PCIe一统江湖背后：英特尔漂亮的翻身仗

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？

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。

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。

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 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。

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