Intel_PCI-E_白皮书

白皮书 英特尔®PRO网卡 网络性能 网络连接 PCI Express*以太网 PCI Express*是全新第三代输入/输出（I/O）标准，与旧式 外设组件互连（PCI）和外设组件互连扩展（PCI-X）台式 机和服务器插槽相比，可提供更为优秀的以太网性能。 PCI Express的卓越性能来源于它更快的串行总线架构。 该架构可提供一个专用的输入/输出（I/O），时钟频率高 达2.5 GHz，而外设组件互连扩展（PCI-X）的并行总线频 率仅为133 MHz。该白皮书概括了新型PCI Express总线架 构的特点，以及它为台式机、工作站和服务器带来的网 络连接性能飞跃。 2005年9月 2 目 录 摘要........................................................................................................................................................ PCI、PCI-X、PCI Express* — 自然演进........................................................... PCI Express概论........................................................................................................................... 基于PCI Express的台式机以太网................................................................................4 引言 PCI PCI-X PCI Express* 1.58 7.09 100 100 80 60 40 20 0 在过去的几年里，电脑和网络服务器一直采用陈旧的第一 代PCI标准，以及第二代PCI-X标准，作为输入/输出（ I/O）架 构。虽然今后几年中，PCI和PCI-X仍会得到应用，但其实用 性将会逐渐消失。原因很简单，PCI和PCI-X在带宽和可扩展 性方面存在诸多局限，无法满足现今的计算和网络需求。 显卡便是PCI局限性的绝好示例。图形计算需求从640x480 分辨率（单色）上升至1024x768分辨率（真彩色）后，带宽不 足问题便突显出来。因此，目前的显卡普遍采用专用的I/O 总线，这样才能满足高分辨率动画图形（包括全屏视频）的 带宽和延迟要求。 现在，在企业网络中，尤其是那些过渡至千兆位以太网的 企业网络中，PCI带宽不足和延迟瓶颈也已突显出来。多处 理器服务器的出现对I/O带宽提出了更高的要求。第三代PCI I/O构架及时地满足了这一需求。第三代PCI I/O构架曾被称 为第三代I/O，现在是指PCI Express*或PCIe*。 摘要 随着网络流量的不断提高，外设组件互连（PCI）和第二代 外设组件互连扩展（PCI-X）的并行多点架构的瓶颈越来越 突出。新近推出的PCI Express*架构具有更高的性能，可以 突破此类瓶颈的限制。PCI Express架构采用串行输入/输出 （I/O）结构，时钟频率高达2.5GHz。与以前的输入/输出（I/O）架 构相比，PCI Express具有更好的可扩展性，可提供更高的 带宽。此白皮书概述了新型PCI Express总线架构的特点， 以及它为台式机、工作站和服务器带来的以太网连接性能 飞跃。 PCI Express提供了专用的 I/O，以及更高的可扩展带宽，可 在各种应用领域中使用，其中包括网络连接领域。英特尔 积极倡导PCI Express标准的普及，并推出了英特尔®PRO系 列网卡。英特尔推出的全新PCI Express网卡采用无铅技术1 生产，完全符合有害物质限用指令（RoHS）2；并且可以为配 备PCI Express插槽的台式机和服务器提供铜线和光纤千兆位 以太网连接。此白皮书通过比较PCI Express、PCI和PCI-X的 网络连接性能，论述了PCI Express所具有的优势；同时，还 描述了英特尔®PRO网卡所具有的独特优势。 PCI、PCI-X、PCI Express* — 自然演进 PCI到PCI-X再到PCI Express的演进是一个由带宽需求上升 而引起的自然演进过程。