PCI 和 PCIe：区别、发展历程以及在 PC 中的实际应用

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如果你曾经打开过你的塔式机箱，并且看到上面有一堆长短不一的插槽， placa基地你可能想知道它们各自长什么样。例如，它们的名字是…… PCI、PCI-X 和 PCI Express (PCIe)很容易感到困惑，尤其是当你想知道每张卡可以插入哪个位置而不会损坏任何东西时。

本文我们将冷静地进行回顾。 什么是PCI和PCIe？它们如何工作？有哪些版本？它们之间有什么区别？我们还将了解它的历史演变、PCI-X 的作用、每个插槽中使用的卡的类型、PCIe 通道的分配方式，以及这对安装 GPU、高速网卡或 NVMe SSD 等日常操作意味着什么。

什么是PCI：经典的扩展​​标准

PCI（外围组件互连） 多年来，它一直是台式电脑的标准扩展总线。它由英特尔在 20 世纪 90 年代初开发，并迅速成为…… 适用于所有类型卡的通用总线音频、网络、视频、SCSI 控制器等。

这种PCI总线与一种架构兼容。 并行和共享所有连接的设备都连接到同一条总线上，共享可用带宽。这意味着连接的设备越多， 他们必须分蛋糕。 瓶颈风险越大。

PCI卡已到货 32位和64位版本结合 33 或 66 MHz 的频率。在其最典型的配置（32 位，33 MHz）下，该总线提供的理论最大值为 133 MB/s 传输速度当时这样的速度对于音频、10/100 网络或 2D 视频来说已经相当不错了。

PCI在当时的一大优势是它对以下方面的支持： 即插即用该系统本身即可处理资源分配（中断请求、内存地址等），无需像旧版 ISA 标准那样移动跳线或桥接器。这大大简化了普通用户的硬件安装。

在许多较旧的主板上，您仍然会看到几个细长的浅色插槽：这些是…… 传统PCI插槽只要芯片组和操作系统支持，它们就可以继续工作，尽管如今它们已被 PCI Express 完全取代。

什么是 PCI-X？为什么在家用电脑中很少见到它？

介于经典PCI和PCI Express之间的一种标准出现了。 PCI-X（PCI扩展）一个主要为……而设计的进化 专业环境和服务器网卡、存储设备和 RAID 控制器需要更大的带宽。

PCI-X 仍然是 共享并行总线它在物理上与 64 位 PCI 卡兼容，但明显提高了运行频率：许多 PCI-X 卡的运行频率都高于 64 位 PCI-X 卡。 66、100、133 MHz 随着PCI-X 2.0的推出，它达到了 533 MHz实现了大约 1,06 GB /秒 单个插槽。

从物理结构上看，64 位 PCI-X 插槽与 64 位 PCI 插槽非常相似，都具有以下特点： 130mm长度因此，它们会占用炉灶上相当大的空间。这个家庭主要以……为导向。 服务器和工作站如今它实际上已经消失，取而代之的是 PCI Express。

什么是PCI Express？它为什么取代了PCI？

随着速度越来越快的处理器、显卡、硬盘和网络设备的出现，PCI总线显然无法满足需求。人们需要一种更灵活、更具可扩展性的接口，于是，这种接口应运而生。 PCI 高速 (PCIe)这是目前台式机、笔记本电脑和服务器主板的主流标准。

与 PCI 和 PCI-X 不同，PCI Express 不使用共享并行总线。相反，它采用了一种…… 点对点串行架构每个设备都有一个专用的连接。 PCIe交换机 或者直接与 CPU/芯片组通信，无需与其他部分共享带宽。

当你启动电脑时，PCIe系统会执行以下过程： 设备枚举：检测已连接的设备，协商连接 车道数 它将利用每个链路构建一种内部流量地图。好处在于，尽管电子元件不同， 检测和配置协议符合PCI标准因此，操作系统无需重新发明轮子。

