PCI Express Physical Layer

1. PCI Express 物理層
Yuusuke

2. 速度 (双方向/片方向 Gbps)
x1 x2 x4 x8 x12 x16 x32 x64
Gen1
(2002)
5.0/2.5 10/5.0 20/10 40/20 60/30 80/40 160/80 規格になし
Gen2
(2007)
10/5 20/10 40/20 80/40 120/60 160/80 320/160 規格になし
Gen3
(2010)
16/8 32/16 64/32 128/64 192/96 256/128 512/256 規格になし
Gen4
(2017)
32/16 64/32 128/64 256/128 384/192 512/256
1024/51
2
2048/1024
Gen5
(2019?)
64/32 128/64 256/128 512/256 768/384
1024/51
2
2048/10
24
4096/204
https://ja.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

3. 双方向の速度とは？
PC
PCIE
デバイス
(GPUカード等)
PC→ PCIEデバイスの速度と
PCIEデバイス→PCの速度を
合わせた速度

4. PCI Express 片方向2.5Gbpsとは？ (Gen1)
１ １ 0000000 １１１ １・・・・・・・
1秒間に、0 or 1のデータを2,500,000,000個連続で送ること
1.0 sec

5. 参考 他の転送速度
速度
USB 1.0
(1996)
12Mbps
USB 1.1
(1998)
12Mbps
USB 2.0
(2000)
480Mbps
USB 3.0
(2008)
5Gbps
USB 3.1
(2013)
10Gbps
USB 3.2
(2017)
20Gbps
速度
SATA 1.0
(2003)
1.5Gbps
SATA 2.0
(2004)
3Gbps
SATA 3.0
(2008)
6Gbps

6. パラレル転送/シリアル転送
PC デバイス
パラレル転送
伝送路が複数あって、並列にデータ
転送をできる
例：ISA、ATA、SCSI、PCI
PC デバイス
シリアル転送
伝送路に一度に1ビット送れる方法
例：USB、イーサネット、SATA、PCIE
PCIEはシリアル転送

7. 形状
http://buffalo.jp/products/connect/pcie-x1/

8. PCI Express レイヤー
物理層
データリンク層
トランザクション層
ソフトウェア層
• ソフトウェア層
• ドライバおよびアプリケー
ション
• トランザクション層
• データの送受信を行う
• データリンク層
• 通信相手と通信管理を行う
• 物理層
• 電気的な通信を行う

9. 物理層
マルチプレクサ
バイト・ストライピング
スクランブル
8b / 10b変換
物理層
データリンク層
LTSSM
差動シグナル
エンベ
デッドク
ロック
名称 概要
マルチプレクサ 上位からパケットに付加情報を
付ける。
LTSSM Link等の状態管理
バイトストライピング データを各レーンに分割
スクランブル データが同一周期にならないよ
うにする
8b/10b変換 8bitを10bitに変換
エンベデッドクロック データをクロックに同期する
差動シグナル データを送信する

10. マルチプレクサ
• 上位からのパケット TLP、DLLPに、Start/Endキャラクタを付
加する。
• TLP：Transaction Layer Packet
• DLLP：Data Link Layer Packet
• LTSSM等の物理層のパケットを送信する。
• 送信すべきデータがないときはアイドルキャラクタを送信する。
(0x00)

11. LTSSM
Detect
Polling
Configuration
L0
DetectからL0の概要の状態遷移図。
詳細は規格書参照
状態 概要
Detect 上位レイヤーからの指示でDetect状態になる。
レシーバで対抗側を検出する状態。
検出後にPolling状態になる。
Polling トレーニングシーケンスで、ビット同期、シンボル同
期する。レーンの極性判定がされて、データレートが
確立する。確率後、Configuration状態になる。
Configuration トレーニングシーケンスで、レーンを確立する。正常
に設定できたならL0状態になる。
L0 パケット送受信可能状態

12. バイトストライピング
• データのバイトを各レーンに分割する。
0バイト目
1バイト目
2バイト目
3バイト目
4バイト目
0バイト目 1バイト目 2バイト目 3バイト目
4バイト目 5バイト目 6バイト目 7バイト目
レーン１ レーン2 レーン3 レーン4
上位からのデータは、ルールに
沿って、各レーンに分散される。
(均等に分散されるイメージ)

13. スクランブル
• データの周期が一定になりEMIが一定になるのを防ぐために、
スクランブルする。
• 受信側も同じ規則でデスクランブルする。

14. 8b/10bエンコード
PCIEでは、8bitのデータを10bitで転送する。
利点
・0と1の発生頻度が同程度。
・データにクロックを含めることができる。
欠点
・データ転送レートが0.8される。

15. 8b/10b変換方法例
8bit currentRD- currentRD+
00h 100111 0100 011000 1011
01h 011101 0100 100010 1011
02h 101101 0100 010010 1011
03h 110001 1011 110001 0100
04h 110101 0100 001010 1011
05h 101001 1011 101001 0100
FEh 011110 0001 100001 1110
FFh 101011 0001 010100 1110
https://ja.wikipedia.org/wiki/8b/10b
8bit→10bitはテーブル参照方式で
値が決まる。
＋－は、直前までのディスパリ
ティの値
ディスパリティ：
・直前まで0の数が1より多い場
合は、マイナス。
・直前までの1の数が0より多い
場合は、プラス。
・同じ場合は、前の符号を維持。
データ用テーブルと制御用テー
ブルが存在する。
テーブルの値は、規格書参照。

16. エンベデッドクロック
受信
送信
クロック線
データ線
データ線にクロックを含め
てしまう方式
受信側はデータの0、１を
検出して、それをクロック
とする。
クロック
データ

17. 一般的な他のクロック方式
受信送信
クロック
クロック線
データ線
同じクロックを送信側、受
信側へ供給する方式
受信送信
送信者がクロックとデータ
を送信する方式

18. 差動シグナリング
PC デバイス
PCからデバイスにデータ
を送るために2本の線
D+ 、D-を使用する。
D+
D-
D+
V
t
D-
V
t
D+とD-
の差分
V
t
送信側は、D＋
とD-は逆位相で
信号を伝送する。
受信側は、D＋とD-の差分
で0 or 1を判断する。
差動シグナリングの利点
・高速伝送が可能。
・外来ノイズに強い
・ノイズの発生が少ない。