發布日期：2022-04-18 點擊率：73
USB總線速度不夠？PCIe總線有機會取而代之
當USB速度不夠快了，怎么辦？這種情況會發生在每臺PC、NB、及全世界每種電腦周邊裝置，我們總是需要更快的傳輸速度。消費者是永遠不會被滿足的一群，業者當然不能認為消費者對于掌上型裝置之間傳輸速度的需求，會比現今PC上網傳輸的速度來得低。
通用序列匯流排(USB)是全球普遍的連結標準。USB的傳輸速度從最初的1.5Mb、12Mb，一直發展到目前的480Mb高速USB傳輸。然而，當480Mb的速度已不夠快時，我們要改用哪一種連結技術？當面臨高畫質影片、快速成長的數位內容，以及全世界對于高品質行動娛樂科技的需求下，消費者對于各種消費性與運算平臺上傳和下載內容速度的需求，都要高于現有解決方案所提供的傳輸速度情況下，PCIe(或PCI Express)會是解決方案嗎？在兩年后，高速USB傳輸會被視為「慢速」嗎？
串流傳輸的需求引起USB壽命的質疑
USB已成功地在市場上全面普及化，幾乎每個PC週邊裝置都采用USB為主要的傳輸介面。在thinkgeek.com網站中可看到USB電熱杯墊、USB水族箱、甚至是USB煙灰缸(圖1)。當然還有其他更常見的USB週邊裝置，例如印表機、掃描器、滑鼠以及像隨身碟這類的儲存裝置。此外，大多數的應用皆能支援高速USB(通常稱為USB 2.0介面)的頻寬限制。
對于USB使用壽命的質疑，源自于影音應用新寬頻的需求。視頻采集是PC產業其中一個成長最迅速的領域。微軟在這幾年持續擴充Windows作業系統對于媒體應用的支援，甚至特別針對視頻采集與播放的需求，量身打造一款名為「Windows Media Center Edition」的作業系統。
視頻采集會佔用大量的頻寬。例如標準畫質的影片格式每秒傳輸速度為27Mb，也因此會佔掉USB 2.0高速介面一半以上的頻寬。雖然USB 2.0號稱每秒傳輸速度高達480Mbits或60Mbytes的水準，但由于PC內主控端晶片組的速度限制，實際上每秒只有40Mb～48Mb的傳輸速度。其實在這樣的應用下，USB仍可提供足夠的頻寬支援在PC上觀看電視節目之用途，那么問題究竟在哪裡？問題在于消費者并不需要單一的電視位元流，而是具備可同時插放和錄影功能的串流，也就是數位錄放影機(DVR)。
數位錄放影機(DVR)因「TiVo」這個品牌而普及；TiVo是第一個能讓使用者方便地運用「時間移轉」功能處理影像的數位裝置。典型的DVR可讓使用者能一邊從頭開始觀賞預錄的節目，另一邊則繼續錄下播放中的其他片段。或者在錄下「插放中」節目時也同時插放之前的畫面，這種「時間移轉」的功能就像「暫停」與「立即重播」功能。例如你可在晚間8點15分從頭觀賞早在8點整就開始的節目。當你在觀看原來8點～8點01分的片段時，同一時間DVR會繼續將8點15分～8點16分插放中的片段，以資料流模式儲存在硬碟中(圖2)。
然而，要配合這類應用，DVR必須能支援三條27Mb/秒的資料傳輸流；一條「儲存資料流」、另一條支援Tuner #2的「延遲資料流」，還有一條是輸出至數位電視的「儲存」串流。隨著內容愈來愈多元化，加上更高品質的影片也需要串流傳輸，導致USB的頻寬不足以支援這類的使用模式，也因此PCIe或PCI Express將成為未來一項重要的技術。
而大多數人對PCIe的焦點，只著重在它取代PCI技術的部分。事實上，企業用戶、消費者以及網路使用者對頻寬持續不斷的需求，才是導致PCI轉移至PCIe傳輸介面的關鍵原因。現今最重要的資料通訊設備平臺大都采用PCI介面，未來則會轉換成PCIe介面(圖3)。
數位電視串流面臨的是設備外的資料傳輸問題，而資料通訊問題則屬于機內的傳輸瓶頸；有趣的是，這兩個不同問題其實都可以透過PCIe或PCI Express得以解決。
高相容性、易轉移性促成PCIe的取代
促成PCIe成功的一個重要原因，是與PCI的定址模式的相容性，使目前所有的應用與驅動程式能維持相同的運作方式！光是這點就替PCIe技術向前推進一大步。此外，PCIe提供每秒250Mb的雙向傳輸速度，而PCI僅限每秒133Mb的單向傳輸，因此這可以讓單通道的PCIe裝置提供比PCI裝置高出2倍或4倍的傳輸速度。16倍速PCIe繪圖卡已經問市，上傳與下載雙向皆提供驚人的每秒4Gb的傳輸速度，同樣的，加上與USB架構的相容性，讓PCIe成為取代PCI和高頻寬的USB理想技術。表1列出PCI、PCIe以及USB之間的基本類同點與差異。