每个 PCIe 通道由以下部分组成： 两对微分线它有一条用于发送数据的通道和一条用于接收数据的通道，并以全双工模式运行：它可以同时在两个方向上进行传输。每条通道的速度取决于…… PCIe 一代 （1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0……），并且每一代都很常见。 带宽加倍 与前一个相比。

PCI Express 各代产品及带宽

PCIe 的一大优点在于，它在发展过程中始终保持插槽理念不变，从而维持了其兼容性。 向前和向后兼容性 大多数情况下。然而，有效速度始终取决于…… 慢速版本 涉及（插槽或卡片）。

作为指导原则，这些操作按车道（x1）进行处理。 近似带宽 每代（每个地址的数据量）：

• PCIe 1.0每通道约 250 MB/s。
• PCIe 2.0每通道约 500 MB/s。
• PCIe 3.0：每通道约 1 GB/s。
• PCIe 4.0：每通道约 2 GB/s。
• PCIe 5.0：每通道约 4 GB/s（有效速度为 3,938 GB/s）。
• PCIe 6.0 （开发和初步实施中）：速度更快，采用先进的编码技术继续扩展。

如果你将这些值乘以车道数，你就会明白为什么 PCIe x16 连接器 它可以传输海量数据。例如，即使在老一代人中：

一个简单的 32 位 PCI 总线，频率为 33 MHz 所有设备合计的传输速度保持在 133 MB/s 左右。相比之下， 现代 PCIe 单通道 在 4.0 或 5.0 版本中，这个数字已经远远超过这个值，而且 x16 链接可以达到 每个地址数 GB/s.

PCIe 插槽：x1、x4、x8 和 x16

实际上，当你观察主板时，你会看到不同长度的 PCIe 插槽。这些长度对应于…… 最大车道数 他们能够实际提供的：

• PCIe x1：最短。
• PCIe x4再过一会儿。
• PCIe x8： 中间的。
• PCIe x16：显卡最长、最常见的。

每种类型的老虎机都可以提供 1至16条有效车道但我们必须区分两个概念： 机械长度 老虎机和 实际电气连接x16 形状的插槽只能以 x8 或 x4 的方式连接，这虽然允许物理插入 x16 卡，但会降低带宽。

PCIe x1 插槽

PCIe x1 插槽是最小的插槽，使用单通道。它通常用于…… 不需要太多带宽的显卡声卡、网卡、USB端口扩展卡、中端采集卡等。

对于当前几代的 PCIe（4.0 和 5.0），即使是一条 x1 通道也能提供 性能绰绰有余 这些插槽对于千兆网络、专业音频设备或许多辅助存储设备都非常有用。

PCIe x4 插槽

x4插槽是一种折衷方案。它提供四条通道，非常适合…… 超高速网卡、RAID 控制器、NVMe 适配器或功能强大的采集卡许多 NAS 存储或 M.2 扩展配置都采用了 x4 带宽。

事实上，现代的NVMe SSD，即使它们安装在M.2插槽中， 内部使用 PCIe x4这是实现极高读写传输速度的事实标准。

PCIe x8 插槽

PCIe x8 插槽正变得越来越普遍，尤其是在中高端主板和专业应用中。它们拥有八条可用通道，非常适合…… 中端显卡、多插槽 NVMe 适配器、40 GbE 网卡或复杂的存储配置.

有些预算型显卡虽然可以安装在 x16 插槽中，但其电气性能却被设计为 x8；而另一些主板则使用机械 x16 插槽，但当安装多张显卡时，其线路连接方式却被设计为 x8。

