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PCI-E接口简介及Ubuntu查看相关信息教程

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1 前情提要

电脑上的PCI-E接口大家即便没有深入了解过，也应该听过很多，毕竟显卡、WiFi蓝牙模块等设备都是接在PCI-E接口上的；大家在选购台式机时应该也会关注主板上PCI-E插槽的个数、版本、通道数等参数，毕竟这是与显卡性能发挥的一个重要指标。由于关于PCI-E的参数较多，且它们之间又有容易混淆的部分，而自己在工作站上折腾显卡、M2硬盘的时候也因为通道数弄错过，所以想在此记录一下。

2 PCI-E介绍

2.1 简介

先来一段Wikipedia上的介绍：

Peripheral Component Interconnect Express，简称PCI-E，官方简称PCIe，是计算机总线的一个重要分支，它沿用既有的PCI编程概念及信号标准，并且构建了更加高速的串行通信系统标准。

总之，PCIe（方便起见，下文就使用简称PCIe了）是一种高速串行计算机扩展总线标准（物理接口标准），于2003年推出了1.0版本，用来替代旧的PCI、PCI-X等总线标准的，现在已经得到了广泛应用，比如前文提到的显卡、WIFI蓝牙模块等设备都是使用该接口与主板相连接的。截止到2024年，最新版本已经是6.0版本了。

2.2 PCIe版本与带宽计算

各个版本的性能列表如下所示（限于在当前日常生活中的应用，我们只列到5.0版本）：

版本 编码 传输率 x1 x4 x8 x16
1.0 8b/10b 2.5 GT/s 0.250 GB/s 1.000 GB/s 2.000 GB/s 4.000GB/s
2.0 8b/10b 5.0 GT/s 0.500 GB/s 2.000 GB/s 4.000 GB/s 8.000 GB/s
3.0 128b/130b 8.0 GT/s 0.985 GB/s 3.938 GB/s 7.877 GB/s 15.754 GB/s
4.0 128b/130b 16.0 GT/s 1.969 GB/s 7.877 GB/s 15.754 GB/s 31.508 GB/s
5.0 128b/130b 32.0 GT/s 3.938 GB/s 15.754 GB/s 31.508 GB/s 63.015 GB/s

现在对表格中的参数进行介绍：

  • 版本：不多介绍，就是我们看主板参数时常说的PCIe3.0、PCIe4.0，这与该接口的最大传输速率直接相关；
  • 编码：是不同的编码格式，8b/10b指的是每10个比特只有8个是有效数据，目的是为了方便在串行传输时达到直流平衡；
  • 传输率：表示每秒传输的次数，常用单位为GT/s（Giga transmission per second），注意该单位与Gbps的区别，两者没有成比例的换算关系，下文会解释；
  • 带宽（单向）：这里的x1~x16指的是PCIe插槽的通道数（Lane），常见的有单通道、4通道、8通道、16通道，它们之间的带宽关系就是通道数的乘积。

接下来介绍一下带宽的计算方式：传输率 x Lane数量 x 编码方案效率。以PCIe 1.0为例，其单通道的传输带宽为：

同样地，对于PCIe 3.0 x16通道来说，其传输带宽为：

根据计算公式可以看到，PCIe接口的带宽是由三方面决定的：

  1. 传输率：由PCIe版本决定；
  2. Lane数量：由设备和PCIe接口的通道数决定；
  3. 编码方案效率：由PCIe版本决定。

这里需要注意的是，PCIe接口的通道（Lane）数和物理接口规格是容易混淆的地方：

  • 通道（Lane）数：指的是数据传输的链路数；
  • 物理接口规格：指的是PCIe接口的物理长度，常见的长度有x1、x4、x8、x16。

需要注意的是，物理接口规格不等于通道数，会存在物理接口规格大于实际通道数的情况：比如有的PCIe物理接口是x16的，但是其实际只支持x8通道，后面压根没有金属触点与排线，因此该接口最多只能支持x8通道的数据传输。此外，不同物理接口规格的PCIe接口是可通用的，比如说，WiFi模块是PCIe x1接口的，但也可以插在x16、x8、x4上使用，只不过会浪费接口罢了。

