Pci карты что. Как работает шина PCI Express

Шина ISA

Стандарты шинного интерфейса

По мере увеличения разрядности шины и увеличения тактовой частоты в компьютере, изменялись и стандарты шинного интерфейса. В настоящее время в компьютерах используются следующие основные стандарты шинного интерфейса:

· шина ISA;

· шина PCI;

Другие стандарты, такие как МСА (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная стандартная промышленная архитектура) и VESA, обычно называемый локальной шиной, VL-шиной и разработанный ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association – ассоциация стандартов видеоэлектроники), в настоящее время не используются.

Первый распространенный стандарт шинного интерфейса – шина ISA (Industry Standard Architecture – стандартная промышленная архитектура) была разработана фирмой IBM при создании компьютера IBM PC AT (1984 г.). Эта 16-битовая шина с тактовой частотой 8,33 МГц допускает установку как 8-битовых, так и 16-битовых плат расширения (с пропускной способностью соответственно 8,33 и 16,6 Мбайт/с).

Обмен данными между высокоскоростными внешними устройствами и оперативной памятью выполняется при участии процессора, что в некоторых случаях может привести к снижению производительности компьютера. В режиме прямого доступа, введенном в шине ISA, периферийное устройство связано с оперативной памятью напрямую через каналы DMA (Direct Memory Access – прямой доступ в память). Наиболее эффективным такой режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с жесткого диска).

Для организации прямого доступа в память используется контроллер DMA, встроенный в одну из микросхем на материнской плате. Устройство, требующее прямой дос­туп к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к кон­троллеру, сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, на­чальный адрес блока данных и объем данных. Инициализация обмена происходит с участием процессора, но собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а не процессора.

Шина ISA отсутствует в современных материнских платах, и сохранилась только в старых компьютерах.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимосвязь периферийных компонент) была разработана фирмой Intel с участием ряда других фирм в 1993 г. для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium.

В настоящее время все стандарты PCI разрабатываются и поддерживаются организацией PCI-SIG (PCI – Special Interest Group) (PCI – Группа специальных интересов).


Последний стандарт PCI – PCI 3.0, принятый в 2004 году, определяет как 32-разрядную шину с тактовой частотой 33 МГц и пиковой пропускной способностью 133 Мбайта/с, так и 64-разрядные шины с тактовыми частотами 33 и 66 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 266 и 533 Мбайта/с.

Для ускорения передачи данных в шине PCI используется пакетный режим (burst mode). В этом режиме данные, расположенные по какому-либо адресу, передаются не по одному, а сразу целым набором.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами. Важной особенностью шины PCI является и то, что в ней вместо каналов DMA реализован более эффективный режим управления шиной (Bus Mastering), который позволяет внешнему устройству управлять шиной без участия процессора. Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобож­дается для выполнения других задач, пока происходит передача данных. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных сис­тем типа Windows и Unix.

Разъемы для карты PCI на материнской плате приведен на рис. ?????.

Рис. ?????. Разъемы для карты PCI на материнской плате:

а) 32-разрядный разъем; б) 64-разрядный разъем

Дополнением к стандарту PCI является стандарт PCI Hot Plug v1.0. Устройства PCI, удовлетворяющие этому стандарту, можно вставлять в разъем или вынимать из разъема во время работы компьютера – так называемое «горячее» подключение (hot plug).

Шины стандарта PCI используются в современных компьютерах для подключения внутренних устройств системного блока, таких как звуковая карта или модем. Однако для графических устройств эти шины имеют недостаточную скорость передачи данных, поэтому PCI-SIG был разработан новый стандарт – PCI-X (символ X означает eXtended – расширенный) с тактовыми частотами 66, 133, 266 и 533 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 533, 1066, 2132 и 4264 Мбайт/с. Этот стандарт обратно совместим со стандартом PCI 3.0, т.е. в компьютере можно использовать и карты PCI 3.0 и карты PCI-X.