PCIe x16 插槽

派对女王是 PCIe x16 插槽它是最长的，主要设计用于 专用显卡虽然它也用于服务器级网卡和存储设备。

在许多主板上，顶部的 x16 插槽直接与 CPU 连接。 16条完整车道而较低的插槽虽然长度相同，但由于可用通道的限制，可能会被连接成 x8 或 x4。

如果你想进行设置，这一点至关重要。 多张GPU或高性能显卡您应该查看主板规格，了解每个插槽根据所安装的处理器组合提供多少条通道。在消费级平台（Ryzen、Intel Core）上，通常情况下会有…… 16 到 24 条 PCIe 通道直接连接到 CPU而更高端的系列，例如 Threadripper Pro 或服务器处理器（EPYC、Xeon），则提供 64条车道或更多允许多个 GPU 以真正的 x16 模式运行。

数据拓扑：并行与串行

PCI/PCI-X 和 PCI Express 之间的理念差异可以概括如下： 并联电路与点对点串联电路在PCI和PCI-X总线中，所有设备都连接到同一总线，数据通过多条线路并行传输。这种方式在低频下运行良好，但随着速度的提高，性能会下降。 出现了干扰和同步问题。.

使用 PCI Express 时，不再是单一的共享总线，而是由多个总线组成。 专用链路网络每个设备都有自己连接到交换机或 CPU 的链路，该链路由一条或多条通道组成。最终形成一个系统。 效率更高、可扩展性更强、不易受到干扰这样一来，就可以在不受并行总线物理限制的情况下，提高频率和带宽。

物理插槽尺寸和兼容性

在较老的主板上，通常会发现几个 32 位 PCI 插槽（大约 85毫米长有时还需要一张 64 位或 PCI-X 卡（约 130 毫米）。这些设备占用空间较大，并且都共享同一条总线。

现代主板上普遍采用插槽式设计。 PCIe x1、x4、x8 和 x16PCI Express 的一个实际优势是可以使用更短的卡。 可安装在较长的插槽中 （例如，将 x1 卡插入 x4 或 x16 插槽），前提是插槽空闲或设计允许。该卡将以其设计支持的通道数运行。

但反过来不行：x16 显卡无法插入 x1 插槽。PCI 和 PCIe 显卡也不能混用。 它们在插槽级别上不兼容。虽然某些非常特殊的情况下也有专门的适配器。

性能：为什么 PCIe 让 PCI 过时了

如果仅比较性能数据，PCI 明显落后。 32 位 PCI 总线，频率为 33 MHz 所有设备的总传输速度限制在 133 MB/s，而一条现代 PCIe 通道即可处理 数百兆字节/秒或数千兆字节/秒 按世代划分。

即使是第一代 PCIe x1 连接也能处理 千兆网络、多声道音频和基本存储 毫不费力。在另一端，一个充分利用的 PCIe x16 连接器可以移动。 每个地址数 GB/s这是高性能显卡、AI加速器或大容量存储控制器必不可少的组件。

除了原始带宽之外，PCI Express 还引入了以下改进： 流量优先级排序、实时传输、改进的错误检测算法和数据包转发并且可以为每个设备分配专用通道，防止多个设备争用同一条总线。

PCIe 和显卡：告别 AGP，迎接多 GPU

在 PCIe 普及之前，高性能显卡使用插槽。 AGP（加速图形端口）PCI Express 使 AGP 变得不再必要： PCIe x16 插槽 它提供的带宽比 AGP 8x 大得多，而且还能提供 高达 75W 的功率 直接从主板连接到GPU。

有了合适的硬件，一块主板…… 两个 PCIe x16 插槽 它能够同时处理两张显卡。像英伟达和AMD这样的厂商已经开发出各自的技术（例如SLI、CrossFire等），使两块GPU能够协同工作，在它们之间分配渲染负载。这项技术甚至已被应用于一些专业级和高端游戏系统中。 多个GPU并行运行 用于计算、人工智能或 3D 渲染任务。

在这种情况下，PCI和AGP接口已经完全过时了。现代显卡几乎全部采用PCI和AGP接口。 PCI Express(PCIe)而且该接口非常成熟，至今仍是服务器中 AI 加速器和专用卡的基础。

