pcie好还是ssd好 PCIe SSD为什么那么快？

现在，固态硬盘已经大步跨入PCIe时代。作为固态硬盘的一项重要技术，我们有必要对PCIe有一个基本的了解。

那为什么SSD要用PCIe接口呢？因为它快，比SATA还快。有多快？我们从PCIe界面的速度开始我们的PCIe之旅。

随着PCIe的发展，从PCIe 1.0，PCIe 2.0到现在的PCIe 3.0，速度一代比一代快。

图1-1 PCIe代的带宽

PCIe 4.0已于2017年发布，但本章仅限于PCIe 3.0及更早版本。

在链路速度行中，我们看到x1，x2，x4，...，这是什么意思？这指的是PCIe路的号码。就像高速，有单条路，两条路和四条路，但是像八条或更多的路并不常见，但是PCIe可以有多达32条车道。

图1-3 PCIe环线的概念

从A到B，是双向连接的。汽车可以从A开到B，同时汽车也可以从B开到A，各奔东西。两个PCIe设备之间有特殊的发送和接收通道，数据可以同时在两个方向上传输。PCIe规范称这种工作模式为双单工模式，可以理解为全双工模式。

SATA是什么工作模式？

图1-4 SATA工作模式

与PCIe一样，SATA有独立的发送和接收通道，但与PCIe的工作模式不同:同时，只有一个通道可以传输数据，即您可以在一个通道上发送数据，而不能在另一个通道上接收数据，反之亦然。这种工作模式是半双工模式。

PCIe就像我们的手机，双方可以同时通话，而SATA是对讲机，一个人在说话，另一个人只能听而不能说。

回到前面的PCIe带宽表，上面的带宽，比如PCIe3.0x1，是2GB/s，也就是双向带宽，也就是读写带宽。如果单个手指读写，则该值应该减半，即读取速度或写入速度为1gb/s。

让我们看看表中的带宽是如何计算的。

PCIe是一条串行总线，PCIe1.0的在线位传输速率为2.5 GB/s，物理层采用8/10编码，即8位数据。实际上，需要在物理线路上传输10位，额外的2位用于验证。因此:

PCIe1.0 x 1 =(2.5Gb/s x 2(双向通道))/10bit = 0.5GB/s的带宽

这是单个通道的带宽，有几个通道，所以整个带宽计算就是通道数乘以0.5 GB/s。

PCIe2.0的在线位传输速率在PCIe1.0的基础上翻倍至5Gb/s，物理层也采用8/10编码，所以:

PCIe2.0 x 1的带宽=(5Gb/s x 2(双向通道))/10bit = 1GB/s

同样，有多少个通道，带宽是1GB/s乘以通道数。

PCIe3.0的在线位传输速率在PCIe2.0上没有翻倍，不是10Gb/s，是8Gb/s，但是物理层使用128/130编码进行数据传输，所以:

PCIe3.0 x 1 =(8Gb/s x 2(双向通道)x(128位/130位))/8位≈ 2GB/s的带宽

同样，有多少个通道，带宽是2GB/s乘以通道数。

128/130编码，128位数据，只增加2位开销，有效数据传输率提高。虽然在线位传输速率没有翻倍，但在PCIe2.0的基础上，有效数据带宽翻倍。

这里值得一提的是，在上面计算的数据带宽中考虑了8/10或128/130编码。因此，在计算带宽时，不需要考虑在线编码。

与SATA单通道不同，PCIe连接可以通过增加通道数量来扩展带宽，非常灵活。通道越多，速度越快。但是通道越多，成本越高，占用空，耗电越多。所以使用了多少通道，要在性能和其他因素之间综合考虑。只考虑性能，PCIe的最高带宽可以达到64GB/s，也就是PCIe 3.0 x 32对应的带宽，这是很可怕的数据。但是，现有的PCIe固态硬盘通常使用多达4个通道，如PCIe3.0x4，双向带宽为8GB/s，读写带宽为4 GB/s

图1-5英特尔PCIe固态硬盘750的规格

几GB/s的传输速度，看起来像是一部小电影那是一个杠杆。

这里顺便计算一下PCIe3.0x4的理论最大4K IOPS，PCIe3.0x4理论最大读写速度为4GB/s，不考虑协议开销每秒可以传输4GB/4K 4K IOs，为1M，也就是理论最大IOPS为1000K。因此，固态硬盘的接口速度，无论您使用什么介质作为底层，闪存还是3D点，都是如此之快，以至于最大IOPS不能超过这个值。

PCIe是由PCI发展而来，PCIe的“e”是express的缩写，意思是快速。PCIe怎么可能比PCI(或者PCI-X)快？PCIe在物理传输上与PCI有本质区别:PCI使用并口传输数据，PCIe使用串口传输数据。我的PCI并行总线单个时钟周期可以传输32位或者64位，那为什么不能和你的串行总线单个时钟周期传输1位数据相比呢？

为什么长腿姚明跑不过短腿刘翔？因为刘翔的脚步更快。

在实际时钟频率比较低的时候，并口可以同时传输几个比特，所以速度确实比串口快。随着技术的发展，要求数据传输速率越来越快，时钟频率也要求越来越快。然而，并行总线的时钟频率不能像期望的那样快。

图1-6并行传输时序

在发送端，数据在某个时钟沿(左时钟的第一个上升沿)传输，在接收端，数据在下一个时钟沿(右时钟的第二个上升沿)接收。因此，为了在接收端正确收集数据，要求时钟的周期必须大于数据传输时间(从发送端到接收端)。受数据传输时间的限制(也是随着数据线长度的增加而增加)，时钟频率不能做得太高。此外，当时钟信号在线路上传输时，还会出现时钟偏移，这将影响接收端的数据采集。此外，在并行传输中，接收器必须等待最慢的位数据到达，然后才能锁定整个数据(信号偏斜)。

PCIe使用串行总线进行数据传输，没有这些问题。它没有外部时钟信号，它的时钟信息通过8/10编码或128/130编码嵌入到数据流中，接收机可以从数据流中恢复时钟信息。所以不受数据在线传输时间的限制，你的线有多长，你的数据传输频率有多快都是没问题的。没有外部时钟信号，自然不存在所谓的时钟偏斜问题；因为是串行传输，所以只有一位传输，所以不存在信号偏斜问题。但是如果用多通道传输数据(串行有并行，哈哈)，这个问题又回来了，因为接收端也要等最慢通道的数据到达，才能处理整个数据。但别担心，PCIe可以自己解决这个问题。

本文节选自《SSD浅显:固态存储核心技术、原理及实战》一书

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