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PCI Express 概述
發表日期: 一月 11, 2011 | 0 人評分 | 0.00 分/共 5 |
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PDF概觀
此篇技術文件將概述目前已受普遍使用的 PCI 匯流排，還有其新一代的高效能 PCI Express，並將於未來成為多款運算平台標準 I/O 匯流排。此篇技術文件亦將概述電腦匯流排的沿革、PCI Express 的實體層與軟體層 (Layer)、PCI Express 的優點，與此新技術對量測/自動化系統的可能影響。
目錄
1. 個人電腦歷史
當 PCI 匯流排於 1990 年初期問世以來，確實對 PC 上的 I/O 匯流排造成不小的影響，如 VESA 本端匯流排、EISA、ISA，與 Micro Channel；即如圖 1 所示。PCI 首先用於晶片對晶片的互連作業，並可取代分段式 (Fragmented) ISA 匯流排。在早期，33 MHz PCI 匯流排極適用於主流週邊設備的 I/O 頻寬需求。當然，目前已邁入完全不同的階段。處理器與記憶體的頻寬不斷提升，且處理器速度幾乎是以等比速率增加。在此期間，PCI 匯流排頻率從 33 提升至 66 MHz；但是處理器的速度已經從 33 MHz 提升為 3 GHz。而發展中的 I/O 技術 (如 Gigabit Ethernet 與 IEEE 1394B)，幾乎已經可取代單一裝置所配備的所有 PCI 匯流排頻寬。
2. PCI 匯流排的沿革與概述
PCI 匯流排含括了前代匯流排的多項優點。而最重要幾項即為處理器的獨立性、緩衝式隔離功能、匯流排主控 (Bus mastering)，與真正的隨插即用作業。緩衝式隔離功能 (Buffered isolation) 基本上可進行電子與時脈域 (Clock domain) 隔離，還有 CPU 本端匯流排與 PCI 匯流排隔離。此功能將可為系統效能提供 2 項優點。首先即是可於 PCI 與 CPU 匯流排上執行同步週期 (Concurrent cycle)；其次即是可提升 CPU 本端匯流排的頻率，使其獨立於 PCI 匯流排的速度與負載之外。而透過匯流排主控功能，PCI 介面卡可透過仲裁程序 (Arbitration process) 銜接 PCI 匯流排，並直接主控匯流排的傳輸狀態；此與等待主機 CPU 對裝置做出反應的機制完全相反，且可能拉長 I/O 傳輸的整體潛時。最後，隨插即用作業可讓系統自動偵測並設定相關裝置、降低手動設定切換器與跳針 (Jumper) 的需要，以進行基本的定位 (Address) 與 DMA 中斷 (Interrupt) 作業，避免其影響 ISA 規格介面卡的使用者。
3. PCI 的挑戰
雖然 PCI 在業界極為成功，但目前卻必須面臨諸多難題，包含頻寬限制、針腳數目限制、缺乏如等時 (Isochronous) 資料傳輸的即時資料傳輸作業，亦無法滿足新一代的 I/O 需求 (服務品質、電力管理，與 I/O 虛擬化)。
其實從 PCI 問世以來，已有多次的規格翻新，以期能夠趕上日漸提升的 I/O 需要。表 1 則針對規格翻新的過程稍作整理。
其實從 PCI 問世以來，已有多次的規格翻新，以期能夠趕上日漸提升的 I/O 需要。表 1 則針對規格翻新的過程稍作整理。
| PCI 匯流排頻寬 (位元) | 匯流排時脈頻率 (MHz) | 頻寬 (MB/s) | 市場區隔 |
| 32 | 33 | 132 | 桌上型/行動式 |
| 32 | 66 | 264 | 伺服器 |
| 64 | 33 | 264 | 伺服器 |
| 64 | 66 | 512 | 伺服器 |
表 1. PCI 頻寬與市場區隔
由於通訊協定的過載 (Overhead) 與匯流排拓撲狀態不一，PCI 匯流排的可用頻寬與其導數 (Derivative)，均可能大幅低於理想頻寬。在 PCI 匯流排的可用頻寬，是由匯流排上的所有裝置所共用，因此裝置數量與各組裝置的可用頻寬成反比。
由於 PCI 在特定應用中的時脈頻率已無法堪用，因此 PCI 進一步衍生出 PCI-X 與高階繪圖埠 (Advanced graphics port，AGP)，提升匯流排頻率以達到所需的頻寬。提升頻率的副作用，即是縮短了匯流排的通訊距離，亦減少了匯流排接收器所能搭配的接頭數量。在此情況下，自然發生「將 PCI 匯流排切割為多個區段 (Segment)」的概念。而這些切割區段均各自必須連接 1 組完整的 PCI-X 匯流排，以連接主要驅動晶片與主動插槽 (Active slot)。舉例來說，64 位元的 PCI-X 的各組區段，均需要 150 pins。如此一來，不論是路由、電路板數量，與晶片封裝的接腳分佈，其建置與應變安裝成本均將飆高。而此種額外成本，只有在頻寬為重要因素 (如伺服器應用) 時才會納入考量。