图1展示了此次演进过程中，每 针脚带宽（B W / p i n）的提高情况，带宽单位为每秒兆字节 （MB/s）。如图1所示，PCI Express具有两大优势：带宽大 幅提升；针脚数量明显减少。因此，PCI的速度更快，占用 的空间更小。 图1 PCI、PCI-X和PCI Express*的每针脚带宽比较。 每 针 脚 带 宽（ ） ， 单 位 ： 每 秒 兆 字 节（ M B/ s） PCI：32 bits x 33 MHz x 84针脚＝1.58 MB/s PCI-X：64 bits x 133 MHz x 150针脚＝7.09 MB/s PCIe：8位x 2.5 Gb/sx 40针脚＝100 MB/s（单向） 引言........................................................................................................................................................ 基于PCI Express的服务器和工作站以太网...................................................... 5 英特尔提高性能和可管理性.......................................................................................... 5 总结..........................................................................................................................................................6 2 2 2 3 3 PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z 内存 PC I-X 13 3 M H z PCI-X 中枢 内存 控制 中枢 PC I-X 10 0 M H z PCI-X 中枢 PC I-X 10 0 M H z 内存内存 控制 中枢 PCI-X 中枢 内存内存 控制 中枢 或 或 设备 B 设备 A 2.5 GH z时钟频 率 2.5 GH z时钟频 率 x1通道 发送对（ Tx） 接收对（ Rx） 计算机 网卡 对于网络而言，提高带宽具有非常重要的意义。 PCI Express借助高速串行总线，提供专用的I/O带宽；网卡可利 用此PCI Express I/O获得更高的带宽。这就意味着，数据包 可以最高线速传输，并可以大大缩短服务器等待客户机反应 的时间，更快的完成事务处理。因此，连接时间缩短后，服 务器便可以服务更多的客户机。 相反，PCI和PCI-X采用共享多点并行总线架构。共享总线 的设备越多，每个设备可用的总线带宽越少。图2对此做 出了进一步的分析。此图展示了PCI-X多点结构。同样，当 多个设备共享总线时，PCI-X将降低“始终频率”，与总线 中最慢的设备保持相同的速度。 在快速以太网时代（100 Mbps网络），PCI-X总线速率和总 线共享可能不是一个很突出的问题。但是，过渡至千兆位 以太网（1000 Mbps）后，以太网会消耗服务器中的大部分 PCI-X总线带宽资源，从而严重影响了PCI-X的性能。对于 过渡至千兆位以太网的台式机同样如此，PCI插槽无法提供 足够的带宽（比服务器的带宽更小），难以支持千兆位以太 网的性能。 在PCI总线（通常在台式机中使用）中，单个未共享PCI总线 连接的带宽是1 Gbps（32 bits x 33 MHz）。即使没有其它PCI 设备共享总线，带宽也不足以为台式机提供最佳的千兆位 以太网性能（数据和传输开销）。PCI-X通常应用在服务器中。 每个PCI-X插槽（没有总线共享）的带宽是8 Gbps；但是，当 总线中的插槽和设备数量增加时，有限的总线资源会被多 个设备共享，于是带宽（数值）就会相应的下降，如图2所示。 另一方面，PCI Express的通道数有所增加，带宽也会随之 提升。其最小未编码双向带宽是4 Gbps；在16通道的PCI Express连接中，其专用I/O带宽高达64 Gbps。 图2，并行多点PCI-X总线设计实例插槽和设备数量增加时带宽下降。 