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作者: yuu123 (yuu) 看板: Storage_Zone
標題: [心得] PCIe Maximum Payload Size與SSD效能問題
時間: Mon Jun 28 21:33:12 2021
網頁好讀版
https://www.ptt.cc/bbs/Storage_Zone/M.1624887210.A.021.html
PTT的標題長度不夠。
老實說我原本想下的題目應該是以下這串。
淺談PCIe Maximun Payload Size大小與SSD效能之間的問題
暨ASUS TUF GAMING X570-PLUS (WIFI)實測與回溯研究
因為整篇廢文很多，所以把一點也不懶人的懶人包直接寫在最前面。
　　　　　　　　　　　　　　不是摘要
本文研究目的僅在證實PCIe Maximum Payload Size(MPS)對SSD效能之影響，
當系統處於MPS於較低的128 bytes時，會導致SSD的寫入及讀取速度，較256
bytes時有所不足。
就測試結果來看，WD SN750 於MPS: 128 bytes時似乎有天花板限制。
參照網路上其他人的測試，例如PCIe 4.0的SN850或980PRO也有相同的狀況。
深入研究後，發現是由於主機板晶片組所提供之PCIe Maxmium Payload Size
雖然支援到512 bytes，但接在主機板晶片組後方的設備大多為256 bytes，
少部份僅支援128 bytes。
由於主機板晶片組的Maxmium Payload Size協定，會以所有接在晶片組後方的
設備中最低的MPS值為準。故在使用ASUS TUF GAMINMG X570-PLUS (WIFI)這張
主機板時，在一般正常狀態下。
所有接在晶片組後方的裝置，僅能運作於128 bytes。
會導致此問題，是由於主機板上的LAN及WIFI&藍芽裝置，僅支援PCIe Max Payl
oad Size: 128 bytes。故若於BIOS內將LAN, WIFI, Bluetooth之功能關閉之後
。所有接在主機板後方的裝置，皆可運作於PCIe Maxmium Payload Size: 256
bytes。
且由於各家SSD廠商及主控對於PCIe Maximum Payload Size的支援度不同，
各家主機板廠商也從未於產品規格內，說明產品於主機板晶片組的PCIe Maxi
mum Payload Size的值，導致有些消費者購入SSD後效能無法完整發揮。
是故在此拋磚引玉，希望有空能幫忙做測試的熱心鄉民，一起來統計各家產品
的MPS值，以供消費者購入時的參考。
好了寫完了又臭又長的summry之後感覺就開始有點懶了，
所以下面的正文我就隨便打了。
https://i.imgur.com/bmaB9jR.png
一、引言與研究背景
之所以會發現這個不知道該說是Issue還是Problem的東西，
是因為這篇Reddit鄉民的文章：
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/
縮網址 https://tinyurl.com/3jb3nzww
拿MPS隨便咕狗之後發現一篇更勁爆的：
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
縮網址 https://tinyurl.com/mwprpdah
整串看完無意識喊出一聲：晚了！
我不好容易存了一筆錢，買了SN850。
我還得把LAN關掉、還得連WIFI關掉、還得看他喵MPS的臉色。
那我不成了跪著要飯的嗎？
https://i.imgur.com/6el2X6b.png
你要這麼說，買SSD測分數，還真就是跪著要飯的。
就這，多少人想跑3100以上還沒這個門子呢。
速度嘛，跑分，插直通！
不過網路文章畢竟是網路文章。
而消費級的直通通道真他喵少，
所以看起來只能驗證一下MPS與SSD效能之間的關系了。
口說無憑，就實際來開測吧。
二、PCIe Maxmium Payload Size
首先去下載HWiNFO64，來查看裝置的Maxmium Payload Size數值。
網站在此：https://www.hwinfo.com/download/
按Run進去之後，在Bus欄位可以找到主機板的PCIe通道分配與連接方式。
順便附一下AMD X570晶片組的PCIe通道規畫
https://i.imgur.com/P1jttQY.jpg
以本次測試標的，華碩 TUF X570-PLUS (WIFI)來說，
可以看到第一條M.2 是CPU直通通道，
是穩穩的支援PCIe 4.0 x4，
以及Support Maxmium Payload Size: 512 bytes.
https://i.imgur.com/5QkEIC5.png
可以看到X570晶片組本身，也支援Maximum Payload Size: 512 bytes.
https://i.imgur.com/9aX7GU9.png
註：因為Maxmium Payload Size(MPS)打起來實在是有點長，
所以本文以後的段落皆使用縮寫MPS。
只是因為插在M.1_1上頭的，是有點年紀的Plextor M9PEG。
僅支援128bytes，所以只能跑MPS: 128bytes.