如同PCI轉移至PCIe，在USB轉移至PCIe方面，類同性也扮演重要的角色。從表1中可看出PCIe與USB之間有許多相似的特性，例如序列訊號、點對點的匯流排通訊，以及標準化的傳輸線規格(PCIe正完成標準的制定)。此外，PCIe拓撲與擴充能力皆與USB類似(圖4)。兩種介面都采用點對點的連結模式，因此需要使用擴充裝置。在USB方面，擴充裝置為一個集線器，負責轉接訊號以及轉換傳輸速度，從480MBit高速主控端轉換成維持回溯相容性所需的12MBit速度。在PCIe方面，擴充裝置則稱為交換器。
技術轉移的容易度是技術世代交替成功的重要因素之一。若轉移的難度過高，采用新技術將會造成花費過多、過程冗長的問題，那么新技術的可行性也相對不高。當數十億的USB裝置與PCI介面皆需要轉移至新介面時，轉移的過程是否容易，就成為了關鍵因素，這也是PCIe另一個成功的原因。因此在架構設計的類同性方面也應該納入考量，確保更簡易的轉移過程。
對于現今的產品除了硬體的相容性外，軟體相容性也非常重要。在從USB 1.1轉移至USB 2.0的過程中，業界投入可觀的心力來確保裝置能相容于既有的驅動程式。PCIe亦延續相同的策略。任何PCI介面卡的驅動程式都不需作任何變更就能支援PCIe解決方案。若已經有分類式驅動程式(Windows內建的驅動程式)，那么開發驅動程式的工作就變得更加容易。PCIe與USB已有許多不錯的驅動程式開發套件，因此新設計產品的研發工作都相當類似。事實上，微軟新開發的WDF(Windows Driver Foundation)已納入對USB與PCIe的支援，WDF的目標是讓驅動程式的開發工作更加容易，并減少驅動程式當機的機率。
PCIe直接取代PCI并不困難，因為PCIe與PCI介面卡的大小規格幾乎相同，軟體介面亦設計成和PCI一樣，并預留擴充的彈性與空間，使用者可輕易安裝PCI或PCIe介面卡。
可是也有人不看好PCIe會取代USB的趨勢。與PCI相比，USB的主要優點就是讓週邊裝置能以外接的模式連上主控端系統。這讓各種規格的裝置能輕鬆連結，包括小巧的「大姆哥」一直到體積較大的雷射印表機。USB亦提供較簡易的安裝流程。一般的家用PC使用者并不知道電腦裡是否有PCI或PCIe插槽，當然更不知道還剩幾個插槽可以使用！
PCIe與PCI不同之處在于不僅提供機內的連結介面，PCIe提供外接的連結介面，可作為週邊裝置的連結點。在1991年問市的ExpressCard(圖5)新型擴充卡標準，將取代每部筆記型電腦的PC Card插槽。
ExpressCard可任選USB或PCIe建置
ExpressCard同時是USB和新規格USB裝置的競爭對手，它提供類似USB介面的簡易安裝流程。事實上它內含USB與PCIe介面，讓介面卡廠商能選擇PCIe或USB的建置技術。許多廠商正積極重新設計現有的USB產品，并將其納入ExpressCard的規格。適合采用ExpressCard解決方案的應用包括無線通訊介面，例如藍芽與802.11。
ExpressCard推廣廠商正努力讓桌上型PC產品采用ExpressCard介面。配置在桌上型電腦前方面板的ExpressCard插槽提供一個套高速傳輸介面，比起打開機殼然后插入PCIe介面卡的方式，在安裝方面容易的多，但目前仍沒有PC大廠在其桌上型產品中加入ExpressCard插槽。多家PC大廠只在筆記型電腦產品中加入ExpressCard介面，至今還沒有推出搭載ExpressCard介面的桌上型產品。
USB與PCIe介面擁有這么多的相似點，加上愈來愈多對更高頻寬週邊元件的需求，以及PCIe基礎建設的規格，業界需準備好將其高頻寬週邊元件轉移至PCIe資料匯流排。
這是否意謂USB將會被淘汰？不會！最終USB將繼續扮演成本比PCIe低的解決方案，因為USB的針腳數較少。USB IP愈來愈普遍，包括臺積電與聯電在內的芯片制造商推出IP函式庫，讓采用這種介面的設計工作愈來愈簡單。此外，USB是大家普遍熟悉的技術，而PCIe則是剛發展的新介面。
因為這些特性，因此USB未來數年仍是滑鼠、鍵盤及其他低成本PC週邊裝置的理想解決方案。在寬頻較高的應用方面，USB將會像每秒9.6K/bits數據機一樣，會迅速被高速上網技術淘汰；因為PCIe正將資料傳輸推進一個全新的境界
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