▷ Pci express

Obecnie najpopularniejszym rodzajem dostępnego gniazda rozszerzeń jest PCI Express. W tym artykule dowiesz się wszystkiego, co musisz wiedzieć o tym typie połączenia: jego początkach, sposobie działania, wersjach, gniazdach i innych.

Od pierwszego komputera wydanego w 1981 roku zespół miał gniazda rozszerzeń, w których można zainstalować dodatkowe karty, aby dodać funkcje niedostępne na płycie głównej zespołu. Zanim porozmawiamy o porcie PCI Express, powinniśmy porozmawiać trochę o historii gniazd rozszerzeń PC i ich głównych wyzwaniach, abyś mógł zrozumieć, co wyróżnia port PCI Express.

Indeks treści

Rodzaje gniazd rozszerzeń

Poniżej wymieniono najpopularniejsze typy gniazd rozszerzeń, które zostały wydane na PC w całej jego historii:

• ISA (Standardowa architektura przemysłowa) MCA (Architektura mikrokanałowa) EISA (Extended Industrial Standard Architecture) VLB (VESA Local Bus) PCI (Peripheral Component Interconnect) PCI-X (Extended Peripheral Component Interconnect) AGP (Accelerated Graphics Port) PCI Express (Express Peripheral Component Interconnect)

Zasadniczo nowe typy gniazd rozszerzeń są wydawane, gdy dostępne typy gniazd są zbyt wolne dla niektórych aplikacji. Na przykład oryginalne gniazdo ISA dostępne na oryginalnym komputerze IBM i na komputerze IBM XT i jego klonach miało maksymalną teoretyczną szybkość transferu (tj. Przepustowość) tylko 4, 77 MB / s.

16-bitowa wersja ISA, wydana z IBM PC AT w 1984 r., Prawie podwoiła dostępną przepustowość do 8 MB / s, ale liczba ta była wyjątkowo niska nawet w przypadku aplikacji o dużej przepustowości, takich jak wideo..

Później IBM wypuścił gniazdo MCA dla swojej linii komputerów PS / 2, a ponieważ był chroniony prawem autorskim, inni producenci mogli go używać tylko wtedy, gdy zawarli z IBM umowę licencyjną, co zrobiło tylko pięć firm (Tandy, Morela, Dell, Olivetti i maszyny badawcze).

Dlatego sloty MCA były ograniczone do kilku modeli komputerów PC tych marek. Dziewięciu producentów komputerów zebrało się, aby stworzyć gniazdo EISA, ale nie powiodło się z dwóch powodów.

Po pierwsze, zachował zgodność z oryginalnym gniazdem ISA, więc jego częstotliwość zegara była taka sama, jak w przypadku 16-bitowego gniazda ISA.

Po drugie, sojusz nie obejmował producentów płyt głównych, więc niewiele firm miało dostęp do tego gniazda, podobnie jak miało to miejsce w przypadku gniazda MCA.

Pierwszym prawdziwym szybkim automatem, który został wydany, był VLB. Najwyższą prędkość osiągnięto przez połączenie gniazda z lokalną magistralą procesora, czyli z zewnętrzną magistralą procesora.

W ten sposób gniazdo działało z tą samą prędkością co zewnętrzna magistrala procesora, która jest najszybszą dostępną magistralą na PC.

Większość procesorów w tym czasie używała częstotliwości zegara zewnętrznego 33 MHz, ale dostępne były również procesory o częstotliwości zegara zewnętrznego 25 MHz i 40 MHz.

Problem z tą magistralą polegał na tym, że została ona specjalnie zaprojektowana dla lokalnej magistrali procesorów klasy 486. Gdy procesor Pentium został wypuszczony, był z nim niezgodny, ponieważ używał lokalnej magistrali o różnych specyfikacjach (częstotliwość zegara zewnętrznego 66 MHz zamiast 33 MHz i 64-bitowy transfer danych zamiast 32-bitowego).

Pierwsze rozwiązanie branżowe pojawiło się w 1992 roku, kiedy Intel poprowadził branżę do stworzenia najlepszego gniazda rozszerzeń, PCI.

Później inne firmy przystąpiły do ​​sojuszu, który dziś znany jest jako PCI-SIG (PCI Special Interest Group). PCI-SIG odpowiada za standaryzację gniazd PCI, PCI-X i PCI Express.

