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作者: yuu123 (yuu) 看板: Storage_Zone
标题: [心得] PCIe Maximum Payload Size与SSD效能问题
时间: Mon Jun 28 21:33:12 2021
网页好读版
https://www.ptt.cc/bbs/Storage_Zone/M.1624887210.A.021.html
PTT的标题长度不够。
老实说我原本想下的题目应该是以下这串。
浅谈PCIe Maximun Payload Size大小与SSD效能之间的问题
暨ASUS TUF GAMING X570-PLUS (WIFI)实测与回溯研究
因为整篇废文很多，所以把一点也不懒人的懒人包直接写在最前面。
　　　　　　　　　　　　　　不是摘要
本文研究目的仅在证实PCIe Maximum Payload Size(MPS)对SSD效能之影响，
当系统处于MPS于较低的128 bytes时，会导致SSD的写入及读取速度，较256
bytes时有所不足。
就测试结果来看，WD SN750 于MPS: 128 bytes时似乎有天花板限制。
参照网络上其他人的测试，例如PCIe 4.0的SN850或980PRO也有相同的状况。
深入研究后，发现是由于主机板芯片组所提供之PCIe Maxmium Payload Size
虽然支援到512 bytes，但接在主机板芯片组后方的设备大多为256 bytes，
少部份仅支援128 bytes。
由于主机板芯片组的Maxmium Payload Size协定，会以所有接在芯片组后方的
设备中最低的MPS值为准。故在使用ASUS TUF GAMINMG X570-PLUS (WIFI)这张
主机板时，在一般正常状态下。
所有接在芯片组后方的装置，仅能运作于128 bytes。
会导致此问题，是由于主机板上的LAN及WIFI&蓝芽装置，仅支援PCIe Max Payl
oad Size: 128 bytes。故若于BIOS内将LAN, WIFI, Bluetooth之功能关闭之后
。所有接在主机板后方的装置，皆可运作于PCIe Maxmium Payload Size: 256
bytes。
且由于各家SSD厂商及主控对于PCIe Maximum Payload Size的支援度不同，
各家主机板厂商也从未于产品规格内，说明产品于主机板芯片组的PCIe Maxi
mum Payload Size的值，导致有些消费者购入SSD后效能无法完整发挥。
是故在此抛砖引玉，希望有空能帮忙做测试的热心乡民，一起来统计各家产品
的MPS值，以供消费者购入时的参考。
好了写完了又臭又长的summry之后感觉就开始有点懒了，
所以下面的正文我就随便打了。
https://i.imgur.com/bmaB9jR.png
一、引言与研究背景
之所以会发现这个不知道该说是Issue还是Problem的东西，
是因为这篇Reddit乡民的文章：
Fixed Maximum Payload Size. Now I don't have internet.[1]
https://www.reddit.com/r/AverMedia/comments/hoq07g/fixed_maximum_payload_size_now_i_dont_have/
缩网址 https://tinyurl.com/3jb3nzww
拿MPS随便咕狗之后发现一篇更劲爆的：
SN850 1TB NVME - slow write speeds (3100) on x570 using M2 Chipset slots
(PCH) - confirmed as a problem on MSI, ASRock, Gigabyte and Asus motherboards [4]
https://community.wd.com/t/sn850-1tb-nvme-slow-write-speeds-3100-on-x570-using-m2-chipset-slots-pch-confirmed-as-a-problem-on-msi-asrock-gigabyte-and-asus-motherboards/265038
缩网址 https://tinyurl.com/mwprpdah
整串看完无意识喊出一声：晚了！
我不好容易存了一笔钱，买了SN850。
我还得把LAN关掉、还得连WIFI关掉、还得看他喵MPS的脸色。
那我不成了跪着要饭的吗？
https://i.imgur.com/6el2X6b.png
你要这么说，买SSD测分数，还真就是跪着要饭的。
就这，多少人想跑3100以上还没这个门子呢。
速度嘛，跑分，插直通！
不过网络文章毕竟是网络文章。
而消费级的直通通道真他喵少，
所以看起来只能验证一下MPS与SSD效能之间的关系了。
口说无凭，就实际来开测吧。
二、PCIe Maxmium Payload Size
首先去下载HWiNFO64，来查看装置的Maxmium Payload Size数值。
网站在此：https://www.hwinfo.com/download/
按Run进去之后，在Bus字段可以找到主机板的PCIe通道分配与连接方式。
顺便附一下AMD X570芯片组的PCIe通道规画
https://i.imgur.com/P1jttQY.jpg
以本次测试标的，华硕 TUF X570-PLUS (WIFI)来说，
可以看到第一条M.2 是CPU直通通道，
是稳稳的支援PCIe 4.0 x4，
以及Support Maxmium Payload Size: 512 bytes.