不論使用者的經驗為何，如資料擷取、波形產生，與包含聲音/影像串流的多媒體應用，均需要絕對穩定的頻寬與精確潛時。由於在這些規格開發的同時，上述應用尚未普及，因此原始的 PCI 規格並無法因應這些問題。目前的等時資料傳輸 (如高解析度的未壓縮影像與聲音)，其 I/O 系統均必須具備等時傳輸的功能。而等時傳輸 (Isochronous transfer) 的缺點，即是本端 PCI Express 介面卡的緩衝用記憶體，將高於一般 PCI 介面卡所需，才能減少多樣的頻寬問題。
最後，新一代的 I/O 需求 (如服務量測品質與電力管理) 可提升資料完整性，並允許系統裝置進行選擇性斷電 (Selective powering down) – 當現有電腦不斷提高所需電力時，此為重要考量要素之一。虛擬通道即是透過虛擬路由傳輸資料；就算由高優先度的傳輸作業佔用其他通道，亦可透過虛擬通道進行資料傳輸。傳統的 PCI 需求以無法處理上述某幾項功能，而必須透過軟體進行控制，且作業系統與裝置驅動程式亦必須提供支援功能。
由於 PCI 在特定應用中的時脈頻率已無法堪用，因此 PCI 進一步衍生出 PCI-X 與高階繪圖埠 (Advanced graphics port，AGP)，提升匯流排頻率以達到所需的頻寬。提升頻率的副作用，即是縮短了匯流排的通訊距離，亦減少了匯流排接收器所能搭配的接頭數量。在此情況下，自然發生「將 PCI 匯流排切割為多個區段 (Segment)」的概念。而這些切割區段均各自必須連接 1 組完整的 PCI-X 匯流排，以連接主要驅動晶片與主動插槽 (Active slot)。舉例來說，64 位元的 PCI-X 的各組區段，均需要 150 pins。如此一來，不論是路由、電路板數量，與晶片封裝的接腳分佈，其建置與應變安裝成本均將飆高。而此種額外成本，只有在頻寬為重要因素 (如伺服器應用) 時才會納入考量。
不論使用者的經驗為何，如資料擷取、波形產生，與包含聲音/影像串流的多媒體應用，均需要絕對穩定的頻寬與精確潛時。由於在這些規格開發的同時，上述應用尚未普及，因此原始的 PCI 規格並無法因應這些問題。目前的等時資料傳輸 (如高解析度的未壓縮影像與聲音)，其 I/O 系統均必須具備等時傳輸的功能。而等時傳輸 (Isochronous transfer) 的缺點，即是本端 PCI Express 介面卡的緩衝用記憶體，將高於一般 PCI 介面卡所需，才能減少多樣的頻寬問題。
最後，新一代的 I/O 需求 (如服務量測品質與電力管理) 可提升資料完整性，並允許系統裝置進行選擇性斷電 (Selective powering down) – 當現有電腦不斷提高所需電力時，此為重要考量要素之一。虛擬通道即是透過虛擬路由傳輸資料；就算由高優先度的傳輸作業佔用其他通道，亦可透過虛擬通道進行資料傳輸。傳統的 PCI 需求以無法處理上述某幾項功能，而必須透過軟體進行控制，且作業系統與裝置驅動程式亦必須提供支援功能。
於 2004 年問世的 PCI Express，屬於新一代的 PCI 匯流排，即必須解決上述難題。直至目前，大多數電腦均配備整合式的 PCI 與 PCI Express 插槽。完全淘汰 PCI 匯流排的日子已不會太遠。
4. PCI Express 的架構
如圖 2 所示，PCI Express 屬於層級架構，並保留了 PCI 定址模型 (Addressing model) 的相容性，以確保現有應用與驅動程式可繼續作業無虞。定址模型為具備平滑定址空間 (Flat address space) 的 Load-Store 架構。基礎實體層 (Physical layer) 則包含 2 個單純通道，可做為傳輸對 (Transmit pair) 與接收對 (Receive pair)。軟體層 (Software layer) 將產生讀取與寫入請求，再透過封包架構的分割式資料交易 (Split-transaction) 協定，由傳輸層 (Transaction layer) 將之傳送至 I/O 裝置。連結層 (Link layer) 會針對封包新增序號與 CRC，以建立高穩定性的資料傳輸機制。基礎實體層 (Physical layer) 則包含 2 個單純通道，可做為傳輸對 (Transmit pair) 與接收對 (Receive pair)。傳送對與接收對則統稱為「Lane」。每 1 組 PCI Express Lane 的各個方向中，其 2.5 Gb/s 初始速度可達約 250 MB/s 的理想頻寬。但若納入額外支出 (Overhead) 的考量要素，將約有 200 MB/s 用於裝置的資料搬移 (Movement) 作業。此傳輸率已代表絕大多數 PCI 介面卡的大幅躍進。而不同於 PCI 的匯流排頻寬是由裝置所共用，PCI Express 卻可將此頻寬供應予各組裝置。
