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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。
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