Последняя версия стандарта PCI-X – PCI-X 2.0 была принята в 2002 году. В настоящее время шины этого стандарта практически не используются, поскольку в этом же году PCI-SIG начала разработку принципиально нового стандарта шины PCI – PCI Express.

Стандарт PCI Express, называемый также PCI-E или PCe, предполагает замену параллельной разделяемой структуры, используемой шиной PCI и PCI-X, последовательным соединением устройств с использованием коммутаторов (switches). Старое название этого стандарта – 3GIO (3 rd Generation Input/Output – третье поколение ввода/вывода).

Последним действующим стандартом PCI Express является стандарт PCI Express Base 2.0, принятый в 2006 году.

В отличие от стандарта PCI, в котором все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине, в PCI Express для подключения устройства используется одно или несколько двунаправленных последовательных соединений типа точка-точка, реализованных на медной витой паре.

При обмене данными по витой паре используется метод низковольтной дифференциальной передачи сигналов – LVDS (Low-Voltage Differential Signaling). Данные в LVDS передаются последовательно, бит за битом. При этом для передачи одного сигнала используется дифференциальная пара, т.е. что передающая сторона подаёт на проводники пары различные уровни напряжения, которые сравниваются на приёмной стороне. Для кодирования информации используется разница напряжений на проводниках пары. Небольшая амплитуда сигнала, а также незначительное электромагнитное влияние проводов пары друг на друга позволяют уменьшить шумы в линии и передавать данные на высоких частотах, т.е. с большой скоростью. Для повышения скорости передачи данных можно использовать несколько соединений (витых пар), по которым биты передаются параллельно, т.е. одновременно.

В PCI Express для передачи данных могут использоваться одно или несколько соединений. Количество соединений для устройства задается с помощью числа, за которым (или перед которым) указывается буква x. В настоящее время в спецификации определены соединения 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x. Для каждого из этих соединений шины PCI Express (за исключением соединения 32x, который пока не используется) определен свой вид разъема. На рис. ???? приведены наиболее распространенные разъемы PCI Express: 1x, 2x, 4x, 8x и 16x.

Рис. ?????. Наиболее распространенные разъемы PCI Express: а) слот 1x; б) слот 4x;

в) слот 8x; г) слот 16x;

Пропускная способность в шине PCI Express по одному соединению в настоящее время составляет 2,5 Гбит/с с перспективой увеличения до 10 Гбит/с. Стандарт PCI Express должен заменить стандарты PCI и PCI-X, а также рассматриваемый в следующем разделе стандарт AGP. Однако стандарт PCI Express совместим с этими стандартами и, видимо долго будет использоваться с ними совместно, поскольку в настоящее время выпущено и продолжает выпускаться много карт по стандартам PCI и AGP.

При смене одной только видеокарты обязательно нужно учитывать, что новые модели могут просто не подходить к вашей материнской плате, так как существует не просто несколько разных типов слотов расширения, но и несколько разных их версий (применительно и к AGP, и к PCI Express). Если вы не уверены в своих знаниях по этой теме, внимательно ознакомьтесь с разделом.

Как мы уже отметили выше, видеокарта вставляется в специальный разъем расширения на системной плате компьютера, через этот слот видеочип обменивается информацией с центральным процессором системы. На системных платах чаще всего есть слоты расширения одного-двух разных типов, отличающихся пропускной способностью, параметрами электропитания и другими характеристиками, и не все из них подходят для установки видеокарт. Важно знать имеющиеся в системе разъемы и покупать только ту видеокарту, которая им соответствует. Разные разъемы расширения несовместимы физически и логически, и видеокарта, предназначенная для одного типа, в другой не вставится и работать не будет.

К счастью, за прошедшее время успели кануть в лету не только слоты расширения ISA и VESA Local Bus (которые интересны лишь будущим археологам) и соответствующие им видеокарты, но практически исчезли и видеокарты для слотов PCI, а все AGP-модели безнадежно устарели. И все современные графические процессоры используют только один тип интерфейса — PCI Express. Ранее был широко распространён стандарт AGP, эти интерфейсы значительно отличаются друг от друга, в том числе пропускной способностью, предоставляемыми возможностями для питания видеокарты, а также другими менее важными характеристиками.

