数据链路层
链路层的主要作用就是保证数据包在 PCI Express 链路上的可靠传
输。链路层负责数据完整性并向处理层的数据包添加序列号和循环冗余校验，如图4所示。大部分数据包在处理层初始化。一个基于优先数的、流量控制的协议保证了数据包仅在另一端具有接收这个数据包的缓冲区情况下才能传输，这样就去除了任何数据包的请求以及由于资源限制而引起的总线带宽浪费。链路层会自动的重新收发一个被标记为损坏的数据包。
处理层
处理层接收软件层的读和写请求，并创建请求数据包发送至链路层。所有的请求都被分段的处理而且一些请求包需要一个响应包。处理层也从链路层接收响应数据包并且将它与原先的软件请求相匹配。每一个数据包都具有一个唯一的标识，使得响应包能够指向正确的源。数据包的格式提供了32 位的存储地址和扩展的64 位地址。数据包也具有诸如“无侦听”、“灵活排序”“优先级”等属性，这可能用于将这些数据包在I/O 子系统中以最优的路径传输。
处理层提供4 个地址空间3 个P
CI 地址空间（内存、I/O 和配置）和消息空间。PCI 2.2 引入了另一种广播系统中断的方式称为消息信号中断（MSI ）。作为PCI 2.2 系统中一种可选的性能， 这里使用了一种特殊格式的内存写处理替代硬连接的边带信号。PCI Express 技术指标重新使用了MSI 概念以作为一种主要的中断处理方式，并且使用了消息空间来接收所有的优先的边带信号来作为带内信号，例如中断、电源管理请求，和复位。其它PCI 2.2 技术指标中的“特殊周期”，例如中断确认，也被处理成带内消息。您可以将 PCI Express 消息视为“虚拟的线”，因为他们的作用是消除当前平台上所使用的各种边带信号。
软件层
软件兼容性对于 PCI Express 是极为重要的。软件兼容性有两个方面初始化（或者列举）和运行时刻。PCI 具有一个功能强大的初始化模式，其中操作系统可以发现所有当前添加的硬件设备然后分配系统资源，例如内存、I/O 空间和中断，从而创建一个优化的系统环境。PCI 配置空间和I/O 设备可编程能力是PCI Express 体系结构中保持不变的重要概念。PCI 所使用的运行时刻软件模式是一个加载－存储、共享内存的模式，它在PCI Express 体系结构中得以保持以使得所有现有的软件能够无需改变即可执行。新的软件也可以利用一些PCI Express 最新的先进特性，例如高级开关（本文并未述及）。