详解PCIe bifurcation

PCIe Lane（通道）

PCIe是串行总线，通过使用差分信号传输（differential transmission）

相同内容通过一正一反镜像传输，干扰可以很快被发现和纠正，从而可以将传输频率大幅提升。加上PCI原来基本是半双工的（地址/数据线太多，不得不复用线路），而串行可以全双工。

这样一对差分信号组成一个PCIe Lane，也叫做x1通道。把n组绑定在一起，可以让PCIe设备大幅提高传输带宽。如M.2接口的NVMe SSD一般用四组，四个Lane，也就是x4；而最耗带宽的显卡一般要用16组，就是x16。注意这个n应该是2的幂，所以不存在奇数组或者x10等组合。

计算机用户多种多样，有的用户需要插两组显卡，有的则需要很多x1的插槽。为了给主板厂商提供灵活的空间，芯片厂商通过一种叫做bifurcation（分叉）的方式让主板厂商可以灵活配置，组合或者拆分PCIe通道，来做出满足细分市场的产品来。

PCIe初始化一般分为：

1.bifurcation。

2.Root Port Training。根据信号完整性的不同，尽管Root port支持PCIe Gen3/4，但主板走线有问题，有干扰，可能只能Training出Gen2，甚至Gen1的速度来。：

3. PCI枚举。

4. PCI/PCIe的各种特性（Feature）设置，如CTO等等。

作为初始化的第一步，bifurcation的重要性自不待言。它决定了各个设备和PCIe插槽的通道宽度。它一般有三种方式：Hard Strap，Soft Strap或者Wait for BIOS。

Hard Strap

所谓Hard，是指这种方式是硬件连线，不能后期修改。在酷睿桌面CPU后面的PCIe通道通常采用这些方式。我们来看个例子，下面所有内容来自Intel官网，7代i5的Datasheet

[1]

我们可以看到这种bifurcation，CPU后面的PCIe是一个x16，还是两个x8，亦或1个x8家两个x4，取决于CFG信号。

主板厂商根据自己主板样式，如提供了一个显卡插槽，则把CFG[6:5]信号都连高电平，就是一个x16；如果提供两个显卡插槽，则把CFG[6:5]信号连接一高一低，就是两个x8，即两个PCIe显卡就降成x8使用；还有些厂商喜欢把NVMe的m.2连接到CPU后面，来提高存储速度，则可以把CFG[6:5]信号都连低电平，则是1个x8连接显卡，两个x4来连接M.2 SSD。

这种bifurcation一旦确定，就不能更改，除非重新布线。

Soft Strap

所谓Soft，就是软件可以修改。PCH下PCIe root port一般是这种方式。这种配置一般储存在BIOS Image前面的discription中，可以通过工具修改

这种修改一般和BIOS程序无关，修改后直接烧录BIOS即可。当然BIOS在Image没有被锁定的情况下，可以重新修改这个区域，但修改后需要重新启动才可以生效。

主板厂商一般根据自己的主板设计情况，在烧录BIOS的时候就用软件改好了相应的值，BIOS一般没有界面去修改这个值。

Wait For BIOS

这种方式是纯BIOS设置，也就是在PCIe Training之前，通过BIOS对相关PCIe root complex的寄存器进行设置来确定通道宽度。

这种方式一般用于至强系列CPU，它们在CPU后面提供高达40个Lanes的支持：

结论

这许多细节也许比较枯燥，但只有了解现象后面的本质，我们才能够更深刻地理解计算机是怎么工作的。

最后来解决一下有些同学的实际问题，有的同学主板只有一个X16的槽，但想要插两个显卡（想想什么情况下需要），怎么办呢？可以借助一种叫做bifurcation卡的PCIe卡：

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