Лишь очень малая часть современных системных плат не имеет слотов PCI Express, и если ваша система настолько древняя, что использует AGP видеокарту, то заняться её апгрейдом не получится — нужно менять всю систему. Рассмотрим эти интерфейсы подробнее, именно эти слоты вам нужно искать на своих системных платах. Смотрите фотографии и сравнивайте.

AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) — это высокоскоростной интерфейс, основанный на спецификации PCI, но созданный специально для соединения видеокарт и системных плат. Шина AGP хотя и лучше подходит для видеоадаптеров по сравнению с PCI (не Express!), предоставляет прямую связь между центральным процессором и видеочипом, а также некоторые другие возможности, увеличивающие производительность в некоторых случаях, например, GART — возможность чтения текстур напрямую из оперативной памяти, без их копирования в видеопамять; более высокую тактовую частоту, упрощенные протоколы передачи данных и др., но этот тип слотов безнадёжно устарел и новых изделий с ним давно не выпускают.

Но всё же, для порядка упомянем и об этом типе. Спецификации AGP появились в 1997 году, тогда Intel выпустил первую версию описания, включающую две скорости: 1x и 2x. Во второй версии (2.0) появился AGP 4x, а в 3.0 — 8x. Рассмотрим все варианты подробнее:
AGP 1x — это 32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI (133 Мбайт/с, 33 МГц и 32 бит).
AGP 2x — 32-битный канал, работающий с удвоенной пропускной способностью 533 Мбайт/с на той же частоте 66 МГц за счет передачи данных по двум фронтам, аналогично DDR памяти (только для направления «к видеокарте»).
AGP 4x — такой же 32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная «эффективная» частота 266 МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с.
AGP 8x — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить пропускную способность уже до 2,1 ГБ/с.

Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1,5 В, не работают в слотах 3,3 В, и наоборот. Впрочем, существуют и универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. Видеокарты, рассчитанные на морально и физически устаревший слот AGP, давно не рассматриваются, поэтому чтобы узнать о старых AGP-системах, лучше будет ознакомиться со статьей:

PCI Express (PCIe или PCI-E, не путать с PCI-X), ранее известная как Arapahoe или 3GIO, отличается от PCI и AGP тем, что это последовательный, а не параллельный интерфейс, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность. PCIe — это лишь один из примеров перехода от параллельных шин к последовательным, вот другие примеры этого движения: HyperTransport, Serial ATA, USB и FireWire. Важное преимущество PCI Express в том, что он позволяет складывать несколько одиночных линий в один канал для увеличения пропускной способности. Многоканальность последовательного дизайна увеличивает гибкость, медленным устройствам можно выделять меньшее количество линий с малым числом контактов, а быстрым — большее.

Интерфейс PCIe 1.0 пропускает данные на скорости 250 Мбайт/с на одну линию, что почти вдвое превышает возможности обычных слотов PCI. Максимально поддерживаемое слотами PCI Express 1.0 количество линий — 32, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с. А слот PCIe с восемью рабочими линиями примерно сопоставим по этому параметру с быстрейшей из версий AGP — 8x. Что еще больше впечатляет при учете возможности одновременной передачи в обоих направлениях на высокой скорости. Наиболее распространенные слоты PCI Express x1 дают пропускную способность одной линии (250 Мбайт/с) в каждом направлении, а PCI Express x16, который применяется для видеокарт и в котором сочетается 16 линий, обеспечивает пропускную способность до 4 ГБ/с в каждом направлении.