Co to są porty PCI Express

PCI Express, skrót od PCI-E lub PCIe, to najnowsza ewolucja klasycznej magistrali PCI i umożliwia dodawanie kart rozszerzeń do komputera.

Jest to lokalny port szeregowy, w przeciwieństwie do PCI, który jest równoległy i został opracowany przez firmę Intel, która po raz pierwszy wprowadziła go w 2004 roku, na chipsecie 915P.

Magistrale PCI Express możemy znaleźć w różnych wersjach; Istnieją wersje 1, 2, 4, 8, 12, 16 i 32 tory.

Na przykład prędkość transferu 8-liniowego (x8) systemu PCI Express wynosi 2 GB / s (250 x 8). PCI Express umożliwia przesyłanie danych od 250 MB / s do 8 GB / s w wersji 1.1. Wersja 3.0 pozwala na 1 GB / s (właściwie 985 MB) na linię, podczas gdy 2.0 tylko 500 MB / s.

Do czego służą porty PCI Express?

Ta nowa magistrala służy do podłączania kart rozszerzeń do płyty głównej i ma na celu zastąpienie wszystkich wewnętrznych magistrali rozszerzeń komputera, w tym PCI i AGP (AGP całkowicie zniknął, ale klasyczny PCI wciąż się opiera).

PCI, PCI-X i PCI Express

BTW, niektórzy użytkownicy mają trudności z rozróżnieniem pomiędzy PCI, PCI-X i PCI Express („PCIe”). Chociaż nazwy te są podobne, odnoszą się do zupełnie różnych technologii.

PCI to niezależna od platformy magistrala, która łączy się z systemem za pośrednictwem układu mostka (mostka, który jest częścią układu płyty głównej). Za każdym razem, gdy uwalniany jest nowy procesor, możesz nadal używać tej samej magistrali PCI, przeprojektowując układ mostka zamiast przeprojektowywać magistralę, co było normą przed utworzeniem magistrali PCI.

Chociaż teoretycznie możliwe były inne konfiguracje, najczęstszą implementacją magistrali PCI był zegar 33 MHz z 32-bitową ścieżką danych, pozwalającą na przepustowość 133 MB / s.

Port PCI-X to wersja magistrali PCI, która działa z wyższymi częstotliwościami zegara i z szerszymi ścieżkami danych dla płyt głównych serwerów, osiągając wyższą przepustowość dla urządzeń wymagających większej prędkości, takich jak karty pamięci. wysokiej klasy kontrolery sieciowe i RAID.

Gdy magistrala PCI okazała się zbyt wolna dla wysokiej klasy kart graficznych, opracowano gniazdo AGP. To gniazdo było używane wyłącznie do kart graficznych.

Wreszcie PCI-SIG opracowało połączenie o nazwie PCI Express. Pomimo swojej nazwy port PCI Express działa zupełnie inaczej niż magistrala PCI.

Różne magistrale PCI Express

• PCI Express 1x o wydajności 250 Mb / s jest obecny w jednym lub dwóch egzemplarzach na wszystkich obecnych płytach głównych PCI Express 2x o wydajności 500 Mb / s jest mniej rozbudowany, zarezerwowany dla serwerów PCI Express 4x o wydajności 1000 Mb / s jest również zarezerwowany dla serwerów. PCI Express 16x z prędkością 4000 Mb / s jest bardzo rozpowszechniony, obecny we wszystkich nowoczesnych kartach graficznych i jest standardowym formatem kart graficznych. Port PCI Express 32x o wydajności 8000 Mb / s jest tego samego formatu co PCI Express 16x i jest często używany w wysokiej klasy płytach głównych do zasilania magistrali SLI lub Crossfire. Referencje tych płyt głównych często mają oznaczenie „32”. Pozwala to na dwa 16-liniowe okablowane porty PCI Express, w przeciwieństwie do konwencjonalnych SLI, okablowane na 2 x 8 linii lub Basic Crossfire, podłączone na 1 × 16 + 1 × 4 linie. Te płyty główne charakteryzują się także obecnością dodatkowego mostu południowego, przeznaczonego tylko dla autobusu 32x.

PCI-SIG zapowiedziało PCI Express w wersji 4.0, oferując dwukrotnie większą przepustowość na linię w porównaniu do wersji 3.0.