https://i.imgur.com/XrIxt7x.png
再接著看接在X570晶片組後方的設備，
首先是也是本文的重點M.2_2，
在HWiNFO 顯示出的PCIe裝置，
是 "AMD 500-Series Chipset - PCIe GPP Bridge"
雖然支援MPS:512 bytes，但不意外地跑MPS: 128bytes。
https://i.imgur.com/G1Aokuv.png
可以看到SN750雖然支援MPS:512 bytes，
但運作模式被限制在128 bytes。
https://i.imgur.com/QFRoVcb.png
由於PCIe的設計原理，是在所有同通道內的裝置，
共用同一組MPS的數值，以最低的裝置為限。
因此所有接在主機板晶片組，以此例是接在X570後方的裝置，
其MPS值以連接裝置中最低的值為主。
所以就來找找所有接在X570後方的裝置，哪些是128bytes的。
可以看到與無線網卡連接的PCIe通道，是支援MPS: 256 bytes的。
https://i.imgur.com/DyKjjyB.png
但Intel AC 9260 僅支援MPS: 128bytes
https://i.imgur.com/c1fEoYK.png
有線網卡的狀況也是類似，PCIe通道本身支援MPS: 256bytes.
https://i.imgur.com/q9dg6Cx.png
但RTL8168_8111 僅支援MPS: 128bytes.
https://i.imgur.com/tHlDLsr.png
X570連接USB3的PCIe通道，也支援MPS: 256bytes，
運作速度被限制在128bytes.
https://i.imgur.com/qTj7N3a.png
兩個USB3的控制器都一樣狀態
https://i.imgur.com/hVV1oK6.png
接著來看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
運作速度被限制在128bytes
https://i.imgur.com/lyit6r6.png
另一條AMD Internal PCIe GPP Bridge 的狀態也一樣
AMD Internal PCIe GPP Bridge 支援MPS: 512bytes
https://i.imgur.com/Jf2f0vo.png
AMD FCH SATA AHCI Controller 支援MPS: 256bytes
但運作速度被限制在128bytes
https://i.imgur.com/wQGO6NZ.png
所以在此可以得到一個結果：
由於LAN：RTL8168_8111 以及
WIFI：Intel AC 9260都僅支援MPS: 128bytes。
所以實驗的變因，
就是將這兩個裝置的功能開啟或關閉。
看看是否能將所有接在X570晶片組後方的裝置，
MPS皆恢復成256bytes。
三、實驗結果
進BIOS將LAN、WIFI跟Bluetooh都關閉之後，
馬上可以看到X570晶片組的MPS，運作於256bytes。
https://i.imgur.com/2Uoc7ox.png
證實了Intel的說法[5]
也可以看到SN750終於運作於MPS: 256bytes。
https://i.imgur.com/u8Ay1Uf.png
接著來看USB3的部份，
關閉網卡功能後 AMD USB3 XHCI Controller
運作於MPS: 256bytes。
https://i.imgur.com/K9i1pOL.png
SATA的部份，
AMD FCH SATA AHCI Controller 運作於MPS: 256bytes
https://i.imgur.com/6Nc6AUr.png
已確認所有接在X570晶片組後方的裝置，
都處於Maximum Payload Size: 256 bytes之後，
來開測CDM快樂表：
CDM 8.0.1 SN750 運作於MPS: 256bytes
https://i.imgur.com/5WgsoS5.png
作為對比，SN750 1TB CDM 8.0.1 運作於MPS: 128bytes
https://i.imgur.com/3i5EaU0.png
四、結論
CDM比較結果
https://i.imgur.com/Yf7sTND.png
可以看到循序讀取終於突破3100的大關，符合WD原廠標示的數值。
無論是大檔還是4K小檔，所有效能皆往上提升。
在去年的測試中，我一直以為是我測試環境不乾淨的關系。
reference:
https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1601213630.A.A5E.html
沒想到是PCIe Maximum Payload Size的問題。
所以如果要發揮SN750的實力，建議插在CPU直通通道的M.2_1，
跑滿速的MPS: 512bytes。
或是購買接在晶片組後方的裝置，皆是MPS: 256bytes的主機板。
不過我有點懷疑符合這項條件的主機板有多少？
因為主機板廠商沒有任何一家有標示關於MPS的這部份，
另外一點也是本篇文章的遺珠之憾，無法證實在SN850 980PRO
這類效能更高的PCIe 4.0 SSD，是否如文章所說有相同的狀況。
是故在此拋磚引玉，
希望如果有空能幫忙做測試的熱心鄉民，一起來統計各家產品
的MPS值，最好附上SSD的HWiNFO MPS狀態抓圖。
以供廣大消費者購入主機板時的參考。
以上。
參考文獻：
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