PCI Express概论 一个基本PCI Express连接由两个低压差动信号对构成。基 本连接结构如图3所示。其中一个差动信号对是发送对（Tx）， 另一个是接收对（Rx）。 两个信号对构成一个双单工PCI Express信道，此类信道被 称为x1（“乘1”）通道。由于所传输信号均是差动信号，因此 PCI Express可凭借差分信号中的接地噪音消除获得优良的 噪音抗扰性。 图3，PCI Express* x1通道。一个通道由两个PCI Express 设备（设备A和设备B）间的两个差动信号对构成。 3 PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z PC I-X 66 M H z 内存 PC I-X 13 3 M H z PCI-X 中枢 内存 控制 中枢 PC I-X 10 0 M H z PCI-X 中枢 PC I-X 10 0 M H z 内存内存 控制 中枢 PCI-X 中枢 内存内存 控制 中枢 或 或 设备 B 设备 A 2.5 GH z时钟频 率 2.5 GH z时钟频 率 x1通道 发送对（ Tx） 接收对（ Rx） 计算机 网卡 对于网络而言，提高带宽具有非常重要的意义。 PCI Express借助高速串行总线，提供专用的I/O带宽；网卡可利 用此PCI Express I/O获得更高的带宽。这就意味着，数据包 可以最高线速传输，并可以大大缩短服务器等待客户机反应 的时间，更快的完成事务处理。因此，连接时间缩短后，服 务器便可以服务更多的客户机。 相反，PCI和PCI-X采用共享多点并行总线架构。共享总线 的设备越多，每个设备可用的总线带宽越少。图2对此做 出了进一步的分析。此图展示了PCI-X多点结构。同样，当 多个设备共享总线时，PCI-X将降低“始终频率”，与总线 中最慢的设备保持相同的速度。 在快速以太网时代（100 Mbps网络），PCI-X总线速率和总 线共享可能不是一个很突出的问题。但是，过渡至千兆位 以太网（1000 Mbps）后，以太网会消耗服务器中的大部分 PCI-X总线带宽资源，从而严重影响了PCI-X的性能。对于 过渡至千兆位以太网的台式机同样如此，PCI插槽无法提供 足够的带宽（比服务器的带宽更小），难以支持千兆位以太 网的性能。 在PCI总线（通常在台式机中使用）中，单个未共享PCI总线 连接的带宽是1 Gbps（32 bits x 33 MHz）。即使没有其它PCI 设备共享总线，带宽也不足以为台式机提供最佳的千兆位 以太网性能（数据和传输开销）。PCI-X通常应用在服务器中。 每个PCI-X插槽（没有总线共享）的带宽是8 Gbps；但是，当 总线中的插槽和设备数量增加时，有限的总线资源会被多 个设备共享，于是带宽（数值）就会相应的下降，如图2所示。 另一方面，PCI Express的通道数有所增加，带宽也会随之 提升。其最小未编码双向带宽是4 Gbps；在16通道的PCI Express连接中，其专用I/O带宽高达64 Gbps。 图2，并行多点PCI-X总线设计实例插槽和设备数量增加时带宽下降。 PCI Express概论 一个基本PCI Express连接由两个低压差动信号对构成。基 本连接结构如图3所示。其中一个差动信号对是发送对（Tx）， 另一个是接收对（Rx）。 两个信号对构成一个双单工PCI Express信道，此类信道被 称为x1（“乘1”）通道。由于所传输信号均是差动信号，因此 PCI Express可凭借差分信号中的接地噪音消除获得优良的 噪音抗扰性。 图3，PCI Express* x1通道。一个通道由两个PCI Express 设备（设备A和设备B）间的两个差动信号对构成。 4 单向 双向 单向 双向 x1 2 Gbps 4 Gbps 2.5 Gbps 5 Gbps x4 8 Gbps 16 Gbps 10 Gbps 20 Gbps x8 16 Gbps 32 Gbps 20 Gbps 40 Gbps x16 32 Gbps 64 Gbps 40 Gbps 80 Gbps I/O桥 内存桥 芯片 处理器 移动 连接 硬盘 （HDD ） 图形 千兆位 以太网 插卡 内存 本地I/O USB 2. 0 PCI PCI Expres s PCI Expres s 串行 ATA PCI Expres s* 转换器 PCI Expres s T 同时，由于PCI Express通道是双单工通道，因此它可以在 接收一个方向信号的同时，接收来自另一方向的信号。