Przegląd ten obejmuje marginesy linii, zmniejszone opóźnienie systemu, lepsze możliwości RAS, rozszerzone etykiety i kredyty dla urządzeń serwisowych, skalowalność dla dodatkowych linii i przepustowości, integrację platformy oraz ulepszoną wirtualizację I / O.

Różnice między PCI i PCI Express

• PCI jest magistralą, podczas gdy PCI Express jest szeregowym połączeniem punkt-punkt, to znaczy łączy tylko dwa urządzenia; żadne inne urządzenie nie może udostępniać tego połączenia. Aby wyjaśnić, na płycie głównej, która korzysta ze standardowych gniazd PCI, wszystkie urządzenia PCI są podłączone do magistrali PCI i współużytkują tę samą ścieżkę danych, więc może wystąpić wąskie gardło (tj. Spadek wydajności, ponieważ więcej urządzenie chce jednocześnie przesyłać dane). Na płycie głównej z gniazdami PCI Express każde gniazdo PCI Express jest połączone z mikroukładem na płycie głównej za pomocą dedykowanego linii, nie współużytkując tej linii (ścieżki danych) z innymi gniazdami PCI Express. Ponadto urządzenia wbudowane w płytę główną, takie jak sterowniki sieciowe, SATA i USB, zazwyczaj łączą się z mikroukładem płyty głównej za pomocą dedykowanych połączeń PCI Express. PCI i wszystkie inne typy gniazd rozszerzeń korzystają z komunikacji równoległej, podczas gdy PCI Express opiera się na szybkiej komunikacji szeregowej, port PCI Express opiera się na pojedynczych liniach, które można zgrupować, aby utworzyć połączenia o większej przepustowości. Litera „x”, która następuje po opisie połączenia PCI Express, odnosi się do liczby linii używanych przez połączenie.

Poniżej znajduje się tabela porównawcza głównych specyfikacji gniazd rozszerzeń, które istniały na PC.

Groove	Zegar	Liczba bitów	Dane na cykl zegara	Szerokość pasma
ISA	4, 77 MHz	8	1	4, 77 MB / s
ISA	8 MHz	16	0, 5	8 MB / s
MCA	5 MHz	16	1	10 MB / s
MCA	5 MHz	32	1	20 MB / s
EISA	8, 33 MHz	32	1	33, 3 MB / s (zwykle 16, 7 MB / s)
VLB	33 MHz	32	1	133 MB / s
PCI	33 MHz	32	1	133 MB / s
PCI-X 66	66 MHz	64	1	533 MB / s
PCI-X 133	133 MHz	64	1	1 066 MB / s
PCI-X 266	133 MHz	64	2)	2 132 MB / s
PCI-X 533	133 MHz	64	4	4 266 MB / s
AGP x1	66 MHz	32	1	266 MB / s
AGP x2	66 MHz	32	2)	533 MB / s
AGP x4	66 MHz	32	4	1 066 MB / s
AGP x8	66 MHz	32	8	2 133 MB / s
PCIe 1.0 x1	2, 5 GHz	1	1	250 MB / s
PCIe 1.0 x4	2, 5 GHz	4	1	1000 MB / s
PCIe 1.0 x8	2, 5 GHz	8	1	2000 MB / s
PCIe 1.0 x16	2, 5 GHz	16	1	4000 MB / s
PCIe 2.0 x1	5 GHz	1	1	500 MB / s
PCIe 2.0 x4	5 GHz	4	1	2000 MB / s
PCIe 2.0 x8	5 GHz	8	1	4000 MB / s
PCIe 2.0 x16	5 GHz	16	1	8 000 MB / s
PCIe 3.0 x1	8 GHz	1	1	1000 MB / s
PCIe 3.0 x4	8 GHz	4	1	4000 MB / s
PCIe 3.0 x8	8 GHz	8	1	8 000 MB / s
PCIe 3.0 x16	8 GHz	16	1	16 000 MB / s

Przesyłanie danych przez port PCI Express

Połączenie PCI Express stanowi niezwykły postęp w sposobie komunikacji urządzeń peryferyjnych z komputerem.

Różni się od magistrali PCI pod wieloma względami, ale najważniejszy jest sposób przesyłania danych.