圖 2. PCI Express 的層級架構
實體層 (Physical Layer)
如圖 3 所示，PCI Express 的基本連結，包含 2 組低電壓的 AC 偶合差動訊號對 (傳送對與接收對各 1 組)。實際的連結訊號則使用解加強 (De-emphasis) 方式，以降低符元干擾 (Intersymbol interference，ISI)，並提升資料品質。嵌入的資料時脈為 8b/10b 編碼方式，可達極高的資料傳輸率。各個方向的訊號生成初始頻率為 2.5 Gb/s (產生 1 組訊號)，且可透過晶片技術進一步提高為各個方向達到 10 Gb/s (銅線訊號的理想最大值)。實體層將於 2 組 PCI Express 代理 (Agent) 之間傳輸封包。
圖 3. PCI Express 的實體層連接圖
PCI Express 的頻寬連結作業，可新增訊號偶合以進行線性調整，並構成多組 Lane。實體層具備 x1、x2、x4、x8、x12、x16，與 x32 的 Lane 寬度，可於這些 Lane 之間切割進入系統的資料封包。透過 8b/10b 編碼功能，即於 Lane 之間傳輸各個位元組。對其他層級而言，資料的重組或解組 (Disassembly) 均不需再額外進行處理。在初始化作業期間，將根據各個連結末端的 2 組代理，再依 Lane 的寬度協商 (Width negotiation) 與作業頻率，以設定各組 PCI Express 連結。此時尚未牽涉任何韌體或作業系統軟體。PCI Express 架構可透過速度升級與高階編碼技術，於未來提升相關效能。將來的媒體、編碼技術，或系統速度，均僅將影響到實體層。
若要於 PCI Express 中使用不同的 Lane 寬度，則使用者必須以擴充介面卡達到所需的寬度，並要符合主機板本身的 Lane 寬度。除了繪圖卡可能需要 x16 的 Lane 寬度之外，大多數的 PCI Express 擴充卡均使用 x1 的寬度。若需要更高頻寬，則可使用更多組需要較高頻寬的介面卡。根據目前市場對電腦需求的不同，x1、x4、x8，與 x16 插槽的整合亦有所變化。依失配 (Mismatch) 方向的不同，PCI Express 可容許失配 Lane 寬度之間進行互通 (Interoperability)。若於較低頻寬接頭中使用較高頻寬的擴充卡，即所謂的「Down-plugging」。以 PCI 為例，可將 64 位元的 PCI 介面卡插入至 32 位元的插槽中。但在 PCI Express 規格中，卻特別設計擴充卡與接頭，以避免 Down-plugging。另 1 種失配即是於較高頻寬的接頭中使用較低頻寬的擴充卡，所謂「Up-plugging」。主機板製造商必須另外警告，Up-plugging 僅可支援 1 組 x1 資料傳輸率的擴充卡，且若擴充卡具備較高速度，則將浪費相關投資。不論特定主機板是否可透過完整的資料傳輸率，以處理 Up-plugged 設定中的擴充卡，使用者均必須根據各個情況，逐一對主機板製造商進行確認。舉例來說，若將某幾款主機板插入至 x8 或 x16 插槽時，可達完整的 x4 資料傳輸率操作 x4 擴充卡；但是相同製造商的他款主機板，卻可能僅以 x1 執行擴充卡。而若主機板同時具備 1 組整合式 (快取 On-board) 繪圖控制器，與 1 組 x16 PCI Express 插槽可擴充繪圖功能，則當啟動快取繪圖功能時，往往無法同時使用該 x16 插槽。
若要於 PCI Express 中使用不同的 Lane 寬度，則使用者必須以擴充介面卡達到所需的寬度，並要符合主機板本身的 Lane 寬度。除了繪圖卡可能需要 x16 的 Lane 寬度之外，大多數的 PCI Express 擴充卡均使用 x1 的寬度。若需要更高頻寬，則可使用更多組需要較高頻寬的介面卡。根據目前市場對電腦需求的不同，x1、x4、x8，與 x16 插槽的整合亦有所變化。依失配 (Mismatch) 方向的不同，PCI Express 可容許失配 Lane 寬度之間進行互通 (Interoperability)。若於較低頻寬接頭中使用較高頻寬的擴充卡，即所謂的「Down-plugging」。以 PCI 為例，可將 64 位元的 PCI 介面卡插入至 32 位元的插槽中。但在 PCI Express 規格中，卻特別設計擴充卡與接頭，以避免 Down-plugging。另 1 種失配即是於較高頻寬的接頭中使用較低頻寬的擴充卡，所謂「Up-plugging」。