上图是不同物理规格的PCIe接口，可以从长度上直观地看出来；至于通道数就没那么好认了，需要看主板上的丝印或者使用说明书。

如下面两张图所示，这是我工作站主板上的PCIe接口，可以看到这5条PCIe接口都是PCIe 3.0版本、x16规格的，但是支持的最大通道数不同，从丝印上可以看出：slot1最高支持x8通道；slot2被挡着了，是x16通道；slot3是x1通道；slot4是x16通道；slot5是x4通道。

3 Ubuntu系统下查看PCIe设备参数

首先，在Ubuntu上可以利用dmidecode命令查看电脑主板的PCIe接口信息：

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-❯ sudo dmidecode | grep "PCI"
                PCI is supported
        Internal Reference Designator: Mini-SAS PCIe SSD-0
        Internal Reference Designator: Mini-SAS PCIe SSD-1
        Type: x8 PCI Express 3 x16
        Type: x16 PCI Express 3 x16
        Type: x1 PCI Express 3 x16
        Type: x16 PCI Express 3 x16
        Type: x4 PCI Express 3 x16
        Type: 32-bit PCI
        Description: PCIE_AMB

可以看到本人工作站主板上的所有PCIe接口信息，与主板丝印上的信息完全对应。

然后，可以利用lspci命令进一步查看显卡设备信息、硬盘信息：

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-❯ sudo lspci | grep -i nvi
0000:17:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation GA104GL [RTX A4000] (rev a1)
0000:17:00.1 Audio device: NVIDIA Corporation GA104 High Definition Audio Controller (rev a1)
0000:65:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation GA104GL [RTX A4000] (rev a1)
0000:65:00.1 Audio device: NVIDIA Corporation GA104 High Definition Audio Controller (rev a1)
-❯ sudo lspci | grep -i samsung
10000:01:00.0 Non-Volatile memory controller: Samsung Electronics Co Ltd Device a80c

可以看到我的工作站上安装了两块RTX A4000的显卡。

进一步地，还可以使用dmesg命令查看PCIe设备的带宽信息：

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-❯ sudo dmesg | grep Gb
[    0.469880] pci 0000:17:00.0: 126.016 Gb/s available PCIe bandwidth, limited by 8.0 GT/s PCIe x16 link at 0000:16:00.0 (capable of 252.048 Gb/s with 16.0 GT/s PCIe x16 link)
[    0.473133] pci 0000:65:00.0: 126.016 Gb/s available PCIe bandwidth, limited by 8.0 GT/s PCIe x16 link at 0000:64:00.0 (capable of 252.048 Gb/s with 16.0 GT/s PCIe x16 link)
[    1.029961] pci 10000:01:00.0: 31.504 Gb/s available PCIe bandwidth, limited by 8.0 GT/s PCIe x4 link at 10000:00:00.0 (capable of 63.012 Gb/s with 16.0 GT/s PCIe x4 link)
[    1.033869] ahci 0000:00:17.0: AHCI 0001.0301 32 slots 8 ports 6 Gbps 0xff impl SATA mode
[    1.539399] ata7: SATA link up 1.5 Gbps (SStatus 113 SControl 300)

可以看到，前两条信息对应的是两个显卡，它们的带宽都是126.016 Gb/s，也就是15.752 GB/s，由8.0 GT/s可以看出是PCIe 3.0版本，x16通道，跟表格中的信息是吻合的；而括号内显示的是该显卡最高可支持的PCIe版本与带宽信息，从16 GT/s可以看出该显卡是支持PCIe 4.0版本的，x16通道的带宽对应为252.048 Gb/s，也就是31.506 GB/s。

第三条信息对应的是使用PCIe转接卡安装的M2硬盘，可以看到该硬盘实际工作于PCIe3.0 x4通道的31.504 Gb/s，而其最高支持的带宽是PCIe 4.0 x4通道的63.012 Gb/s。

参考文章