PCIe一统江湖背后：英特尔漂亮的翻身仗

👆如果您希望可以时常见面，欢迎标星🌟收藏哦~

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

在过去的四十年里，个人计算发生了很大的变化，其中最大的变化之一，也许是最不为人知的变化，就是兼容性。如今，您通常无法通过插入计算机不支持的操纵杆来烧毁计算机。简而言之，标准化慢慢地解决了这个问题。

基础标准的最佳示例之一是外围组件互连 (PCI：peripheral component interconnect)，它出现于 20 世纪 90 年代初，并于 30 年前出现在一些本世纪最早的消费类机器中。时至今日，PCI 插槽仍用于通过传输数据和控制信号的总线将网卡、声卡、磁盘控制器和其他外围设备连接到计算机主板。

PCI 的经验教训逐渐影响了 USB 等其他标准，并最终使计算机不再那么令人沮丧。那么我们是如何得到它的呢？

拥抱标准：计算行业给自己的礼物

在 20 世纪 80 年代，当你使用 Apple II、Commodore 64 或 MS-DOS 机器时，你基本上被锁定在一个生态系统中。软盘通常不兼容。外围设备无法跨平台工作。如果您想在 20 世纪 80 年代销售硬件，您就会陷入构建同一设备的多个版本的困境。

例如，KoalaPad是 20 世纪 80 年代初销售的常见绘图工具，适用于多种平台，包括Atari 800、Apple II、TRS-80、Commodore 64和IBM PC。每个平台上的设备本质上都是相同的，然而 KoalaPad 的制造商 Koala Technologies 必须制造该设备的五个不同版本，采用五种不同的制造工艺、五种不同的连接器、五种不同的软件包以及大量的开销。这是一种浪费，使硬件制造商的成本更高，并增加了消费者的困惑。

这种情况在 1982 年左右开始慢慢发生变化，当时IBM PC 克隆市场开始腾飞。这是一次令人愉快的意外——IBM 决定在其 PC 中使用大量现成组件，意外地将它们变成了事实上的标准。渐渐地，计算平台变得越来越难以成为自己的孤岛。即使 IBM 本身尝试向计算世界推销其PS/2 系列的一系列专有标准但失败了，它也没有奏效。秘密已经泄露了，一切都已经太迟了。

那么我们是如何制定出今天的标准，特别是 PCI 扩展卡标准的呢？PCI 并不是唯一的游戏 — 例如，您可能会争辩说，如果情况不同，我们都会使用NuBus或微通道（Micro Channel ）架构。但它似乎是一个长期的标准，远远超出了同时代的其他竞争标准。

谁负责牵头制定该标准？英特尔。虽然 PCI 是一种跨平台技术，但事实证明，在 IBM 已经放弃了动力，选择专注于自己的 PowerPC 架构和更窄的PC 架构之际，它被证明是芯片制造商巩固其在 PC 市场权力的重要战略。相反，它的功能类似于ThinkPad，并且不再塑造 PC 的架构。

PCI 的愿景很简单：一种互连标准，并不局限于一行处理器或一条总线。但不要将标准化误认为是合作。PCI 是一颗棋子——与 PC 制造商所玩的游戏不同的一部分。

20 世纪 90 年代初，英特尔需要一场胜利

在 1993 年英特尔奔腾芯片组问世之前的几年里，似乎有人对英特尔能否保持其在桌面计算领域的领先地位表示怀疑。

在低端消费机器领域，Advanced Micro Devices ( AMD ) 和Cyrix等厂商开始撼动自己的地位。在高端专业市场，Sun Microsystems、Silicon Graphics和Digital Equipment Corporation等公司的工作站级计算表明，从长远来看，英特尔没有生存空间。另一方面，该公司突然发现自己面临着 IBM、摩托罗拉和苹果的三重威胁，后者的PowerPC芯片即将上市。