Несмотря на то, что соединение между двумя PCIe-устройствами иногда собирается из нескольких линий, все устройства поддерживают одиночную линию, как минимум, но опционально могут работать с большим их количеством. Физически, карты расширения PCIe входят и работают нормально в любых слотах с равным или большим количеством линий, так, карта PCI Express x1 будет спокойно работать в разъемах x4 и x16. Также, слот физически большего размера может работать с логически меньшим количеством линий (например, на вид обычный разъем x16, но разведены лишь 8 линий). В любом из приведенных вариантов PCIe сам выберет максимально возможный режим, и будет нормально работать.

Чаще всего для видеоадаптеров используются разъемы x16, но есть платы и с разъемами x1. А большая часть системных плат с двумя слотами PCI Express x16 работает в режиме x8 для создания SLI- и CrossFire-систем. Физически другие варианты слотов, такие как x4, для видеокарт не используются. Напоминаю, что всё это относится только к физическому уровню, попадаются и системные платы с физическими разъемами PCI-E x16, но в реальности с разведенными 8, 4 или даже 1 каналами. И любые видеокарты, рассчитанные на 16 каналов, работать в таких слотах будут, но с меньшей производительностью. Кстати, на фотографии выше показаны слоты x16, x4 и x1, а для сравнения оставлен и PCI (снизу).

Хотя разница в играх получается не такой уж и большой. Вот, например, обзор двух системных плат на нашем сайте, в котором исследуется разница в скорости трехмерных игр на двух системных платах, пара тестовых видеокарт в которых работает в режимах 8 каналов и 1 канала соответственно:

Интересующее нас сравнение — в конце статьи, обратите внимание на две последние таблицы. Как видите, разница при средних настройках весьма небольшая, но в тяжелых режимах начинает увеличиваться, причем, большая разница отмечена в случае менее мощной видеоплаты. Примите это к сведению.

PCI Express отличается не только пропускной способностью, но и новыми возможностями по энергопотреблению. Эта необходимость возникла потому, что по слоту AGP 8x (версия 3.0) можно передать лишь не более 40 с небольшим ватт суммарно, чего уже не хватало видеокартам тогдашних поколений, рассчитанных для AGP, на которых устанавливали по одному или двум стандартным четырехконтактным разъемам питания. По разъему PCI Express можно передавать до 75 Вт, а дополнительные 75 Вт получают по стандартному шестиконтактному разъему питания (см. последний раздел этой части). В последнее время появились видеокарты с двумя такими разъемами, что в сумме даёт до 225 Вт.

В дальнейшем группа PCI-SIG, которая занимается разработкой соответствующих стандартов, представила основные спецификации PCI Express 2.0. Вторая версия PCIe вдвое увеличила стандартную пропускную способность, с 2,5 Гбит/с до 5 Гбит/с, так что разъем x16 позволяет передавать данные на скорости до 8 ГБ/с в каждом направлении. При этом PCIe 2.0 совместим с PCIe 1.1, старые карты расширения обычно нормально работают в новых системных платах.

Спецификация PCIe 2.0 поддерживает скорости передачи как 2,5 Гбит/с, так и 5 Гбит/с, это сделано для обеспечения обратной совместимости с существующими решениями PCIe 1.0 и 1.1. Обратная совместимость PCI Express 2.0 позволяет использовать устаревшие решения с 2,5 Гбит/с в слотах 5,0 Гбит/с, которые просто будут в таком случае работать на меньшей скорости. А устройства, разработанные по спецификациям версии 2.0, могут поддерживать скорости 2,5 Гбит/с и/или 5 Гбит/с.

Хотя основное нововведение в PCI Express 2.0 — это удвоенная до 5 Гбит/с скорость, но это не единственное изменение, есть и другие модификации для увеличения гибкости, новые механизмы для программного управления скоростью соединений и т. п. Нас больше всего интересуют изменения, связанные с электропитанием устройств, так как требования видеокарт к питанию неуклонно растут. В PCI-SIG разработали новую спецификацию для обеспечения увеличивающегося энергопотребления графических карт, она расширяет текущие возможности энергоснабжения до 225/300 Вт на видеокарту. Для поддержки этой спецификации используется новый 2×4-штырьковый разъем питания, предназначенный для обеспечения питанием топовых моделей видеокарт.