这 种双向性可以实现双倍的整体有效带宽或吞吐量。 x1通道的最高带宽大约是2.5 Gbps（2.5 GHz时钟频率），但 由于带宽是双向的，因此双向有效数据速率就是5Gbps。这 些速率是指以8b/10b编码发送剥离数据字节的速率，2.5 Gbps即编码速率。带宽也可能是指一个未编码或有效数据 速率，此类速率是编码速率的80%（例如，x1通道的2 Gbps 单向未编码速率和4 Gbps双向未编码速率）。表1列出了各 种PCI Express通道实施的带宽。 在所有规格的PCI Express通道中，都可通过插卡插槽实现 x1、x4、x8或x16通道。因此，设计师们可以通过增加PCI Express插卡和计算机插槽的通道，来扩充PCI Express的串 行总线 I/O频率，最高频率可达64 Gbps（参见表1）。例如， x1通道可为英特尔®PRO/1000 PT服务器网卡的PCI Express I/O提供充足的总线带宽。但是，要为双端口千兆位以太网 网卡提供额外的 I/O带宽，就需要在英特尔®PRO/1000 PT双 端口服务器网卡中使用x4通道。 对网络设计师来说，在选择服务器和服务器网卡时，PCI Express通道规格尤为重要。如上所述，多端口网卡具备额 外通道，能够支持多千兆位以太网端口额外的流量和带宽 需求。但是，选择服务器时，需注意PCI Express插槽的通 道数量：PCI Express插槽的通道数量必须不少于网卡的最 大通道数。例如，x1网卡可在任何PCIe插槽中使用，但x4 网卡则只能在x4或以上的插槽中使用。 图4所示为通过PCI Express串行总线I/O架构实现的台式机以 太网。其拓扑包含主桥、 I/O桥（可选）和转换器。该转换器 可将PCI Express串行 I/O总线分配给（扇出）不同的端点设备 中（包括台式机千兆位以太网卡）。图4将交换器标示成一个 独立的逻辑单元。事实上，它集成在 I/O桥或内存桥中，确 切的集成位置取决于芯片组实施。 图4中的台式机实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 还包括一个连结至 I/O桥的66 MHz PCI并行总线结构。在未来的一段时间内，PCI仍可作为速度 较慢类应用的接口，与PCI Express并存。 表1，多种PCI Express*通道实施的带宽。 PCI Express通道 未编码数据速率（有效数据速率） 编码数据速率 基于PCI Express的 台式机以太网 图4，通过PCI Express*的高速串行I/O总线实现台式机的 千兆位以太网连接。 5 PCI 桥 PCI-X 桥 内存PCI Expres s* 千兆位 以太网 PCI Exp r ess CPU CPU 芯片组 SATA LFC USB2 将台式电脑接入千兆位以太网时，最好使用兼容 PC I Express标准的台式机网卡，如英特尔®PRO/1000 PT台式机 网卡。在使用PCI Express（而不是PCI）时，千兆位以太网的 全部带宽将可发挥极高的性能。更为重要的是，使用PCI Express时，它专用的4 Gbps双向 I/O可支持台式机千兆位以 太网卡以最高的速度运行，同时不会与其它设备争夺或共 享总线。这样就可以更加迅速地完成台式机和服务器之间 的网络事务处理，从而提高服务器的可用性，提高事务处 理量和网络效率。 另一方面，新型服务器可能有多个PCI Express插槽，可安装 多个千兆位以太网卡，从而提高网络性能技术（如网络分段 和网卡分组）。PCI Express服务器插槽支持x4连接时，可使 用双端口千兆位以太网卡节省插槽，如面向5类非屏蔽双绞 线（UTP）的英特尔PRO/1000 PT双端口服务器网卡，或面向 多模光缆的英特尔®PRO/1000 PF双端口服务器网卡。 x4 PCI Express服务器插槽的意义在于能够提供更高的 I/O带 宽，从而支持多端口网卡性能。当不需要多端口连接时， x4插槽可兼容单端口x1网卡。x4性能可在未来使用双端口 网卡升级网络时应用。基于PCI Express的 服务器和工作站以太网 服务器和工作站中的PCI Express实施方案与台式机基本相似， 但它们需要更多、更快的I/O连接。图5显示了多处理器服务 器中的PCI Express实施。这一示例中，PCI Express桥取代了 传统PCI总线，可提高到PCI或PCI-X插槽连接的性能。