主機板製造商必須另外警告，Up-plugging 僅可支援 1 組 x1 資料傳輸率的擴充卡，且若擴充卡具備較高速度，則將浪費相關投資。不論特定主機板是否可透過完整的資料傳輸率，以處理 Up-plugged 設定中的擴充卡，使用者均必須根據各個情況，逐一對主機板製造商進行確認。舉例來說，若將某幾款主機板插入至 x8 或 x16 插槽時，可達完整的 x4 資料傳輸率操作 x4 擴充卡；但是相同製造商的他款主機板，卻可能僅以 x1 執行擴充卡。而若主機板同時具備 1 組整合式 (快取 On-board) 繪圖控制器，與 1 組 x16 PCI Express 插槽可擴充繪圖功能，則當啟動快取繪圖功能時，往往無法同時使用該 x16 插槽。
資料連結層 (Link Layer)
連結層 (Link layer) 的主要功能，是為了穩定 PCI Express 連結的封包傳輸。如圖 4 所示，連結層將負責資料品質，並將序號與 CRC 新增至傳輸層 (Transaction layer) 的封包。大多數的封包均於傳輸層中進行初始化。信用架構 (Credit-based) 的流量控制協定，將可確保在有可用緩衝區時，才會進行封包傳輸，以於另 1 端接收該筆封包。如此可降低因資源限制所造成的封包重傳與匯流排頻寬浪費。當封包發出中斷訊號時，連結層將自動重新傳輸 (Retry)。
圖 4. 資料連結層新增了資料完整性 (Integrity) 功能
傳輸層 (Transaction Layer)
傳輸層可接收軟體層的讀取與寫入請求，再建立請求封包以傳輸至連結層。所有的請求 (Request) 均建置為分割傳輸，且某些請求封包將要求回應封包 (Response packet)。傳輸層亦可接收連結層的回應封包，並與原始的軟體請求進行比對。各組封包均具有專屬的辨識碼，讓回應封包可直接回到正確的源頭。封包格式為 32 位元的記憶體定址 (Addressing)，亦有擴充的 64 位元記憶體定址。封包亦具備「No-snoop」、「Relaxed ordering」，與「Priority」的屬性，可將封包導引至最佳的 I/O 子系統。
傳輸層具備 4 組定址空間 (Address space) – 共 3 組 PCI 定址空間 (記憶體、I/O，與組態)，與訊息空間 (Message space)。PCI 2.2 則提供了傳播 (Propagating) 系統中斷的替代方式，即所謂的訊息式中斷 (Message signaled interrupt，MSI)。此處是使用特定格式的記憶體寫入 (Memory-write) 傳輸，以取代 PCI 2.2 系統中的硬接線式邊帶訊號 (Hard-wired sideband signal) 功能。PCI Express 規格則再使用 MSI 概念，最為中斷處理的主要方式，並透過訊息空間接收所有優先的邊帶訊號與帶內 (In-band) 訊息，如中斷 (Interrupt)、電力管理請求，與重設 (Reset)。Other “special cycles” within the PCI 2.2 規格中的其他「特殊週期」，如中斷認知 (Interrupt acknowledge)，亦屬於帶內訊息。對平台建置所使用的邊帶訊號而言，由於 PCI Express 訊息可將邊帶訊號的陣列降至最低，因此可將 PCI Express 訊息假想為「虛擬接線」。
傳輸層具備 4 組定址空間 (Address space) – 共 3 組 PCI 定址空間 (記憶體、I/O，與組態)，與訊息空間 (Message space)。PCI 2.2 則提供了傳播 (Propagating) 系統中斷的替代方式，即所謂的訊息式中斷 (Message signaled interrupt，MSI)。此處是使用特定格式的記憶體寫入 (Memory-write) 傳輸，以取代 PCI 2.2 系統中的硬接線式邊帶訊號 (Hard-wired sideband signal) 功能。PCI Express 規格則再使用 MSI 概念，最為中斷處理的主要方式，並透過訊息空間接收所有優先的邊帶訊號與帶內 (In-band) 訊息，如中斷 (Interrupt)、電力管理請求，與重設 (Reset)。Other “special cycles” within the PCI 2.2 規格中的其他「特殊週期」，如中斷認知 (Interrupt acknowledge)，亦屬於帶內訊息。對平台建置所使用的邊帶訊號而言，由於 PCI Express 訊息可將邊帶訊號的陣列降至最低，因此可將 PCI Express 訊息假想為「虛擬接線」。
軟體層 (Software Layer)
