PCIe的通道是怎麼分分合合的？詳解PCIe bifurcation
隨著AMD新一代CPU的發布，PCIe 4.0 （Gen4）也進入了人們的視線。然而Intel隨後宣傳PCIe 4.0對消費市場用處不大，AMD則反諷Intel吃不到葡萄說葡萄酸。正在吃瓜群眾搬板凳看熱鬧的時間，一件事情正在發生。PCIe的標準制定組織，PCI-SIG（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）發布了PCIe 6.0（Gen6）的標準！對，你沒有看錯，不是5.0而是6.0。實際上5.0剛剛發布，如果我們看最近這個組織的活動軌跡：
也許是哪裡來的莫名其妙王子用親吻喚醒了她，在蟄伏了7年之後，PCI-SIG加速以翻一番的速度發布新標準，從2017年的Gen4，2018年的Gen5，到2019的Gen6，這個節奏簡直瘋狂。如果說Intel現在的節奏是Tock、Tock、Tock...，那PCIe就是打了雞血般的Tick、Tick和Tick！這讓主板廠商情何以堪？吃瓜群眾也一臉懵懂，到底我是不是該升級呢？
儘管我不認為我們在2021年底之前能看到任何的PCIe 6.0的設備，但PCIe標準的高歌猛進讓人們更加關注PCIe這個現代計算機的脊柱匯流排，也是好事一件。我已經有兩篇文章介紹PCIe的基本知識：
老狼：深入PCI與PCIe之一：硬體篇
老狼：深入PCI與PCIe之二：軟體篇
今天來讓我們稍微深入一些，介紹一下PCIe通道數，和它們是如何組合和拆分的。
PCIe Lane（通道）
我在前面文章介紹過，PCIe是串列匯流排，通過使用差分信號傳輸（differential transmission），如圖
相同內容通過一正一反鏡像傳輸，干擾可以很快被發現和糾正，從而可以將傳輸頻率大幅提升。加上PCI原來基本是半雙工的（地址/數據線太多，不得不復用線路），而串列可以全雙工。
這樣一對差分信號組成一個PCIe Lane，也叫做x1通道。把n組綁定在一起，可以讓PCIe設備大幅提高傳輸帶寬。如M.2介面的NVMe SSD一般用四組，四個Lane，也就是x4；而最耗帶寬的顯卡一般要用16組，就是x16。注意這個n應該是2的冪，所以不存在奇數組或者x10等組合。
PCIe通道的組合和差分
現在PCIe的設備越來越多，Intel的台式機/筆記本平台為了讓主板廠商能夠靈活滿足客戶的需求，在CPU和南橋PCH後面都提供了不少PCIe通道：
這是個Haswell的例子，比較老，但和現在系統沒有本質區別（現在南橋換成PCIe Gen3了）。CPU一般提供PCIe x16通道給顯卡，南橋則提供更多的通道，但因為要經過DMI這個小水管，一般不建議鏈接顯卡等需要高帶寬的設備。
計算機用戶多種多樣，有的用戶需要插兩組顯卡，有的則需要很多x1的插槽。為了給主板廠商提供靈活的空間，晶元廠商通過一種叫做bifurcation（分叉）的方式讓主板廠商可以靈活配置，組合或者拆分PCIe通道，來做出滿足細分市場的產品來。
PCIe初始化一般分為：
1.bifurcation。
2.Root Port Training。根據信號完整性的不同，儘管Root port支持PCIe Gen3/4，但主板走線有問題，有干擾，可能只能Training出Gen2，甚至Gen1的速度來。信號完整性可以參考我的這篇文章：老狼：晶元中的數學——均衡器EQ和它在高速外部匯流排中的應用
3. PCI枚舉。
4. PCI/PCIe的各種特性（Feature）設置，如CTO等等。
作為初始化的第一步，bifurcation的重要性自不待言。它決定了各個設備和PCIe插槽的通道寬度。它一般有三種方式：Hard Strap，Soft Strap或者Wait for BIOS。
Hard Strap
所謂Hard，是指這種方式是硬體連線，不能後期修改。在酷睿桌面CPU後面的PCIe通道通常採用這些方式。我們來看個例子，下面所有內容來自Intel官網，7代i5的Datasheet[1]
我們可以看到這種bifurcation，CPU後面的PCIe是一個x16，還是兩個x8，亦或1個x8家兩個x4，取決於CFG信號。
主板廠商根據自己主板樣式，如提供了一個顯卡插槽，則把CFG[6:5]信號都連高電平，就是一個x16；如果提供兩個顯卡插槽，則把CFG[6:5]信號連接一高一低，就是兩個x8，即兩個PCIe顯卡就降成x8使用；還有些廠商喜歡把NVMe的m.2連接到CPU後面，來提高存儲速度，則可以把CFG[6:5]信號都連低電平，則是1個x8連接顯卡，兩個x4來連接M.2 SSD。
這種bifurcation一旦確定，就不能更改，除非重新布線。
Soft Strap
所謂Soft，就是軟體可以修改。PCH下PCIe root port一般是這種方式。這種配置一般儲存在BIOS Image前面的discription中，可以通過工具修改：
這種修改一般和BIOS程序無關，修改後直接燒錄BIOS即可。當然BIOS在Image沒有被鎖定的情況下，可以重新修改這個區域，但修改後需要重新啟動才可以生效。
主板廠商一般根據自己的主板設計情況，在燒錄BIOS的時候就用軟體改好了相應的值，BIOS一般沒有界面去修改這個值。
Wait For BIOS
這種方式是純BIOS設置，也就是在PCIe Training之前，通過BIOS對相關PCIe root complex的寄存器進行設置來確定通道寬度。
這種方式一般用於至強系列CPU，它們在CPU後面提供高達40個Lanes的支持：
如圖中，我們數一下，一共是44個Lane，不是說40個Lane嗎？其實P0的lane是給DMI用的，如果在多路情況下，除了第一個Socket，其他CPU才可以把它用起來。
這麼多Lane，因為最高一個設備只支持x16，所以分為幾組。一般一組是一個PCIe device，分為4個function，在bifurcation之後，如果該Function輪空，需要我們禁掉該function來省電。
這種方式是最靈活的方式，它賦予至強CPU的用戶極大的靈活性，一般會有配置界面來配置：
結論
這許多細節也許比較枯燥，但只有了解現象後面的本質，我們才能夠更深刻地理解計算機是怎麼工作的。
最後來解決一下有些同學的實際問題，有的同學主板只有一個X16的槽，但想要插兩個顯卡（想想什麼情況下需要），怎麼辦呢？可以藉助一種叫做bifurcation卡的PCIe卡：
現在你知道為什麼叫做bifurcation了吧，顧名思義，真的就是分叉啊。
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參考
- ^7th gen i5 Datasheet https://www.intel.com/content/www/us/en/processors/core/7th-gen-core-family-mobile-h-processor-lines-datasheet-vol-1.html
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