PCIe插槽的其他用途

PCIe 不仅仅用于 GPU。扩展插槽仍然非常有用。 添加功能或扩展功能 对于电脑来说，尤其是在主板端口有限或需要专业功能的时候。

PCIe 目前常见的用途包括：

• 扩展存储空间 使用可添加多个 NVMe SSD 的扩展卡。
• 更新网络连接 配备 2,5G、10G 或更高以太网适配器，或高级 WiFi 网卡。
• 添加更多端口 使用专用卡，可通过 USB、Thunderbolt、SATA 或 eSATA 接口连接。
• 集成专业音频接口 用于高质量音乐制作或声音编辑。
• 安装专用 RAID 控制器 适用于高级存储服务器或NAS。
• 安装GPU加速器、FPGA或专用显卡 适用于人工智能、机器学习和科学计算工作负载。

由于每个插槽都有其专用链路，PCIe 卡的性能得以提升。 添加更多显卡时，性能下降并不明显。这与经典的PCI总线的情况不同。

PCI Express中的错误和可靠性

在专业和服务器系统中，PCIe 的可靠性至关重要。该标准定义了不同的 错误类型 以及如何管理它们：

• 可纠正的错误它们由 PCIe 硬件本身处理，不会影响长期数据完整性，并且通常对用户是透明的。
• 非致命性、不可纠正的错误这些错误会导致设备层面的数据丢失或信息丢失，但PCIe接口本身保持稳定。它们通常通过设备专用软件进行管理。
• 致命的、无法纠正的错误它们会损害 PCIe 接口的可靠性。它们通常会强制 重启组件或整个链接 恢复系统。

对于制造商提供的设备，如果出现严重的 PCIe 错误，通常建议使用诊断工具，例如制造商自己的实用程序（例如 SupportAssist 应用程序）。 运行快速测试和完整测试，更新驱动程序，并优化系统。 减少问题。

PCI 和 PCIe 兼容性

尽管PCI和PCI Express是不同的标准，但在软件层面上，PCIe的设计初衷是…… 利用相同的编程模型这意味着许多操作系统和驱动程序无需进行重大更改即可适应，而且这两种标准已经在混合主板上共存多年。 同时支持PCI和PCIe插槽.

然而，这种兼容性并非物理上的： 你不能把PCI卡插到PCIe插槽里，反之亦然。虽然已经生产出针对特定用途的专用适配器，但除非您非常清楚自己在做什么，否则这不是一种通用或推荐的解决方案。

随着时间的推移，鉴于 PCIe 具有更高的速度、灵活性以及与现代操作系统的兼容性， PCI卡的空间已经快用完了 在市场上，如今在新主板上看到PCI插槽已经越来越少见，制造商们已将所有精力集中在PCI Express上。

为什么 PCIe 是现在和未来的接口

带宽、可扩展性和兼容性的结合使PCI Express成为…… 个人电脑、工作站和服务器扩展的骨干力量它既可以很好地安装简单的声卡，也可以很好地安装多个 AI GPU 或 NVMe 存储机架。

软件（游戏、4K 和 8K 视频编辑、虚拟现实、人工智能、大数据）的进步持续推动着对硬件的需求。 传输速度越来越快PCIe 的后续版本（4.x、5.x 和目前正在开发的 6.x）正在缩小处理器需求与扩展子系统能够提供的差距。

如今，尽管许多以前需要独立卡的功能现在都已直接集成到主板上（例如音频、网络，有时还包括 Wi-Fi），但 PCIe 插槽仍然存在。 对于高级配置至关重要如果你想组装一台短期内不会显得不够用的电脑，最好留意一下主板提供了多少个 PCIe 插槽，CPU 有多少条通道，以及这些通道是如何分配给 GPU、SSD 和你想添加的其他卡的。

PCI 曾是定义一个时代的关键标准，但如今 PCI Express 才是现代 PC 性能的主要驱动力。了解其插槽、通道和版本如何运作是掌握其工作原理的最佳途径之一。 避免瓶颈，充分发挥设备性能。.