PCI Express 的軟體相容性至關重要。軟體相容性主要分為 2 項：初始化或列舉 (Enumeration)，與執行時間 (Run time)。PCI 具備強大的初始化模式，讓作業系統可找出所有的附加硬體裝置，接著可分配系統資源 (如記憶體、I/O 空間，與中斷)，藉以建立理想的系統環境。PCI 組態空間 (Configuration space)，與 I/O 裝置的可程式化性為關鍵要素，可保持 PCI Express 架構中未更改的部分；事實上，不需針對 PCI Express 架構的機器進行修改，所有的作業系統均可開機。由 PCI 所使用的執行時間軟體模式，屬於載入儲存 (Load-store) 且共用記憶體的模式，當然亦可於 PCI Express 架構中進行維護，並可執行現有軟體無虞。新款軟體亦可利用某幾項 PCI Express 的高階功能，如此篇技術文件未提到的進階切換。
5. 目前與未來的電腦架構
2002 年具備 PCI 的電腦架構
2002 年的電腦架構，是由多項互連 (Interconnect) 需求所構成。以圖 5 為例，繪圖介面卡使用 AGP 介面，記憶體則擁有更多介面。
圖 5. 2002 年具備 PCI 的電腦架構 (圖來自於 Intel)
具備 PCI Express 的電腦架構
如圖 6 所示，PCI Express 則透過常見的匯流排架構，統一了 I/O 系統。此外，PCI Express 更取代了某些用於連接子系統的內部匯流排。
圖 6. 具備 PCI Express 的電腦架構 (圖來自於 Intel)
6. PCI Express 封包
根據應用平台的不同 – 筆記型電腦、桌上型電腦，或伺服器 - PCI Express 可用於多種不同的 I/O 擴充格式。伺服器即需要較高頻寬以滿足 I/O 需求，因此亦具備更多 PCI Express 插槽，可達到較多的 PCI Express Lane 數量。相反而言，筆記型電腦可能內建 PCI Express 架構，並僅提供單一的 x1 Lane，用於中速度的週邊設備。
桌上型電腦的 PCI Express 擴充槽
桌上型電腦與工作站在更換 PCI 介面卡時的機器架構，即相似於目前的 PCI 介面卡。均是以板邊 (Board-edge) 接頭為基礎，以具備突出 I/O 接頭的固定托架 銜接主要 PWB。主機板上的接頭均已改良了固定 (Retention) 功能，確保在振動或運送強況下，接頭不致發生鬆動。根據 PCI Express 的 Lane 寬度，板邊接頭提供 x1 到 x16 的多種不同尺寸。圖 7 為主機板與 4 組插槽：由下往上為 PCI Express x16、PCI、PCI Express x8，與 PCI-X。圖 8 則為一般 x16 的繪圖卡，可達 3.2 GB/s 的資料傳輸率。圖 9 為多款 PCI Express 接頭的機器製圖。
圖 7. 具備 4 組插槽的主機板，由下而上為 PCI Express x16、PCI、PCI Express x8，與 PCI-X。
圖 8. 具備 x16 介面的繪圖卡
x8
x4
x1
圖 9. 多款 PCI Express 接頭的機器繪圖
ExpressCard
ExpressCard 標準可輕鬆將硬體或媒體新增至系統。ExpressCard 模組的主要市場，為僅需小幅擴充的筆記型電腦與小型電腦。ExpressCard 模組可隨時插入或移除，且不需任何工具 (不同於桌上型電腦的傳統插卡)。ExpressCard 技術為桌上型與筆記型電腦的使用者，提供穩定且簡易的整合方式。
ExpressCard 技術具備 2 組可調整的高速序列介面 -- PCI Express 與 USB 2.0 – 以取代傳統的 I/O 裝置平行匯流排。ExpressCard 工程師並可針對最高效能的應用，透過 PCI Express 建立模組；或以 USB 搭配多款現成的 USB 晶片。不論模組製造商選擇哪種匯流排技術，末端使用者的使用方法均大同小異。目前亦沒有額外說明，告知使用者模組內部所使用的匯流排。
ExpressCard 模組目前具有 2 種標準格式 – ExpressCard/34 (34 mm 寬) 與 ExpressCard/54 (54 mm 寬)。此 2 款模組的厚度均為 5 mm，與 Type II PC Card 相同。標準模組的長度為 75 mm，較標準電腦介面卡縮短 10.6 mm。ExpressCard/34 與 ExpressCard/54 模組均使用相同的接頭介面。