Видеокарты и системные платы с поддержкой PCI Express 2.0 появились в широкой продаже уже в 2007 году, а теперь на рынке других и не встретить. Оба основных производителя видеочипов, AMD и NVIDIA, выпустили новые линейки GPU и видеокарт на их основе, поддерживающие увеличенную пропускную способность второй версии PCI Express и пользующиеся новыми возможностями по электрическому питанию для карт расширения. Все они обратно совместимы с системными платами, имеющими на борту слоты PCI Express 1.x, хотя в некоторых редких случаях наблюдается несовместимость, так что нужно быть осторожным.

Собственно, появление третьей версии PCIe было очевидным событием. В ноябре 2010 года спецификации третьей версии PCI Express окончательно утвердили. Хотя этот интерфейс обладает скоростью передачи 8 гигатранзакций/с вместо 5 Гт/с у версии 2.0, его пропускная способность снова возросла ровно вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Для этого применили иную схему кодирования пересылаемых по шине данных, но совместимость с предыдущими версиями PCI Express при этом сохранилась. Первые продукты версии PCI Express 3.0 были представлены летом 2011-го, а реальные устройства только-только начали появляться на рынке.

Среди производителей системных плат разгорелась целая война за право первым представить продукт с поддержкой PCI Express 3.0 (в основном, на базе чипсета Intel Z68), и соответствующие пресс-релизы представили сразу несколько компаний. Хотя на момент обновления путеводителя видеокарт с такой поддержкой просто нет, так что это просто неинтересно. К тому времени, когда поддержка PCIe 3.0 будет нужна, появятся совершенно иные платы. Скорее всего, это произойдёт не ранее 2012 года.

К слову, можно предполагать, что PCI Express 4.0 будет представлена в течение ещё нескольких следующих лет, и новая версия также будет иметь ещё раз удвоенную пропускную способность, востребованную к тому времени. Но это произойдёт совсем нескоро, и нам пока неинтересно.

External PCI Express

В 2007 году группа PCI-SIG, занимающаяся официальной стандартизацией решений PCI Express, объявила о принятии спецификации PCI Express External Cabling 1.0, описывающей стандарт передачи данных по внешнему интерфейсу PCI Express 1.1. Эта версия позволяет передавать данные со скоростью 2,5 Гбит/с, а следующая должна увеличить пропускную способность до 5 Гбит/с. В рамках стандарта представлены четыре внешних разъема: PCI Express x1, x4, x8 и x16. Старшие разъемы оснащены специальным язычком, облегчающим подключение.

Внешний вариант интерфейса PCI Express может использоваться не только для подключения внешних видеокарт, но и для внешних накопителей и других плат расширения. Максимальная рекомендованная длина кабеля при этом равна 10 метров, но её можно увеличить при помощи соединения кабелей через повторитель.

Теоретически, это могло облегчить жизнь любителей ноутбуков, когда при работе от батарей используется маломощное встроенное видеоядро, а при подключении к настольному монитору — мощная внешняя видеокарта. Значительно облегчается апгрейд подобных видеокарт, не нужно вскрывать корпус ПК. Производители могут делать совершенно новые системы охлаждения, не ограниченные особенностями карт расширения, да и с питанием должно быть меньше проблем — скорее всего, будут использоваться внешние блоки питания, рассчитанные специально на определенную видеокарту, их можно встроить в один внешний корпус с видеокартой, используя одну систему охлаждения. Может облегчиться сборка систем на нескольких видеокартах (SLI/CrossFire), да и с учётом постоянного роста популярности мобильных решений такие внешние PCI Express должны были завоевать определенную популярность.

Должны были, но не завоевали. По состоянию на осень 2011 года внешних вариантов видеокарт на рынке практически нет. Их круг ограничен устаревшими моделями видеочипов и узким выбором совместимых ноутбуков. К сожалению, дело внешних видеокарт дальше не пошло, и потихоньку заглохло. Не слышно уже даже победных рекламных заявлений от производителей ноутбуков… Возможно, мощностей современных мобильных видеокарт просто стало хватать даже для требовательных 3D-приложений, в т. ч. и многих игр.