https://i.imgur.com/5QkEIC5.png
可以看到X570芯片组本身，也支援Maximum Payload Size: 512 bytes.
https://i.imgur.com/9aX7GU9.png
注：因为Maxmium Payload Size(MPS)打起来实在是有点长，
所以本文以后的段落皆使用缩写MPS。
只是因为插在M.1_1上头的，是有点年纪的Plextor M9PEG。
仅支援128bytes，所以只能跑MPS: 128bytes.
https://i.imgur.com/XrIxt7x.png
再接着看接在X570芯片组后方的设备，
首先是也是本文的重点M.2_2，
在HWiNFO 显示出的PCIe装置，
是 "AMD 500-Series Chipset - PCIe GPP Bridge"
虽然支援MPS:512 bytes，但不意外地跑MPS: 128bytes。
https://i.imgur.com/G1Aokuv.png
可以看到SN750虽然支援MPS:512 bytes，
但运作模式被限制在128 bytes。
https://i.imgur.com/QFRoVcb.png
由于PCIe的设计原理，是在所有同通道内的装置，
共用同一组MPS的数值，以最低的装置为限。
因此所有接在主机板芯片组，以此例是接在X570后方的装置，
其MPS值以连接装置中最低的值为主。
所以就来找找所有接在X570后方的装置，哪些是128bytes的。
可以看到与无线网卡连接的PCIe通道，是支援MPS: 256 bytes的。
https://i.imgur.com/DyKjjyB.png
但Intel AC 9260 仅支援MPS: 128bytes
https://i.imgur.com/c1fEoYK.png
有线网卡的状况也是类似，PCIe通道本身支援MPS: 256bytes.
https://i.imgur.com/q9dg6Cx.png
但RTL8168_8111 仅支援MPS: 128bytes.
https://i.imgur.com/tHlDLsr.png
X570连接USB3的PCIe通道，也支援MPS: 256bytes，
运作速度被限制在128bytes.
