現(xiàn)在，固態(tài)硬盤已經(jīng)大步跨入PCIe時代。作為固態(tài)硬盤的一項重要技術(shù)，我們有必要對PCIe有一個基本的了解。

那為什么SSD要用PCIe接口呢？因為它快，比SATA還快。有多快？我們從PCIe界面的速度開始我們的PCIe之旅。

隨著PCIe的發(fā)展，從PCIe 1.0，PCIe 2.0到現(xiàn)在的PCIe 3.0，速度一代比一代快。

圖1-1 PCIe代的帶寬

PCIe 4.0已于2017年發(fā)布，但本章僅限于PCIe 3.0及更早版本。

在鏈路速度行中，我們看到x1，x2，x4，...，這是什么意思？這指的是PCIe路的號碼。就像高速，有單條路，兩條路和四條路，但是像八條或更多的路并不常見，但是PCIe可以有多達32條車道。

圖1-3 PCIe環(huán)線的概念

從A到B，是雙向連接的。汽車可以從A開到B，同時汽車也可以從B開到A，各奔東西。兩個PCIe設(shè)備之間有特殊的發(fā)送和接收通道，數(shù)據(jù)可以同時在兩個方向上傳輸。PCIe規(guī)范稱這種工作模式為雙單工模式，可以理解為全雙工模式。

SATA是什么工作模式？

圖1-4 SATA工作模式

與PCIe一樣，SATA有獨立的發(fā)送和接收通道，但與PCIe的工作模式不同:同時，只有一個通道可以傳輸數(shù)據(jù)，即您可以在一個通道上發(fā)送數(shù)據(jù)，而不能在另一個通道上接收數(shù)據(jù)，反之亦然。這種工作模式是半雙工模式。

PCIe就像我們的手機，雙方可以同時通話，而SATA是對講機，一個人在說話，另一個人只能聽而不能說。

回到前面的PCIe帶寬表，上面的帶寬，比如PCIe3.0x1，是2GB/s，也就是雙向帶寬，也就是讀寫帶寬。如果單個手指讀寫，則該值應(yīng)該減半，即讀取速度或?qū)懭胨俣葹?gb/s。

讓我們看看表中的帶寬是如何計算的。

PCIe是一條串行總線，PCIe1.0的在線位傳輸速率為2.5 GB/s，物理層采用8/10編碼，即8位數(shù)據(jù)。實際上，需要在物理線路上傳輸10位，額外的2位用于驗證。因此:

PCIe1.0 x 1 =(2.5Gb/s x 2(雙向通道))/10bit = 0.5GB/s的帶寬

這是單個通道的帶寬，有幾個通道，所以整個帶寬計算就是通道數(shù)乘以0.5 GB/s。

PCIe2.0的在線位傳輸速率在PCIe1.0的基礎(chǔ)上翻倍至5Gb/s，物理層也采用8/10編碼，所以:

PCIe2.0 x 1的帶寬=(5Gb/s x 2(雙向通道))/10bit = 1GB/s

同樣，有多少個通道，帶寬是1GB/s乘以通道數(shù)。

PCIe3.0的在線位傳輸速率在PCIe2.0上沒有翻倍，不是10Gb/s，是8Gb/s，但是物理層使用128/130編碼進行數(shù)據(jù)傳輸，所以:

PCIe3.0 x 1 =(8Gb/s x 2(雙向通道)x(128位/130位))/8位≈ 2GB/s的帶寬

同樣，有多少個通道，帶寬是2GB/s乘以通道數(shù)。

128/130編碼，128位數(shù)據(jù)，只增加2位開銷，有效數(shù)據(jù)傳輸率提高。雖然在線位傳輸速率沒有翻倍，但在PCIe2.0的基礎(chǔ)上，有效數(shù)據(jù)帶寬翻倍。

