錯（PERR）、系統錯（SERR）、從設備結束（STOP）等控制信號及超時處理等可靠性措施，使數據傳輸的可靠性大為增加。可以說，PCI總線標準讓PCI設備擴展真正做到了好用、省心的效果。

不過，在90年代末期，PCI總線即便是64bit的修訂版本規格，也僅有264MB/s的帶寬吞吐能力，已經無法為顯卡提供足夠的帶寬支撐，而此時業界又沒有一個更好的解決辦法。于是，英特爾將AGP這種點對點的專用傳輸通道提了出來。

AGP——特殊的候補隊員

AGP全稱為Accelerated Graphics Port（加速圖形接口），是1997年英特爾為了應對顯卡這種帶寬吞吐大戶的需求，在PCI總線標準上創建的一種點對點傳輸通道?？梢哉f它并非是一個總線標準——畢竟它只是為顯卡的專用接口（圖10）。要知道，任何一個總線都允許多個設備共享，而AGP只能只能實現“一對一”的模式，僅僅為顯卡提供帶寬支撐。

AGP時代，出現了許多經典的顯卡，比如3DFX Voodoo Banshee（圖11）、NVIDIARIVA 128（圖12）、3Dlabs Permedia 2、ATiRage系列（圖13）、Matrox Millennium II、S3ViRGE GX/2等等。比較有趣的是，最早的一批AGP顯卡并非原生AGP接口，而是通過橋接方式由PCI總線轉換成AGP，而且需要一顆單獨的芯片負責處理轉換，這導致首批此類顯卡的性能根本無法發揮實際效率，很多人都對AGP嗤之以鼻。直到真正原生的AGP接口顯卡出現，人們才領略了AGP接口的高帶寬究竟能帶來什么樣的3D加速性能。

那么，AGP的帶寬究竟有多大呢？在PCI總線標準下，最高的帶寬吞吐能力也不過264MB/s，還會有多個設備分享，而AGP的第一版即達到266MB/s的帶寬，且只有顯卡獨享。到了后期，AGP 8×的帶寬達到了驚人的2.1GB/s——當然，你不能以今天的眼光來看待。AG P的規范版本一共經歷了4次更替，分別為AGP 1×、AGP 2×、AGP 4×和AGP 8×，它們對應的規格版本分別是AGP 1.0（AGP 1×、AGP 2×）、AGP 2.0（AGP 4×）、AGP 3.0（AGP 8×），具體的規格可以參考表格，注意AGP 1×和AGP 2×都歸于AGP 1.0版本。另外，AGP接口向下兼容，而不能向上兼容，因為連電壓都會有所區別（圖14）。

PCIe——歷經5代的超大家族

到了AGP 8×后期，最高2.1GB/s的帶寬吞吐能力也不足以支撐顯卡日益高漲的帶寬需求，同時，其他設備也對總線帶寬有了更高的要求，PCI+AGP的組合已經不夠看了。于是，PCIe應運而生（圖15）。

2001年，英特爾在IDF（英特爾開發者論壇）大會上公布了最新的總線技術，被命名為“3GIO”。之后的2002年，PCI特殊興趣組織（PCI-SIG）正式公布了新一代總線技術標準，這就是從3GIO改名而來的PCIe。PCIe，實際全稱為PCI Express。

而且極具創新的是，PCIe的規范設計十分友好，只要是支持PCI總線的操作系統，無需修改升級即可支持PCIe總線技術標準，很快，這個總線技術標準就取代了PCI+AGP的組合，成為最主流的總線技術標準（圖16）。

PCI e不僅具有極為強大的帶寬吞吐能力，還能支持更高的供電，對于大功率的PCIe擴展設備無疑十分友好。它甚至在電壓的支持上也做了特別設計，可以分別支持+3.3V、3.3Vaux以及+12V三種不同的電壓標準，讓PCIe設備的設計更為簡單容易。

當然，最重要的還是PCIe驚人的帶寬吞吐能力。不同于以往的PCI、ISA總線技術標準，根據需求，PCIe能夠以不同規格、不同速率提供給使用者設計不同的插槽，如PCIe ×1、PCIe ×2、PCIe ×4、PCIe×8、PCIe ×16（圖17）。

PCIe的規范主要是為了提升電腦內部所有總線的速度，因此帶寬有多種不同規格標準，其中PCIe ×16是特別為顯卡所設計。AGP的帶寬吞吐能力最高為2.1GB/s，對比PCIe 1.0 ×16的4GB/s很明顯差異甚大。但是要注意，4GB/s是指資料傳輸的理想值，并不是使用PCIe接口的顯卡，就能夠有突飛猛進的性能表現，實際的測試數據并不會有這么大的差異存在。

計算公式為PCIe串行總線帶寬（MB/s）=串行總線時鐘頻率（MHz）×串行總線位寬（bit/8= B）×串行總線管線×編碼方式×每時鐘傳輸幾組數據（cycle），例如全雙工PCIe 1.0 ×1，其帶寬= 2500×1/8×1×8/10×1×2=500MB/s。

可以說，PCIe的出現一定程度解決了帶寬不足的問題，而且PCIe總線技術標準也在不斷升級，方案已經從最初的PCIe 1.0更替到最新的PCIe 6.0。目前的設備應用則開始全面進入PCIe 4.0時代。而最新的12代酷睿處理器平臺雖然在處理器中提供了PCIe 5.0總線通道，但是距離普及還相當遙遠。

當然了，即便是PCIe 4.0總線技術準，其帶寬吞吐能力依然是極為強勁的，對比最初的ISA總線技術標準呈幾何數量級的增長，這就是技術進步帶來的好處——否則，NVMe規范的固態硬盤（圖18），又怎么可能因之發揮其超強的讀寫性能？次時代的旗艦級顯卡，又靠什么與CPU通信，來支持高分辨率、高畫質下的流暢游戲呢？