https://i.imgur.com/qTj7N3a.png
两个USB3的控制器都一样状态
https://i.imgur.com/hVV1oK6.png
接着来看SATA部份
AMD Internal PCIe GPP Bridge 支援MPS: 512bytes
https://i.imgur.com/P9bEbt0.png
AMD FCH SATA AHCI Controller 支援MPS: 256bytes
运作速度被限制在128bytes
https://i.imgur.com/lyit6r6.png
另一条AMD Internal PCIe GPP Bridge 的状态也一样
AMD Internal PCIe GPP Bridge 支援MPS: 512bytes
https://i.imgur.com/Jf2f0vo.png
AMD FCH SATA AHCI Controller 支援MPS: 256bytes
但运作速度被限制在128bytes
https://i.imgur.com/wQGO6NZ.png
所以在此可以得到一个结果：
由于LAN：RTL8168_8111 以及
WIFI：Intel AC 9260都仅支援MPS: 128bytes。
所以实验的变因，
就是将这两个装置的功能开启或关闭。
看看是否能将所有接在X570芯片组后方的装置，
MPS皆恢复成256bytes。
三、实验结果
进BIOS将LAN、WIFI跟Bluetooh都关闭之后，
马上可以看到X570芯片组的MPS，运作于256bytes。
https://i.imgur.com/2Uoc7ox.png
证实了Intel的说法[5]
也可以看到SN750终于运作于MPS: 256bytes。
https://i.imgur.com/u8Ay1Uf.png
接着来看USB3的部份，
关闭网卡功能后 AMD USB3 XHCI Controller
运作于MPS: 256bytes。
https://i.imgur.com/K9i1pOL.png
SATA的部份，
AMD FCH SATA AHCI Controller 运作于MPS: 256bytes
https://i.imgur.com/6Nc6AUr.png
已确认所有接在X570芯片组后方的装置，
都处于Maximum Payload Size: 256 bytes之后，
来开测CDM快乐表：
CDM 8.0.1 SN750 运作于MPS: 256bytes
https://i.imgur.com/5WgsoS5.png
作为对比，SN750 1TB CDM 8.0.1 运作于MPS: 128bytes
https://i.imgur.com/3i5EaU0.png
四、结论
CDM比较结果
https://i.imgur.com/Yf7sTND.png
可以看到循序读取终于突破3100的大关，符合WD原厂标示的数值。
无论是大档还是4K小档，所有效能皆往上提升。
在去年的测试中，我一直以为是我测试环境不干净的关系。
reference:
https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1601213630.A.A5E.html
没想到是PCIe Maximum Payload Size的问题。
所以如果要发挥SN750的实力，建议插在CPU直通通道的M.2_1，
跑满速的MPS: 512bytes。
或是购买接在芯片组后方的装置，皆是MPS: 256bytes的主机板。
不过我有点怀疑符合这项条件的主机板有多少？
因为主机板厂商没有任何一家有标示关于MPS的这部份，
另外一点也是本篇文章的遗珠之憾，无法证实在SN850 980PRO
这类效能更高的PCIe 4.0 SSD，是否如文章所说有相同的状况。
是故在此抛砖引玉，
希望如果有空能帮忙做测试的热心乡民，一起来统计各家产品
的MPS值，最好附上SSD的HWiNFO MPS状态抓图。
以供广大消费者购入主机板时的参考。
以上。
参考文献：
1. Fixed Maximum Payload Size. Now I don't have internet.
https://www.reddit.com/r/AverMedia/comments/hoq07g/fixed_maximum_payload_size_now_i_dont_have/
https://tinyurl.com/3jb3nzww
2. Live Gamer 4K (GC573) not Operating at 256 bytes for Max Payload Size
https://www.reddit.com/r/AverMedia/comments/g5mmhp/live_gamer_4k_gc573_not_operating_at_256_bytes/
https://tinyurl.com/2usrurem
3. BEWARE: If you have a internal WIFI card it may be limiting your Live
Gamer 4K's bandwidth.
https://www.reddit.com/r/AverMedia/comments/hop1qq/beware_if_you_have_a_internal_wifi_card_it_may_be/
https://tinyurl.com/8v8tducd
4. SN850 1TB NVME - slow write speeds (3100) on x570 using M2 Chipset slots
(PCH) - confirmed as a problem on MSI, ASRock, Gigabyte and Asus motherboards
https://community.wd.com/t/sn850-1tb-nvme-slow-write-speeds-3100-on-x570-using-m2-chipset-slots-pch-confirmed-as-a-problem-on-msi-asrock-gigabyte-and-asus-motherboards/265038
https://tinyurl.com/mwprpdah
5. Why does the IP compiler for PCI Express not support Max Payload Size
(MPS) up to 4096 bytes as specified in the PCIe Specification?
https://www.intel.com/content/www/us/en/programmable/support/support-resources/knowledge-base/solutions/rd08222011_674.html
https://tinyurl.com/wzwaamvp