Остаётся надежда на развитие внешних решений в перспективном интерфейсе для подключения периферийных устройств Thunderbolt, ранее известном как Light Peak. Его разработала корпорация Intel на базе технологии DisplayPort, и первые решения уже выпущены компанией Apple. Thunderbolt объединяет возможности DisplayPort и PCI Express и позволяет подключать внешние устройства. Впрочем, пока таковых просто не существует, хотя кабели уже есть:

В статье мы не трогаем устаревшие интерфейсы, абсолютное большинство современных видеоплат рассчитано на интерфейс PCI Express 2.0, поэтому при выборе видеокарты мы предлагаем рассматривать только его, все данные о AGP приведены лишь для справки. Новые платы используют интерфейс PCI Express 2.0, объединяющий скорость 16 линий PCI Express, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с в каждом направлении, это в несколько раз больше по сравнению с той же характеристикой лучшего из AGP. Кроме того, PCI Express работает с такой скоростью в каждом из направлений, в отличие от AGP.

С другой стороны, продукты с поддержкой PCI-E 3.0 ещё толком не вышли, поэтому рассматривать их тоже не имеет особого смысла. Если речь идёт об апгрейде старой или покупке новой платы или одновременной смене системной и видеоплаты, то просто нужно приобретать платы с интерфейсом PCI Express 2.0, который будет вполне достаточен и наиболее распространен еще несколько лет, тем более что продукты разных версий PCI Express совместимы между собой.

Стандарт PCI Express является одной из основ современных компьютеров. Слоты PCI Express уже давно занимают прочное место на любой материнской плате декстопного компьютера, вытесняя другие стандарты, например, такие как PCI. Но даже стандарт PCI Express имеет свои разновидности и отличающийся друг от друга характер подключения. На новых материнских платах, начиная примерно с 2010 года, можно увидеть на одной материнской плате целую россыпь портов, обозначенных как PCIE или PCI-E , которые могут отличаться по количеству линий: одной x1 или нескольких x2, x4, x8, x12, x16 и x32.

Итак, давайте выясним почему такая путаница среди казалось бы простого периферийного порта PCI Express. И какое предназначение у каждого стандарта PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32?

Что такое шина PCI Express?

В далеких 2000-х, когда состоялся переход с устаревающего стандарта PCI (расш. - взаимосвязь периферийных компонентов) на PCI Express, у последнего было одно огромное преимущество: вместо последовательной шины, которой и была PCI, использовалась двухточечная шина доступа. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные в него карты, могли в полной мере использовать максимальную пропускную способность не мешая друг другу, как это происходило при подключении к PCI. В те времена количество периферийных устройств, вставляемых в карты расширения, было предостаточно. Сетевые карты, аудио карты, ТВ-тюнеры и так далее - все требовали достаточное количество ресурсов ПК. Но в отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, если рассматривать в общем, является пакетной сетью с топологией типа звезда.


PCI Express x16, PCI Express x1 и PCI на одной плате

С точки зрения непрофессионала, представьте свой настольный ПК в качестве небольшого магазина с одним, двумя продавцами. Старый стандарт PCI был как гастроном: все ожидали в одной очереди, чтобы их обслужили, испытывая проблемы со скоростью обслуживания с ограничением в лице одного продавца за прилавком. PCI-E больше похож на гипермаркет: каждый покупатель движется за продуктами по своему индивидуальному маршруту, а на кассе сразу несколько кассиров принимают заказ.

Очевидно, что гипермаркет по скорости обслуживания выигрывает в несколько раз у обычного магазина, благодаря тому, что магазин не может себе позволить пропускную способность больше чем один продавец с одной кассой.

Также и с выделенными полосами передачи данных для каждой карты расширения или встроенными компонентами материнской платы.