当时彭博社的一篇文章将英特尔描述为夹在这两个极端之间：

如果其竞争对手继续获胜，英特尔最终可能会全面失利。

这不是无谓的威胁。Cyrix Corp. 和 Chips & Technologies Inc. 重新创建并改进了英特尔的 386，他们称这没有侵犯版权或专利。AMD至少暂时在法庭上赢得了根据英特尔于 1985 年取消的许可协议生产 386 克隆产品的权利。在过去 12 个月里，AMD 赢得了 40% 的市场份额，自 1985 年以来，该市场为英特尔带来了 20 亿美元的利润和23亿美元现金储备。486 接下来可能会受到影响。英特尔降价速度之快超过其历史上任何新芯片的降价速度。5 月中旬，Cyrix 发布了一款具有一些类似功能的芯片后，一款型号的价格又增加了 50%。尽管486的平均价格仍然是386的四倍，但分析师表示，英特尔今年的利润可能增长不到5%，达到约8.5亿美元。

英特尔的芯片还面临着另一个挑战。个人电脑需求的下降减缓了先进个人电脑的创新。这在桌面市场的顶端（也是利润最高的一端）留下了一个空白，Sun、惠普公司和其他强大工作站制造商正在努力填补这一空白。得益于基于 RISC（即简化指令集计算）技术的微处理器，工作站拥有令人眼花缭乱的图形和更多的功能，可以方便地执行复杂的任务并通过网络更快地移动数据。有些与高端个人电脑一样便宜。因此，工作站制造商现在正在向股票交易商、银行和航空公司等个人电脑买家进军。

事实证明，这是对英特尔市场地位的严重低估。该公司实际上处于有利地位，可以通过标准化来塑造行业的方向。他们对数百万台计算机主板上出现的内容有直接的发言权，这赋予了他们令人印象深刻的运用能力。如果英特尔不想支持某个标准，那么该标准很可能会被搁置。

英特尔的决定

视频电子标准协会( VESA：Video Electronics Standards Association) 如今最出名的可能是其计算机显示器安装系统及其DisplayPort 技术。但在 20 世纪 90 年代初，它正在开发一种以视频为中心的工业标准架构(ISA) 内部总线的后继产品，该总线广泛用于 IBM PC 克隆产品。

总线是让 CPU 与内部和外部外围设备通信的物理布线，是计算的基石，但如果设置不当，则会成为瓶颈。ISA 扩展卡插槽在 20 世纪 80 年代已成为事实上的标准，在其第一个十年中为 IBM PC 克隆市场提供了一些可以借鉴的东西。但到了 20 世纪 90 年代初，对于高带宽应用（尤其是视频）来说，它阻碍了创新。即使它已经从能够同时处理 8 位数据升级到 16 位数据，但它的速度仍然不够快。

这就是 VESA 本地总线 (VL-Bus) 发挥作用的地方。该标准仅适用于视频卡，提供更快的连接，并且可以处理 32 位数据。它针对的是 Super VGA 标准，该标准在 Windows 最终开始占领市场时提供了更高的分辨率（高达 1280 x 1024 像素）和更丰富的色彩。为了克服 ISA 总线的限制，显卡和主板制造商开始在专有接口上进行合作，创建了一系列不兼容的图形总线。Super VGA 缺乏一致的体验导致了 VESA 的形成。新的 VESA 插槽试图解决这个问题，它通过一个额外的 32 位视频专用连接器扩展了现有的 16 位 ISA 总线。

这并不是一个巨大的飞跃，更像是获得更好图形效果的权宜之计。

英特尔似乎打算采用 VL-BUS。但有一个问题——英特尔实际上并没有感觉到这一点，并且英特尔并没有向支持 VESA 标准机构的公司明确说明这一点，直到他们做出反应时为时已晚。

据当时的报道：

到目前为止，几乎每个人都期望 VESA 所谓的 VL-Bus 技术成为构建本地总线产品的标准。但就在 VESA 计划宣布其方案的前两周，英特尔向 VESA 本地总线委员会表示，它根本不会支持该技术。英特尔在致 VESA 本地总线委员会官员的一封信中表示，支持 VESA 本地总线技术“不再符合英特尔的最佳利益”。消息人士称，该公司随后建议 VESA 和英特尔应共同努力，尽量减少该决定可能产生的负面媒体影响。

祝你好运，英特尔。因为现在英特尔计划宣布成立一个包括 IBM、康柏、NCR 和 DEC 等硬件巨头的竞争集团，客户和投资者（是的，还有媒体）将会想知道世界上到底发生了什么。

