最近在學習驅動開發過程中涉及到PCI相關知識，在網上看了很多文章，良莠不齊，我總結一下比較好的文章分享給大家，那就從源頭開始說起。
PCI總線和設備樹是X86硬件體系內很重要的組成部分，幾乎所有的外圍硬件都以這樣或那樣的形式連接到PCI設備樹上。雖然Intel爲了方便各種IP的接入而提出IOSF總線，但是其主體接口(primary interface)還依然是PCIe形式。我們下面分成兩部分介紹PCI和他的繼承者PCIe（PCI express）：第一部分是歷史沿革和硬件架構；第二部分是軟件界面和UEFI中的PCI/PCe。
自PC在1981年被IBM發明以來，主板上都有擴展槽用於擴充計算機功能。現在最常見的擴展槽是PCIe插槽，實際上在你看不見的計算機主板芯片內部，各種硬件控制模塊大部分也是以PCIe設備的形式掛載到了一顆或者幾顆PCI/PCIe設備樹上。固件和操作系統正是通過枚舉設備樹們才能發現絕大多數即插即用（PNP）設備的。那究竟什麼是PCI呢？
PCI/PCIe的歷史
在我們看PCIe是什麼之前，我們應該要了解一下PCIe的祖先們，這樣我們才能對PCIe的一些設計有了更深刻的理解，並感嘆計算機技術的飛速發展和工程師們的不懈努力。
1. ISA (Industry Standard Architecture)
2. MCA (Micro Channel Architecture)
3. EISA (Extended Industry Standard Architecture)
4. VLB (VESA Local Bus)
5. PCI (Peripheral Component Interconnect)
6. PCI-X (Peripheral Component Interconnect eXtended)
7. AGP (Accelerated Graphics Port)
8. PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)
科技的每一步前進都是爲了解決前一代中出現的問題，這裏的問題就是速度。作爲擴展接口，它主要用於外圍設備的連接和擴展，而外圍設備吞吐速度的提高，往往會倒推接口速度的提升。第一代ISA插槽出現在第一代IBM PC XT機型上（1981），作爲現代PC的盤古之作，8位的ISA提供了4.77MB/s的帶寬（或傳輸率）。到了1984年，IBM就在PC AT上將帶寬提高了幾乎一倍，16位ISA第二代提供了8MB/s的傳輸率。但其對傳輸像圖像這種數據來說還是杯水車薪。
IBM自作聰明在PS/2產品線上引入了MCA總線，迫使其他幾家PC兼容機廠商聯合起來搗鼓出來EISA。因爲兩者都期待兼容ISA，導致速度沒有多大提升。真正的高速總線始於VLB，它綁定自己的頻率到了當時486 CPU內部總線頻率：33MHz。而到了奔騰時代，內部總線提高到了66MHz，給VLB帶來了嚴重的兼容問題，造成致命一擊。
Intel在1992年提出PCI（Peripheral Component Interconnect）總線協議，並召集其它的小夥伴組成了名爲 PCI-SIG (PCI Special Interest Group)（PCI 特殊興趣組J）的企業聯盟。從那以後這個組織就負責PCI和其繼承者們（PCI-X和PCIe的標準制定和推廣。
不得不點贊下這種開放的行爲，相對IBM當時的封閉，合作共贏的心態使得PCI標準得以廣泛推廣和使用。有似天雷勾動地火，統一的標準撩撥起了外圍設備製造商的創新，從那以後各種各樣的PCI設備應運而生，豐富了PC的整個生態環境。
PCI總線標準初試啼聲就提供了133MB/s的帶寬(33MHz時鐘，每時鐘傳送32bit)。這對當時一般的臺式機已經是超高速了，但對於服務器或者視頻來說還是不夠。於是AGP被髮明出來專門連接北橋與顯卡，而爲服務器則提出PCI-X來連接高速設備。
2004年，Intel再一次帶領小夥伴革了PCI的命。PCI express（PCIe，注意官方寫法是這樣，而不是PCIE或者PCI-E）誕生了，其後又經歷了兩代，現在是第三代(gen3，3.0)，gen4有望在2017年公佈，而gen5已經開始起草中。
下面這個大表列出所有的速度比較。其中一些x8,x16的概念後面細節部分有介紹。
從下面的主頻變化圖中，大家可能注意到更新速度越來越快。
PCI和PCIe架構
1。PCI架構
一個典型的桌面系統PCI架構如下圖：