針對並不具有較早模組標準的系統製造商，此 2 種規格的 ExpressCard 模組則提供了些許彈性。ExpressCard/34 介面卡較適用於小型系統，而較寬的 ExpressCard/54 模組則可搭配其他不適合 ExpressCard/34 窄規格的裝置。圖 10 顯示 2 款 ExpressCard 模組的尺寸，並比較了 PCMCIA CardBus 模組。較大型 ExpressCard/54 模組範例，則為 SmartCard 讀卡器、CompactFlash 讀卡器，與 1.8 吋磁碟。除了可提供額外空間之外，ExpressCard/54 模組所產生的熱能亦低於 ExpressCard/34 模組。此項特性更讓 ExpressCard/54 成為高效能與第一代應用的首選。當然，若模組製造商的應用可切合窄型模組，即擁有模組適於 2 款 ExpressCard 插槽的優勢。為了提升簡單易用性，ExpressCard/54 插槽亦設計了導引 (Guidance) 功能，可將 ExpressCard/34 模組導入至銜接插槽。值得一提的是，即便將 CardBus 卡插入至 ExpressCard 插槽，將不會損壞或影響裝置本身；反之亦然。
ExpressCard 主介面 (Host interface) 的各組插槽，均包含單一的 PCI Express Lane (x1) 作業功能，每個方向可達基線 (Baseline) 2.5 Gb/s 的資料傳輸率；如 PCI Express Base Specification 1.0a 所定義的規格。ExpressCard 主介面亦必須能接受 USB 2.0 Specification 所定義的低速、全速，與高速 USB 資料傳輸率。若要建構 ExpressCard 相容的主平台，則應同時具備此 2 款介面。而 ExpressCard 模組可根據應用需求，使用此 2 款標準界面。
ExpressCard 技術具備 2 組可調整的高速序列介面 -- PCI Express 與 USB 2.0 – 以取代傳統的 I/O 裝置平行匯流排。ExpressCard 工程師並可針對最高效能的應用，透過 PCI Express 建立模組；或以 USB 搭配多款現成的 USB 晶片。不論模組製造商選擇哪種匯流排技術，末端使用者的使用方法均大同小異。目前亦沒有額外說明，告知使用者模組內部所使用的匯流排。
ExpressCard 模組目前具有 2 種標準格式 – ExpressCard/34 (34 mm 寬) 與 ExpressCard/54 (54 mm 寬)。此 2 款模組的厚度均為 5 mm，與 Type II PC Card 相同。標準模組的長度為 75 mm，較標準電腦介面卡縮短 10.6 mm。ExpressCard/34 與 ExpressCard/54 模組均使用相同的接頭介面。
針對並不具有較早模組標準的系統製造商，此 2 種規格的 ExpressCard 模組則提供了些許彈性。ExpressCard/34 介面卡較適用於小型系統，而較寬的 ExpressCard/54 模組則可搭配其他不適合 ExpressCard/34 窄規格的裝置。圖 10 顯示 2 款 ExpressCard 模組的尺寸，並比較了 PCMCIA CardBus 模組。較大型 ExpressCard/54 模組範例，則為 SmartCard 讀卡器、CompactFlash 讀卡器，與 1.8 吋磁碟。除了可提供額外空間之外，ExpressCard/54 模組所產生的熱能亦低於 ExpressCard/34 模組。此項特性更讓 ExpressCard/54 成為高效能與第一代應用的首選。當然，若模組製造商的應用可切合窄型模組，即擁有模組適於 2 款 ExpressCard 插槽的優勢。為了提升簡單易用性，ExpressCard/54 插槽亦設計了導引 (Guidance) 功能，可將 ExpressCard/34 模組導入至銜接插槽。值得一提的是，即便將 CardBus 卡插入至 ExpressCard 插槽，將不會損壞或影響裝置本身；反之亦然。
ExpressCard 主介面 (Host interface) 的各組插槽，均包含單一的 PCI Express Lane (x1) 作業功能，每個方向可達基線 (Baseline) 2.5 Gb/s 的資料傳輸率；如 PCI Express Base Specification 1.0a 所定義的規格。ExpressCard 主介面亦必須能接受 USB 2.0 Specification 所定義的低速、全速，與高速 USB 資料傳輸率。若要建構 ExpressCard 相容的主平台，則應同時具備此 2 款介面。而 ExpressCard 模組可根據應用需求，使用此 2 款標準界面。
圖 10. ExpressCard 與 PCMCIA/CardBus 的機器規格比較
伺服器 I/O 模組