毫不奇怪，为 VESA 工作的人们感到受伤、困惑和愤怒。“这是一场政治噩梦。我们对他们这样做感到非常惊讶，”该委员会主席兼 VESA 成员 Tseng Labs 的产品经理 Ron McCabe 说道。“我们仍然会赚钱，英特尔仍然会赚钱，但标准不再是一种，而是两种。最终受到伤害的是顾客。”

但英特尔看到了在计算机行业留下印记的机会。这个机会以 PCI 的形式出现，该公司的英特尔架构实验室于 1990 年左右开始开发这项技术，即 VESA 遭到致命拒绝的两年前。本质上，英特尔在标准方面一直在双方角逐。

为什么选择 PCI

为什么要做出如此艰难的转变，突然搞砸一个值得信赖的行业标准机构？除了希望在标准上留下自己的印记之外，英特尔还看到了构建更面向未来的东西的机会；不仅可以使图形卡受益，还可以使机器中的每个扩展卡受益。

正如 John R. Quinn 1992 年在《PC 杂志》中所写：

英特尔的 PCI 总线规范需要外围芯片制造商做更多的工作，但与 VL 总线相比具有一些理论上的优势。首先，该规范允许多达 10 个外设在 PCI 总线上工作（包括 PCI 控制器和用于 ISA、EISA 或 MCA 的可选扩展总线控制器）。它也被限制为 33 MHz，但它允许 PCI 控制器使用 32 位或 64 位数据连接到 CPU。

此外，PCI 规范允许 CPU 与总线主控外设同时运行——这是未来多媒体任务的必要功能。Intel 方法允许读取和写入使用完全突发模式（Intel 的 486 仅允许读取突发）。

本质上，PCI 架构是一个具有 FIFO（first in, first out）缓冲区的 CPU 到本地总线桥。Intel 将其称为“中间”总线，因为它旨在将 CPU 与扩展总线分离，同时保持通往外围设备的 33 MHz 32 位路径。通过采用这种方法，PCI 控制器可以对 CPU 和 PCI 外设之间的写入和读取进行排队。理论上，这将使制造商能够为多代 CPU 使用单一主板设计。这也意味着PCI接口和外围芯片需要更复杂的控制器逻辑。

换句话说，VESA 为下一代显卡提出了一种稍快的总线标准，该标准的速度足以满足英特尔最近的i486微处理器用户的需求。英特尔提出了一种旨在重塑未来十年计算的界面，并允许其竞争对手使用。该总线将允许人们跨代升级处理器，而无需升级主板。英特尔拿起枪来一场刀战，它让整个关于 VL-Bus 的争论在短时间内显得微不足道。

结果是，无论 VESA 人员多么恼火，英特尔都通过创建开放标准来巩固自己的权力，该标准最终将赢得下一代计算机的青睐。当然，英特尔允许其他公司使用 PCI 标准，甚至包括像苹果这样在 CPU 方面没有直接与英特尔开展业务的公司。但英特尔通过推出 PCI，突然使自己与整个下一代计算行业产生了联系，从而确保了它在硬件领域获得了第二个立足点。事实证明，“Intel Inside”营销标签不仅限于处理器。

英特尔引入 PCI 的影响仍然可见：三十二年后，也就是 PCI 成为主要消费标准三十年后，我们仍在现代计算设备中使用 PCI 衍生产品。

PCI和其他标准

PCI 及其后继者PCI Express不再是我们连接计算机与外围设备的方式，而是英特尔维持其在 PC 行业主导地位的一种方式，凸显了标准化的一些令人着迷的地方。

事实证明，英特尔在 20 世纪 90 年代对计算领域最大的投资也许不是奔腾芯片组，而是对英特尔架构实验室的投资，该实验室通过致力于那些让消费者和制造商都感到沮丧的事情，悄悄地让整个计算行业变得更好。