如圖，桌面系統一般只有一個Host Bridge用於隔離處理器系統的存儲器域與PCI總線域，並完成處理器與PCI設備間的數據交換。每個Host Bridge單獨管理獨立的總線空間，包括PCI Bus, PCI I/O, PCI Memory, and PCI
Prefetchable Memory Space。桌面系統也一般只有一個Root Bridge，每個Root Bridge管理一個Local Bus空間，它下面掛載了一顆PCI總線樹，在同一顆PCI總線樹上的所有PCI設備屬於同一個PCI總線域。一顆典型的PCI總線樹如圖：
從圖中我們可以看出 PCI 總線主要被分成三部分：
1. PCI 設備。符合 PCI 總線標準的設備就被稱爲 PCI 設備，PCI 總線架構中可以包含多個 PCI 設備。圖中的 Audio、LAN 都是一個 PCI 設備。PCI 設備同時也分爲主設備和目標設備兩種，主設備是一次訪問操作的發起者，而目標設備則是被訪問者。
2. PCI 總線。PCI 總線在系統中可以有多條，類似於樹狀結構進行擴展，每條 PCI 總線都可以連接多個 PCI 設備/橋。上圖中有兩條 PCI 總線。
3. PCI 橋。當一條 PCI 總線的承載量不夠時，可以用新的 PCI 總線進行擴展，而 PCI 橋則是連接 PCI 總線之間的紐帶。
服務器的情況要複雜一點，舉個例子，如Intel志強第三代四路服務器，共四顆CPU，每個CPU都被劃分了共享但區隔的Bus, PCI I/O, PCI Memory範圍，其構成可以表示成如下圖：
可以看出，只有一個Host Bridge，但有四個Root Bridge，管理了四顆單獨的PCI樹，樹之間共享Bus等等PCI空間。
在某些時候，當服務器連接入大量的PCI bridge或者PCIe設備後，Bus數目很快就入不敷出了，這時就需要引入Segment的概念，擴展PCI Bus的數目。如下例：
如圖，我們就有了兩個Segment，每個Segment有自己的bus空間，這樣我們就有了512個Bus數可以分配，但其他PCI空間因爲只有一個Host Bridge所以是共享的。會不會有更復雜的情況呢? 在某些大型服務器上，會有多個Host bridge的情況出現，這裏我們就不展開了。
PCI標準有什麼特點嗎？
1. 它是個並行總線。在一個時鐘週期內32個bit（後擴展到64）同時被傳輸。引腳定義如下：
地址和數據在一個時鐘週期內按照協議，分別一次被傳輸。
2. PCI空間與處理器空間隔離。PCI設備具有獨立的地址空間，即PCI總線地址空間，該空間與存儲器地址空間通過Host bridge隔離。處理器需要通過Host bridge才能訪問PCI設備，而PCI設備需要通過Host bridge才能主存儲器。在Host bridge中含有許多緩衝，這些緩衝使得處理器總線與PCI總線工作在各自的時鐘頻率中，彼此互不干擾。Host bridge的存在也使得PCI設備和處理器可以方便地共享主存儲器資源。處理器訪問PCI設備時，必須通過Host bridge進行地址轉換；而PCI設備訪問主存儲器時，也需要通過Host bridge進行地址轉換。
深入理解PCI空間與處理器空間的不同是理解和使用PCI的基礎。
3.擴展性強。PCI總線具有很強的擴展性。在PCI總線中，Root Bridge可以直接連出一條PCI總線，這條總線也是該Root bridge所管理的第一條PCI總線，該總線還可以通過PCI橋擴展出一系列PCI總線，並以Root bridge爲根節點，形成1顆PCI總線樹。在同一條PCI總線上的設備間可以直接通信，並不會影響其他PCI總線上設備間的數據通信。隸屬於同一顆PCI總線樹上的PCI設備，也可以直接通信，但是需要通過PCI橋進行數據轉發。
2。PCIe架構
PCI後期越來越不能適應高速發展的數據傳輸需求，PCI-X和AGP走了兩條略有不同的路徑，PCI-x不斷提高時鐘頻率，而AGP通過在一個時鐘週期內傳輸多次數據來提速。隨着頻率的提高，PCI並行傳輸遇到了干擾的問題：高速傳輸的時候，並行的連線直接干擾異常嚴重，而且隨着頻率的提高，干擾（EMI）越來越不可跨越。
亂入一個話題，經常有朋友問我爲什麼現在越來越多的通訊協議改成串行了，SATA/SAS，PCIe，USB，QPI等等，經典理論不是並行快嗎？一次傳輸多個bit不是效率更高嗎？從PCI到PCIe的歷程我們可以一窺原因。
PCIe和PCI最大的改變是由並行改爲串行，通過使用差分信號傳輸（differential transmission），如圖