需要 I/O 轉接器進行封包的伺服器，一般均提供如封閉式機箱轉接器移除/插入功能、整合式熱插拔、可防護 ESD 的轉接器、標準化的管理介面/功能、合適的冷卻功能、單體式電源供應器，並可縮減 I/O 的電路板體積。Server I/O Module (SIOM) 規格則針對 I/O 轉接器定義 2 種 PCI Express 模組化封裝，可於封閉式機箱中進行安裝與拆卸。亦設計了常見的熱插拔功能，即便在機箱通電的情況下安裝或拆卸模組，亦不會毀損機箱。此 2 種格式的高度與深度均相同，差別僅在於所佔用的機箱插槽數量。佔用單一插槽的模組，可適用於任何 SIOM 插槽。雙插槽模組則需要 2 組相鄰的 SIOM 插槽。
單插槽模組可提供最多 x8 PCI Express 連結作業，而雙插槽模組則可提供最多 x16 連結。(雙插槽模組為 PCI Express SIOM 伺服器的選購項目。)最小的管理介面卡包含 1 組 EEPROM，為所有模組的標準，可管理轉接器到主系統的資料。而選購的內接式儲存介面卡，可容納最多 4 組 x1 的 SAS/SATA 通訊埠，與 1 組邊帶 (Sideband) 介面卡，可控制驅動 LED。
不論幾組 SIOM 將相，均共用冷卻系統。SIOM 將根據相關規格，為各組插槽提供最低限度的冷卻風力。多組 SIOM 機箱則必須提供最小與最大的氣流功能，確保 SIOM 可達到 I/O 冷卻所需的氣流，讓 I/O 的熱能不致傳輸至機箱而造成影響。
單插槽模組可提供最多 x8 PCI Express 連結作業，而雙插槽模組則可提供最多 x16 連結。(雙插槽模組為 PCI Express SIOM 伺服器的選購項目。)最小的管理介面卡包含 1 組 EEPROM，為所有模組的標準，可管理轉接器到主系統的資料。而選購的內接式儲存介面卡，可容納最多 4 組 x1 的 SAS/SATA 通訊埠，與 1 組邊帶 (Sideband) 介面卡，可控制驅動 LED。
不論幾組 SIOM 將相，均共用冷卻系統。SIOM 將根據相關規格，為各組插槽提供最低限度的冷卻風力。多組 SIOM 機箱則必須提供最小與最大的氣流功能，確保 SIOM 可達到 I/O 冷卻所需的氣流，讓 I/O 的熱能不致傳輸至機箱而造成影響。
7. PCI Express 的優點
針對電腦架構的量測與自動化系統，PCI 匯流排成為插卡式擴充介面卡已行之有年。由於與電腦規格相關，因此 PCI 匯流排 (與其平行架構) 並未針對其他平台進行調整。PCI Express 則進一步因應這些問題，對 5 個主要領域提供了相對優勢：
- 高效能 – 特別與頻寬正相關，且 x1 連結的效能即可超出 PCI 的 1 倍有餘，且與 Lane 的數量呈線性成長。另 1 項不明顯的優點，即是此頻寬可同時套用至各組連結的 2 個方向。此外，初始的 2.5 Gb/s 訊號產生速度亦可持續向上提升，進一步達到更高的速度。
- I/O 簡化 – 可簡化「晶片對晶片」與「內接的使用者存取」匯流排 (APG、PCI-X，與 HubLink) 的冗長過程。並降低設計的複雜度與建置成本。
- 分層式架構 – PCI Express 的架構可容納新技術，並保留既有的軟體投資。分層架構所影響的 2 個主要範圍，即為實體層 (提升訊號產生速率) 與軟體的相容性。
- 新一代 I/O – PCI Express 的等時性資料傳輸，為資料擷取與多媒體提供了全新功能。等時性傳輸屬於流量的服務品質 (Quality of services，QOS) 保證，以精確且具時效性的方法，即時傳輸所需資料。
- 簡單易用 – PCI Express 可大幅簡化系統的新增與升級程序。IT 則具備熱插拔功能。此外，亦有多款 PCI Express 介面卡，如 SIOM 與 ExpressCard，將可針對伺服器與筆記型電腦，新增多款高效能的週邊設備。
對新一代的基礎量測與自動化系統，上述所有功能均將讓電腦成為更高效益的平台。
8. 相關詞彙
8b/10b encoding – 以嵌入式時脈進行訊號編碼的架構。此編碼具備 2 種功能。第一，可確保資料串流中有足夠的傳輸作業，以利時脈回復 (Clock recovery)；第二則是可比對 0s 與 1s 的數量，維持 AC 偶合式系統中的 DC 平衡。
Advanced graphics port (AGP) – 使用不同接頭的較高速 PCI 匯流排。主要是針對桌上型電腦所用的繪圖卡所開發，以滿足其專屬頻寬的需要。
循環冗餘校驗 (Cyclic redundancy check，CRC) – 將特殊用途的數值集合加入至封包，以偵測並更正封包資訊中的位元錯誤。該值是衍生於原始的資料封包。
差動 (Differential) – 差動訊號產生作業，是透過 2 組接線承載 1 組 180 度反相 (Out of phase) 訊號。主要優點是可降低磁化率 (Susceptibility) 以減少雜訊。