从本质上讲，随着 IBM 开始将目光从其在此期间无意中建立的庞大克隆市场上移开，英特尔利用标准化来填补权力空白。它运作得非常好，使该公司成为 CPU 之外的计算机硬件的一部分。事实上，您日常使用的设备（英特尔在创建过程中扮演的零角色）已从该公司的标准工作中受益匪浅。如果您曾经使用过带有USB或蓝牙连接的设备，您可以为此感谢英特尔。

您可能熟悉的原始 PCI 标准的五个分支：

加速图形端口（Accelerated Graphics Port）——实际上，VL-Bus 标准的 PCI 优先方法是专门用于图形的插槽，当3D 图形开始大规模进入市场时，该端口是一种提供更快图形卡的方法。它的首次出现是在最初的 PCI 标准发布后不久。

PCI-X——尽管有这个名称，但英特尔较少参与该标准，该标准旨在用于高端工作站和服务器环境。相反，该标准是由 IBM、Compaq 和 Hewlett-Packard 开发的，使现有 PCI 标准的带宽增加了一倍，并在 2002 年HP 和 Compaq 合并前不久发布。但该插槽标准实际上是一个死胡同：它没有在 PC 上广泛使用，可能是因为英特尔选择不支持该技术，但Power Macintosh G5系列计算机曾短暂使用过该技术。

PCIe——这是英特尔选择支持的 PCI 升级，也是当今台式计算机所使用的升级，部分原因是它的开发是为了与 PCI 相比大幅提高灵活性，但代价是稍微复杂一些。PCIe 方法的关键是使用数据传输速度的“通道”，允许图形适配器等高速卡获得更多带宽（最多 16 个通道），并允许网络适配器或音频适配器等较慢技术获得更少带宽。这赋予了 PCIe 无与伦比的向后兼容性——技术上可以在第一代 PCIe 端口上运行现代卡，以换取较低的速度——同时允许标准不断改进。让您了解它的进展情况：单通道第五代 PCIe 插槽的速度大致与 16 通道第一代插槽一样快。

Thunderbolt——Thunderbolt被认为是一种通过电缆访问 PCIe 通道的最好方法。Apple 于 2011 年首次使用该技术，近年来它已在各种类型的笔记本电脑上变得普遍。与向所有厂商开放的PCI和PCIe不同，Thunderbolt与Intel有着密切的联系。这意味着其竞争对手 AMD 传统上不提供 Thunderbolt端口，直到 USB4（Thunderbolt 3 标准的重新设计形式）出现。

非易失性高速内存 (NVMe)——这一由英特尔支持的流行标准可追溯至 2011 年，彻底改写了我们对计算机存储的看法。NVMe 曾经是一项围绕机械部件构建的技术，现在利用 PCIe 规范的创新优势，实现了更快的固态存储通信速度。现代 NVMe 驱动器的速度可以达到每秒6,000 MB以上，大约是同类 SATA 固态驱动器速度的10 倍，后者的速度最高可达 600 MB/s。而且，由于采用了相应的M.2 扩展卡标准，它们的体积要小得多，并且安装起来更加容易。

20世纪90年代英特尔架构实验室主任克雷格·金尼(Craig Kinnie)表示，最好的说法是在1995年与微软就PC平台的3D图形架构达成协议时。“对我们来说重要的是我们朝着同一个方向前进，”他说。“我们现在正在努力走趋同的道路。”

那是关于与微软的合作。但事实上，这一直是英特尔几十年来的做法——对技术领域有利的事情对英特尔也有利。英特尔开发或发明的创新产品（例如 Thunderbolt、超极本和 Next Unit Computers ( NUC )）极大地改变了我们购买和使用计算机的方式。

尽管人们都在谈论摩尔定律是英特尔成功的推动因素，但真正的故事可能是其纯粹的羊群能力。制定标准的公司就建设了行业。即使英特尔面临来自 ARM、苹果和 AMD 等头韵处理厂商的日益激烈的竞争，只要它不忽视标准在其成功中所扮演的角色，它可能还会坚持几年。

具有讽刺意味的是，英特尔在标准驱动方面的连续胜利已有三十多年的历史，而这一切可能都是从它决定退出标准机构的那一天开始的。

参考链接

https://spectrum.ieee.org/intel-pci-history

点这里👆加关注，锁定更多原创内容

END

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。