Połączenie PCI Express to kolejny przykład trendu migrowania transferu danych z komunikacji równoległej do komunikacji szeregowej. Inne popularne interfejsy wykorzystujące komunikację szeregową to USB, Ethernet (sieć) oraz SATA i SAS (pamięć masowa).

Przed PCI Express wszystkie magistrale PC i gniazda rozszerzeń korzystały z komunikacji równoległej. W komunikacji równoległej kilka bitów jest przesyłanych równolegle na ścieżce danych.

W komunikacji szeregowej tylko jeden bit jest przesyłany do ścieżki danych na cykl zegara. Początkowo sprawia to, że komunikacja równoległa jest szybsza niż komunikacja szeregowa, ponieważ im większa liczba bitów transmitowanych jednocześnie, tym szybsza będzie komunikacja.

Jednak w komunikacji równoległej występują pewne problemy, które uniemożliwiają transmisję osiągnięcie wyższych częstotliwości zegara. Im wyższy zegar, tym większe problemy z interferencją elektromagnetyczną (EMI) i opóźnieniem propagacji.

Kiedy prąd przepływa przez kabel, wokół niego powstaje pole elektromagnetyczne. To pole może indukować prąd elektryczny w sąsiednim kablu, niszcząc przesyłane przez niego informacje.

Jak już wspomniano wcześniej, każdy bit komunikacji równoległej jest przesyłany osobnym kablem, ale prawie niemożliwe jest, aby te 32 kable miały dokładnie taką samą długość na płycie głównej. Przy wyższych częstotliwościach zegarowych dane przesyłane krótszymi kablami docierają wcześniej niż dane przesyłane dłuższymi kablami.

Oznacza to, że bity w komunikacji równoległej mogą się spóźnić. W rezultacie urządzenie odbiorcze musi czekać na przybycie wszystkich bitów w celu przetworzenia kompletnych danych, co oznacza znaczną utratę wydajności. Problem ten znany jest jako opóźnienie propagacji i nasila się wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania.

Projekt magistrali korzystającej z komunikacji szeregowej jest łatwiejszy do wdrożenia niż projekt magistrali korzystającej z komunikacji równoległej, ponieważ do transmisji danych potrzeba mniej kabli.

W typowej komunikacji szeregowej potrzebne są cztery kable: dwa do transmisji danych i dwa do odbioru, zwykle z techniką zakłóceń antyelektromagnetycznych zwaną anulowaniem lub transmisją różnicową. W przypadku anulowania ten sam sygnał jest przesyłany na dwóch kablach, podczas gdy drugi kabel przesyła sygnał „odbity” (odwrócona polaryzacja) w porównaniu z sygnałem oryginalnym.

Oprócz zapewnienia większej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne, komunikacja szeregowa nie cierpi z powodu opóźnień propagacyjnych. W ten sposób mogą łatwiej osiągnąć wyższe częstotliwości taktowania niż komunikacja równoległa.

Inną bardzo ważną różnicą między komunikacją równoległą a komunikacją szeregową jest to, że komunikacja równoległa jest zwykle w połowie dupleksowa (te same kable są używane do przesyłania i odbierania danych) ze względu na dużą liczbę kabli wymaganych do jej realizacji.

Komunikacja szeregowa jest pełnodupleksowa (istnieje osobny zestaw kabli do przesyłania danych i inny zestaw kabli do odbierania danych), ponieważ potrzebujesz tylko dwóch kabli w każdym kierunku. Dzięki komunikacji półdupleksowej dwa urządzenia nie mogą ze sobą rozmawiać; jeden lub drugi przesyła dane. Dzięki komunikacji w trybie pełnego dupleksu oba urządzenia mogą przesyłać dane w tym samym czasie.

Są to główne powody, dla których inżynierowie przyjęli komunikację szeregową zamiast równoległej komunikacji z portem PCI Express.

Czy komunikacja szeregowa jest wolniejsza?

To zależy od tego, co porównujesz. Jeśli porównasz równoległą komunikację 33 MHz, która przesyła 32 bity na cykl zegara, będzie 32 razy szybsza niż komunikacja szeregowa 33 MHz, która przesyła tylko jeden bit na raz.

Jeśli jednak porównasz tę samą komunikację równoległą z komunikacją szeregową, która działa na znacznie wyższej częstotliwości taktowania, komunikacja szeregowa może być znacznie szybsza.