ExpressCard – 小型 I/O 介面卡，同時包含 PCI Express 與 USB 2.0 介面。
工業標準架構 (Industry Standard Architecture，ISA) – 於 1984 年所發表的電腦匯流排標準，將 XT 匯流排架構擴充為 16 位元。專為連接週邊介面卡與主機板所設計。亦即所謂的 AT 匯流排。
PICMG – PCI Industrial Computer Manufacturers Group – 此組織的會員公司將維持 CompactPCI 與 PCI/ISA 的現有規格。
Peripheral component interconnect (PCI) – 高速平行匯流排，是由英代爾 (Inter) 公司為連接 I/O 週邊裝置與 CPU 所設計。
PCI Express – 為新一代的 PCI 規格，保有 PCI 軟體的使用模式，並以高速的 2.5 Gb/s 序列匯流排達到多重 Lane，以取代實體匯流排。
Server I/O Module (SIOM) – 專為伺服器與工作站所設計的 I/O 模組，並透過 PCI Express 進行通訊。
USB 2.0 – 由 USB 1.1 延伸而來的外接式差動點對點匯流排，使用相同的連接線與接頭，可達最高 480 Mb/s 傳輸率。
Advanced graphics port (AGP) – 使用不同接頭的較高速 PCI 匯流排。主要是針對桌上型電腦所用的繪圖卡所開發，以滿足其專屬頻寬的需要。
循環冗餘校驗 (Cyclic redundancy check，CRC) – 將特殊用途的數值集合加入至封包，以偵測並更正封包資訊中的位元錯誤。該值是衍生於原始的資料封包。
差動 (Differential) – 差動訊號產生作業，是透過 2 組接線承載 1 組 180 度反相 (Out of phase) 訊號。主要優點是可降低磁化率 (Susceptibility) 以減少雜訊。
ExpressCard – 小型 I/O 介面卡，同時包含 PCI Express 與 USB 2.0 介面。
工業標準架構 (Industry Standard Architecture，ISA) – 於 1984 年所發表的電腦匯流排標準，將 XT 匯流排架構擴充為 16 位元。專為連接週邊介面卡與主機板所設計。亦即所謂的 AT 匯流排。
PICMG – PCI Industrial Computer Manufacturers Group – 此組織的會員公司將維持 CompactPCI 與 PCI/ISA 的現有規格。
Peripheral component interconnect (PCI) – 高速平行匯流排，是由英代爾 (Inter) 公司為連接 I/O 週邊裝置與 CPU 所設計。
PCI Express – 為新一代的 PCI 規格，保有 PCI 軟體的使用模式，並以高速的 2.5 Gb/s 序列匯流排達到多重 Lane，以取代實體匯流排。
Server I/O Module (SIOM) – 專為伺服器與工作站所設計的 I/O 模組，並透過 PCI Express 進行通訊。
USB 2.0 – 由 USB 1.1 延伸而來的外接式差動點對點匯流排，使用相同的連接線與接頭，可達最高 480 Mb/s 傳輸率。
To understand the technical aspects in Core architecture, it’s important to look at the past. We go back to the past few years to the end of 2000. At this time, the entire line of Intel processors (desktop, server and mobile) relied on P6 architecture, which was introduced 6 years ago with the Pentium Pro. Despite improvements going along with new versions it eventually started to run out of steam. This was especially true compared to AMD and the Athlon, which won a very symbolic and marketing race in Gigahertz. It was urgent for Intel to release a new architecture to replace the P6.