相同內容通過一正一反鏡像傳輸，干擾可以很快被發現和糾正，從而可以將傳輸頻率大幅提升。加上PCI原來基本是半雙工的（地址/數據線太多，不得不復用線路），而串行可以全雙工。綜合下來，如果如果我們從頻率提高下來得到的收益大於一次傳輸多個bit的收益，這個選擇就是合理的。我們做個簡單的計算:
PCI傳輸: 33MHz x 4B = 133MB/s
PCIe 1.0 x1: 2.5GHz x 1b = 250MB/s (知道爲什麼不是2500M / 8=312.5MB嗎？)
速度快了一倍!我們還得到了另外的好處，例如佈線簡單，線路可以加長（甚至變成線纜連出機箱！），多個lane還可以整合成爲更高帶寬的線路等等。
PCIe還在很多方面和PCI有很大不同：
1. PCI是總線結構，而PCIe是點對點結構。一個典型的PCIe系統框圖如下：
一個典型的結構是一個root port和一個endpoint直接組成一個點對點連接對，而Switch可以同時連接幾個endpoint。一個root port和一個endpoint對就需要一個單獨的PCI bus。而PCI是在同一個總線上的設備共享同一個bus number。過去主板上的PCI插槽都公用一個PCI bus，而現在的PCIe插槽卻連在芯片組不同的root port上。
2. PCIe的連線是由不同的lane來連接的，這些lane可以合在一起提供更高的帶寬。譬如兩個1lane可以合成2lane的連接，寫作x2。兩個x2可以變成x4，最大直到x16，往往給帶寬需求最大的顯卡使用。
3. PCI配置空間從256B擴展爲4k，同時提供了PCIe memory map訪問方式，我們在軟件部分會詳細介紹。
4.PCIe提供了很多特殊功能，如Complete Timeout(CTO)，MaxPayload等等幾十個特性，而且還在隨着PCIe版本的進化不斷增加中，對電源管理也提出了單獨的State（L0/L0s/L1等等）。這些請參見PCIe 3.0 spec，本文不再詳述。
5. 其他VC的內容，和固件理解無關，本文不再提及。INT到MSI的部分會在將來介紹PC中斷系統時詳細講解。
PCIe 1.0和2.0採用了8b/10b編碼方式，這意味着每個字節（8b）都用10bit傳輸，這就是爲什麼2.5GHz和5GHz時鐘，每時鐘1b數據，結果不是312.5MB/s和625MB/s而是250MB/s和500MB/s。PCIe 3.0和4.0採用128b/130b編碼，減小了浪費（overhead），所以才能在8GHz時鐘下帶寬達到1000MB/s（而不是800MB/s）。即將於今年發佈的PCIe 4.0還會將頻率提高一倍，達到16GHz，帶寬達到2GB/s每Lane。
後記
對於一般用戶來說，PCIe對用戶可見的部分就是主板上大大小小的PCIe插槽了，有時還和PCI插槽混在一起，造成了一定的混亂，其實也很好區分：
如圖，PCI插槽都是等長的，防呆口位置靠上，大部分都是純白色。PCIe插槽大大小小，最小的x1，最大的x16，防呆口靠下。各種PCIe插槽大小如下：
常見問題：
Q:我主板上沒有x1的插槽，我x1的串口卡能不能插在x4的插槽裏。
A: 可以，完全沒有問題。除了有點浪費外，串口卡也將已x1的方式工作。
Q:我主板上只有一個x16的插槽，被我的顯卡佔據了。我還有個x16的RAID卡可以插在x8的插槽內嗎？
A: 你也許會驚訝，但我的答案同樣是：可以！你的RAID卡將以x8的方式工作。實際上來說，你可以將任何PCIe卡插入任何PCIe插槽中! PCIe在鏈接training的時候會動態調整出雙方都可以接受的寬度。最後還有個小問題，你根本插不進去！呵呵，有些主板廠商會把PCIe插槽尾部開口，方便這種行爲，不過很多情況下沒有。這時怎麼辦？你懂的。。。。
Q: 我的顯卡是PCIe 3.0的，主板是PCIe2.0的，能工作嗎？
A: 可以，會以2.0工作。反之，亦然。
Q: 我把x16的顯卡插在主板上最長的x16插槽中，可是benchmark下來卻說跑在x8下，怎麼回事?！
A: 主板插槽x16不見得就連在支持x16的root port上，最好詳細看看主板說明書，有些主板實際上是x8。有個主板原理圖就更方便了。
Q: 我新買的SSD是Mini PCIe的，Mini PCIe是什麼鬼？
A: Mini PCIe接口常見於筆記本中，爲54pin的插槽。多用於連接wifi網卡和SSD，注意不要和mSATA弄混了，兩者完全可以互插，但大多數情況下不能混用（除了少數主板做了特殊處理），主板設計中的防呆設計到哪裏去了！請仔細閱讀主板說明書。另外也要小心不要和m.2(NGFF)搞混了，好在卡槽大小不一樣。