Wystarczy porównać przepustowość oryginalnej magistrali PCI, która wynosi 133 MB / s (33 MHz x 32 bity), z najniższą przepustowością, jaką można uzyskać przy połączeniu PCI Express (250 MB / s, 2, 5 GHz x 1 bit).

Pojęcie, że komunikacja szeregowa jest zawsze wolniejsza niż komunikacja równoległa, pochodzi od starszych komputerów, które miały porty zwane „portem szeregowym” i „portem równoległym”.

W tym czasie port równoległy był znacznie szybszy niż port szeregowy. Wynikało to ze sposobu, w jaki porty te zostały wdrożone. Nie oznacza to, że komunikacja szeregowa jest zawsze wolniejsza niż komunikacja równoległa.

Gniazda i karty graficzne

Specyfikacja PCI Express pozwala na różne rozmiary fizyczne gniazd w zależności od liczby linii podłączonych do gniazda.

Zmniejsza to rozmiar wymaganego miejsca na płycie głównej. Na przykład, jeśli wymagane jest gniazdo ze złączem x1, producent płyty głównej może użyć mniejszego gniazda, oszczędzając miejsce na płycie głównej.

Wiele płyt głównych ma gniazda x16, które są podłączone do szyn x8, x4, a nawet x1. Przy większych rowkach ważne jest, aby wiedzieć, czy ich fizyczne rozmiary naprawdę odpowiadają ich prędkościom. Ponadto niektóre maszyny mogą zwolnić, gdy ich pasy są wspólne.

Najpopularniejszy scenariusz dotyczy płyt głównych z dwoma lub więcej gniazdami x16. W przypadku wielu płyt głównych istnieje tylko 16 linii łączących pierwsze dwa gniazda x16 ze sterownikiem PCI Express. Oznacza to, że po zainstalowaniu pojedynczej karty wideo będzie dostępna przepustowość x16, ale po zainstalowaniu dwóch kart wideo każda karta wideo będzie miała przepustowość x8.

Instrukcja płyty głównej powinna zawierać te informacje. Ale praktyczną wskazówką jest zajrzenie do gniazda i sprawdzenie, ile masz kontaktów.

Jeśli widzisz, że styki w gnieździe PCI Express x16 przecinają połowę tego, co powinny być, oznacza to, że chociaż to gniazdo jest fizycznie gniazdem x16, w rzeczywistości ma osiem linii (x8). Jeśli przy tym samym gnieździe widzisz, że liczba kontaktów jest zmniejszona do jednej czwartej tego, co powinna mieć, widzisz gnieździe x16, który w rzeczywistości ma tylko cztery tory (x4).

Ważne jest, aby zrozumieć, że nie wszyscy producenci płyt głównych przestrzegają tej procedury; niektóre nadal korzystają ze wszystkich kontaktów, nawet jeśli gniazdo jest podłączone do mniejszej liczby linii. Najlepszą radą jest sprawdzenie poprawnych informacji w instrukcji płyty głównej.

Aby osiągnąć maksymalną możliwą wydajność, zarówno karta rozszerzeń, jak i port PCI Express muszą mieć tę samą wersję. Jeśli masz kartę graficzną PCI Express 2.0 i instalujesz ją w systemie z portem PCI Express 3.0, ograniczasz przepustowość do PCI Express 2.0. Ta sama karta wideo zainstalowana w starszym systemie z kontrolerem PCI Express 1.0 będzie ograniczona do przepustowości PCI Express 1.0.

Zastosowania i zalety

Dzięki PCIe administratorzy centrów danych mogą korzystać z szybkich sieci na płytach głównych serwerów i łączyć się z technologiami sieci Gigabit Ethernet, RAID i Infiniband poza szafą serwerową. Magistrala PCIe umożliwia także połączenia między komputerami klastrowymi za pomocą HyperTransport.

W przypadku laptopów i urządzeń mobilnych do podłączania bezprzewodowych kart sieciowych, pamięci dyskowej SSD i innych akceleratorów wydajności używane są mini-karty PCI-e.

Zalecamy przeczytanie:

Zewnętrzna karta PCI Express (ePCIe) umożliwia podłączenie płyty głównej do zewnętrznego interfejsu PCIe. W większości przypadków projektanci używają ePCIe, gdy komputer wymaga niezwykle dużej liczby portów PCIe.