一个完整的PCIe协议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，应用层由用户需要自行设计，其他需要严格按照协议进行遵循。应用层与软件层一般指的是Device Core and interface to Transaction Layer,该层决定了PCIe设备的类型和基础功能，可以由FPGA实现。
事务层（Transaction Layer）：接收端的事务层负责事务层包（Transaction Layer Packet，TLP）的解码与校验，发送端的事务层负责事务层包的建立。此外事务层包还具有流量监控等功能。
数据链路层（Data Link Layer）：负责数据链路层包（Data Link Layer Packet，DLLP）的创建、解码和校验。同时还实现了ACK、NACK应答机制。
物理层（Physical Layer）：物理层负责Ordered-Set Packet的创建与解码。同时负责发送与接收所有类型的包。在发送之前，还需要对包进行一些列的处理，扰码（线性反馈移位寄存器），8b10编码（电流平衡）。
在PCIe体系中，事务层、数据链路层、物理层曾在与每一个端口中，是一个结构总必须包含的组成。