這里值得一提的是，在上面計算的數(shù)據(jù)帶寬中考慮了8/10或128/130編碼。因此，在計算帶寬時，不需要考慮在線編碼。

與SATA單通道不同，PCIe連接可以通過增加通道數(shù)量來擴展帶寬，非常靈活。通道越多，速度越快。但是通道越多，成本越高，占用空，耗電越多。所以使用了多少通道，要在性能和其他因素之間綜合考慮。只考慮性能，PCIe的最高帶寬可以達到64GB/s，也就是PCIe 3.0 x 32對應(yīng)的帶寬，這是很可怕的數(shù)據(jù)。但是，現(xiàn)有的PCIe固態(tài)硬盤通常使用多達4個通道，如PCIe3.0x4，雙向帶寬為8GB/s，讀寫帶寬為4 GB/s

圖1-5英特爾PCIe固態(tài)硬盤750的規(guī)格

幾GB/s的傳輸速度，看起來像是一部小電影那是一個杠桿。

這里順便計算一下PCIe3.0x4的理論最大4K IOPS，PCIe3.0x4理論最大讀寫速度為4GB/s，不考慮協(xié)議開銷每秒可以傳輸4GB/4K 4K IOs，為1M，也就是理論最大IOPS為1000K。因此，固態(tài)硬盤的接口速度，無論您使用什么介質(zhì)作為底層，閃存還是3D點，都是如此之快，以至于最大IOPS不能超過這個值。

PCIe是由PCI發(fā)展而來，PCIe的“e”是express的縮寫，意思是快速。PCIe怎么可能比PCI(或者PCI-X)快？PCIe在物理傳輸上與PCI有本質(zhì)區(qū)別:PCI使用并口傳輸數(shù)據(jù)，PCIe使用串口傳輸數(shù)據(jù)。我的PCI并行總線單個時鐘周期可以傳輸32位或者64位，那為什么不能和你的串行總線單個時鐘周期傳輸1位數(shù)據(jù)相比呢？

為什么長腿姚明跑不過短腿劉翔？因為劉翔的腳步更快。

在實際時鐘頻率比較低的時候，并口可以同時傳輸幾個比特，所以速度確實比串口快。隨著技術(shù)的發(fā)展，要求數(shù)據(jù)傳輸速率越來越快，時鐘頻率也要求越來越快。然而，并行總線的時鐘頻率不能像期望的那樣快。

圖1-6并行傳輸時序

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)在某個時鐘沿(左時鐘的第一個上升沿)傳輸，在接收端，數(shù)據(jù)在下一個時鐘沿(右時鐘的第二個上升沿)接收。因此，為了在接收端正確收集數(shù)據(jù)，要求時鐘的周期必須大于數(shù)據(jù)傳輸時間(從發(fā)送端到接收端)。受數(shù)據(jù)傳輸時間的限制(也是隨著數(shù)據(jù)線長度的增加而增加)，時鐘頻率不能做得太高。此外，當(dāng)時鐘信號在線路上傳輸時，還會出現(xiàn)時鐘偏移，這將影響接收端的數(shù)據(jù)采集。此外，在并行傳輸中，接收器必須等待最慢的位數(shù)據(jù)到達，然后才能鎖定整個數(shù)據(jù)(信號偏斜)。

PCIe使用串行總線進行數(shù)據(jù)傳輸，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128/130編碼嵌入到數(shù)據(jù)流中，接收機可以從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時鐘信息。所以不受數(shù)據(jù)在線傳輸時間的限制，你的線有多長，你的數(shù)據(jù)傳輸頻率有多快都是沒問題的。沒有外部時鐘信號，自然不存在所謂的時鐘偏斜問題；因為是串行傳輸，所以只有一位傳輸，所以不存在信號偏斜問題。但是如果用多通道傳輸數(shù)據(jù)(串行有并行，哈哈)，這個問題又回來了，因為接收端也要等最慢通道的數(shù)據(jù)到達，才能處理整個數(shù)據(jù)。但別擔(dān)心，PCIe可以自己解決這個問題。

本文節(jié)選自《SSD淺顯:固態(tài)存儲核心技術(shù)、原理及實戰(zhàn)》一書

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