同学们，你们知道什么是PCIe协议吗？ PCIe协议是Peripheral Component Interconnect Express的缩写，是一种高速串口计算机扩展总线标准，主要用于连接计算机系统中的各种设备，如显卡、网卡、声卡等。 PCIe协议是在旧PCI协议的基础上，但是它有很多新的功能和优点，下面我们就一一来看看吧。
首先，PCIe协议使用点对点串行通信，而不是像PCI协议那样的共享并行总线。 这意味着每个PCIe设备都有自己的专用数据通道，不需要与其他设备争夺总线资源，也不会受到其他设备的干扰。 我们可以将PCIe协议视为一条高速公路，其中每个设备都有自己的车道，可以自由行驶而不会发生交通拥堵或碰撞。 PCI协议就像一条普通的道路，所有设备都要挤在一起，很容易造成拥堵或事故。
其次，PCIe协议支持多种不同的通道数和速率，可以根据不同的设备和需求灵活配置和扩展。 通道数是指每个PCIe设备的数据通道数，每个通道由两对数据线组成，一对用于发送，一对用于接收。 速率是指每个通道每秒可以传输的数据量，表示为GT S（GigaTransfer per Second）。 PCIe协议目前有六个版本，从1开始0 到 60，每个版本的通道数和速率都不同，如下表所示：
从表中可以看出，PCIe协议的速率和带宽随着版本的增加而增加，这为高性能设备提供了更大的数据传输能力。 我们可以根据不同的设备选择合适的通道数和版本，例如显卡一般使用x16的通道数，网卡一般使用x1或x4的通道数，不同的设备可以使用不同的版本，例如PCIe 40 的显卡可以与 PCIe 3 进行比较兼容 0 个主板，但速率将降低到 PCIe 30 级。
第三，PCIe协议采用多层协议结构，可实现数据的有效传输和配置。 PCIe协议的层次结构有点类似于TCP IP的协议实现，但PCIe协议的各个层都是通过硬件逻辑实现的。 PCIe协议的层次结构如下图所示：
从图中可以看出，PCIe协议由四层组成，分别是应用层、事务层、数据链路层和物理层。 每个级别都有自己的功能和作用，下面简单介绍一下：
应用程序层：这是负责处理应用程序和设备驱动程序请求以及提供配置和管理功能的最高层。 应用层的数据单元称为事务层数据包（TLP），是PCIe协议的基本传输单元，包含目的地址、数据长度、数据内容等信息。
事务层：这是第二层，负责对应用层的TLP进行封装和解封，以及执行流量控制、错误检测、重传等功能。 事务层的数据单元称为数据链路层数据包（DLLP），是数据链路层的基本传输单元，包含序列号、校验位、类型等信息。
数据链路层：这是第三层，负责对事务层的DLLP进行编码和解码，以及发送和接收数据，以及确认、重传、电源管理等功能。 数据链路层的数据单元称为符号，是物理层的基本传输单元，包含数据位、控制位等信息。
物理层：这是最低层，负责对数据链路层的符号进行序列化和并行化，以及生成和检测电信号，以及执行时钟恢复、速率协商和极性反转等功能。 物理层的数据单元称为比特，是最基本的传输单元，包含0和1两种状态。
通过这样的层次结构，PCIe协议可以实现数据的高效传输和配置，同时也保证了与旧PCI协议的兼容性，因为应用层的TLP格式与PCI协议的数据格式相同。
最后，PCIe协议采用BDF标识符和配置空间机制，可以实现设备的识别和配置。 BDF是bus、device、function的缩写，是总线上每个PCIe设备的唯一标识符，它由三部分组成，即总线号、设备号和功能号。 总线号占用 8 位数字来表示设备的总线号，最多支持 256 个子总线。 设备 ID 占用 5 位数字，指示设备在总线上的位置，最多支持 32 个设备。 功能编号占用3位数字，代表设备的不同功能，最多支持8个功能。 例如，一个 NIC 可能有两个函数，一个是发送数据，另一个是接收数据，那么它有两个函数号，分别是 0 和 1。 借助 BDF 标识符，我们可以唯一地确定每个 PCIe 设备的位置和功能。
配置空间是每个PCIe设备的内存区域，用于存储设备的各种信息和参数，例如供应商ID、设备ID、类别代码、状态寄存器、中断向量等。 配置空间的大小为 4 KB，分为基本配置空间和扩展配置空间两部分。 基本配置空间的大小为256字节，与PCI协议相同，用于存储设备的基本信息。 扩展配置空间的大小为 3840 字节，用于存储设备的扩展信息，如电源管理、热管理、虚拟化等。 通过配置空间，我们可以读取和修改每个PCIe设备的信息和参数，实现设备的识别和配置。
通过本文，我们了解了什么是PCIe协议，它有哪些功能和优势，以及它如何实现数据传输和配置。 我们了解了PCIe协议的概念，如层次结构、总线架构、BDF标识符、配置空间等，以及它们的作用和意义。 我们还使用了一些视觉隐喻来帮助学生记住和理解PCIe协议的原理。 希望同学们能够掌握PCIe协议的知识，利用PCIe协议技术提高计算机系统的性能和效率。