和很多的串行传输协议一样，一个完整的PCIe体系结构包括应用层、事务层（Transaction Layer）、数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）。其中，应用层并不是PCIe Spec所规定的内容，完全由用户根据自己的需求进行设计，另外三层都是PCIe Spec明确规范的，并要求设计者严格遵循的。
一个简化的PCIe总线体系结构如上图所示，其中Device Core and interface to Transaction Layer就是我们常说的应用层或者软件层。这一层决定了PCIe设备的类型和基础功能，可以由硬件（如FPGA）或者软硬件协同实现。如果该设备为Endpoint，则其最多可拥有8项功能（Function），且每项功能都有一个对应的配置空间（Configuration Space）。如果该设备为Switch，则应用层需要实现包路由（Packet Routing）等相关逻辑。如果该设备为Root，则应用层需要实现虚拟的PCIe总线0（Virtual PCIe Bus 0），并代表整个PCIe总线系统与CPU通信。
事务层（Transaction Layer）：接收端的事务层负责事务层包（Transaction Layer Packet，TLP）的解码与校检，发送端的事务层负责TLP的创建。此外，事务层还有QoS（Quality of Service）和流量控制（Flow Control）以及Transaction Ordering等功能。
数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层负责数据链路层包（Data Link Layer Packet，DLLP）的创建，解码和校检。同时，本层还实现了Ack/Nak的应答机制。
物理层（Physical Layer）：物理层负责Ordered-Set Packet的创建于解码。同时负责发送与接收所有类型的包（TLPs、DLLPs和Ordered-Sets）。当前在发送之前，还需要对包进行一些列的处理，如Byte Striping、Scramble（扰码）和Encoder（8b/10b for Gen1&Gen2, 128b/130b for Gen3& Gen4）。对应的，在接收端就需要进行相反的处理。此外，物理层还实现了链路训练（Link Training）和链路初始化（Link Initialization）的功能，这一般是通过链路训练状态机（Link Training and Status State Machine，LTSSM）来完成的。
需要注意的是，在PCIe体系结构中，事务层，数据链路层和物理层存在于每一个端口（Port）中，也就是说Switch中必然存在一个以上的这样的结构（包括事务层，数据链路层和物理层的）。一个简化的模型如下图所示：
关于事务层，数据链路层和物理层的详细的功能图标如下图所示：
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