PCI Express千兆位以太网（GbE）连接与芯片组之间存在一个直 接的专用连接。 在网络连接方面，新型工作站至少需要一个PCI Express插 槽，用来安装千兆位以太网卡。这个或这些插槽会有x1、 x4或更高的通道数，但仍然可以兼容单端口x1 PCI Express 网卡，如面向 5类非屏蔽双绞线（ UTP）铜线的英特尔 PRO/1000 PT服务器网卡。 除全面兼容千兆位以太网和PCI Express标准外，英特尔 ® PRO/1000 PT和PF网卡还具有多项其它功能，可提高网络 的性能和可管理性。例如，所有英特尔®PRO多端口网卡均 采用多个专用以太网控制器（每端口配备一个），而不仅仅 是在单个控制器中增加多个连接器。所有英特尔PRO网卡 均配备有简单且易于安装的驱动和管理工具。所有网卡均 已通过兼容性测试，可与其它基础网元进行互操作（如主要 供应商生产的交换机和路由器）。 英特尔提高性能和 可管理性 图5，服务器/工作站系统中的PCI Express*示例 PCIe*转换器集成在芯片组中。 图6，针对Microsoft* Device Manager设计的英特尔 ® PROSet程序。在该实用程序的帮助下，用户可通过简单 的点击操作，设置所有的网卡特性，包括分组和虚拟局域 网（VLAN）配置。 † 2006年上半年上市。如欲了解关于此技术的更多信息，请访问：www.intel.com/technology/ioacceleration/index.htm 总结 PCI Express是全新第三代I/O串行总线标准，其性能超越了以 前的PCI标准（PCI和PCI-X）。但是PCI、PCI-X与PCI Express仍将 在未来的一段时间内同时存在。PCI Express可提供专用、高 性能、可扩展的带宽总线，能够提供卓越的以太网性能。 其功能远远超越了PCI和PCI-X的共享多点架构。 为支持千兆位以太网向PCI Express总线架构的过渡，英特尔 已经推出英特尔PRO/1000 PT和PF网卡家族，无论铜线还是 光纤均可得到良好的支持。英特尔®PCI Express网卡家族采 用英特尔®无铅技术1，完全符合RoHS指令2；并融入到面向 PCI和PCI-X的英特尔PRO网卡的广泛产品线中。其中包括针 对光纤和Cx4铜线设计的万兆位以太网卡。 英特尔®PRO/1000 PF网卡可在PCI Express插槽接口中使用。 当与Microsoft的接收端扩展技术或Linux*中的可扩展 I/O一 起使用时，英特尔PRO/1000 PF网卡能够有效平衡多个中央 处理器（CPU）间的网络负载，从而实现极高的多处理器系统 性能。此外，英特尔还推出了基于英特尔®I/O加速技术的全 新网卡。此类网卡可提高网络和存储 I/O的性能，进一步改 善应用响应 英特尔®PROSet专为Microsoft* Device Manager设计。它可以 简化网卡的管理，其中包括先进的分组方法。如图6所示， 英特尔PROSet实用程序采用了Windows*外观和风格。用户 只需进行简单的点击操作，便可以访问网卡驱动和配置特性， 其中包括用来进行端口聚合和容错故障切换的网卡分组特性。 如欲了解有关英特尔网络连接的更多信息，请访问：www.intel.com/cn/network/connectivity 如欲了解所有支持PCI Express标准的英特尔®PRO/1000网卡，请访问：www.intel.com/go/pcie 308781-001CN 本文件及相关材料和信息以“概不保证”方式提供，英特尔不作任何形式的保证，包括对适销性、不侵权性，以及适用于特定用途的担 保，或任何由建议、规范或范例所产生的任何其它担保。英特尔对本文包含的任何错误信息，以及因使用相关信息所产生的问题不承担 任何责任和义务。 版权所有©2007英特尔公司。所有权利受到保护。英特尔、Intel标识、Intel.超越未来.、Intel.超越未来.标识和英特尔PRO是英特尔公司在美国和 其他国家（地区）的商标。 *文中涉及的其它名称及商标属于各自所有者资产。 虽然没有故意添加铅，但产品中仍可能存在铅金属杂质 — 浓度低于1000 ppm。 《限制使用某些有害物质指令》(RoHS Directive) 已对铅和其它元素的使用作出规定：(1) 此类金属含量应低于欧盟所规定的限值；(2) 或符 合经过批准/未决的例外情况。 2 1