Влияние количества линий на пропускную способность

Теперь, чтобы расширить нашу метафору с магазином и гипермаркетом, представьте, что каждый отдел гипремаркета имеет своих кассиров, зарезервированных только для них. Вот тут-то и возникает идея нескольких полос передачи данных.

PCI-E прошел множество изменений со времени своего создания. В настоящее время новые материнские платы обычно используют уже 3 версию стандарта, причем более быстрая 4 версия становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах: x1, x4, x8 и x16. (x32-порты существуют, но крайне редко встречаются на материнских платах обычных компьютерах).

Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их по количеству одновременных соединений с материнской платой: чем больше порт физически, тем больше максимальных подключений он способен передать на карту или обратно. Эти соединения еще называют линиями . Одну линию можно представить как дорожку, состоящею из двух сигнальных пар: одна для отправки данных, а другая для приема.

Различные версии стандарта PCI-E позволяют использовать разные скорости на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос находится на одном PCI-E-порту, тем быстрее данные могут перетекать между периферийной и остальной частью компьютера.

Возвращаясь к нашей метафоре: если речь идёт об одном продавце в магазине, то полоса x1 и будет этим единственным продавцом, обслуживающим одного клиента. У магазина с 4-мя кассирами - уже 4 линии х4 . И так далее можно расписать кассиров по количеству линий, умножая на 2.


Различные карты PCI Express

Типы устройств, использующих PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32

Для версии PCI Express 3.0 общая максимальная скорость передачи данных составляет 8 ГТ/с, В реальности же скорость для версии PCI-E 3 чуть меньше одного гигабайта в секунду на одну полосу.

Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, например, маломощная звуковая карта или Wi-Fi-антенна смогут передавать данные с максимальной скоростью в 1 Гбит/с.

Карта, которая физически подходит в более крупный слот - x4 или x8 , например, карта расширения USB 3.0, сможет передавать данные в четыре или восемь раз быстрее соответственно.

Скорость передачи портов PCI-E x16 теоретически ограничивается максимальной полосой пропуская в размере около 15 Гбит/с. Этого более чем достаточно в 2017 года для всех современных графических видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.


Большинство дискретных видеокарт используют слот PCI-E x16

Протокол PCI Express 4.0 позволяет использовать уже 16 ГТ/с, а PCI Express 5.0 будет задействовать 32 ГТ/с.

Но в настоящее время не существует компонентов, которые смогли бы использовать такое количество полос с максимальной пропускной способностью. Современные топовые графические карты обычно используют x16 стандарта PCI Express 3.0. Нет смысла использовать те же полосы и для сетевой карты, которая на порту x16 будет использовать только одну линию, так как порт Ethernet способен передавать данные только до одного гигабита в секунду (что, около одной восьмой пропускной способности одной PCI-E полосы - помните: восемь бит в одном байте).

На рынке можно найти твердотельные накопители PCI-E, которые поддерживают порт x4, но они, похоже, скоро будут вытеснены быстро развивающимся новым стандартом M.2. для твердотельных накопителей, которые также могут использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такие как RAID-контроллеры, используют сочетание форматов x4 и x8.

Размеры портов и линий PCI-E могут различаться

Это одна из наиболее запутанных задач по PCI-E: порт может быть выполнен размером в форм-факторе x16, но иметь недостаточное количество полос для пропуска данных, например, всего например x4. Это связано с тем, что даже если PCI-E может нести на себе неограниченное количество отдельных соединений, все же существует практический предел пропускной способности полосы пропускания чипсета. Более дешевые материнские платы с более бюджетными чипсетами могут иметь только один слот x8, даже если этот слот может физически разместить карту форм-фактора x16.

Кроме того, материнские платы, ориентированные на геймеров, включают до четырех полных слотов PCI-E с x16 и столько же линий для максимальной пропускной способности.

Очевидно, это может вызывать проблемы. Если материнская плата имеет два слота размером x16, но один из них имеет только полосы x4, то подключение новой графической карты снизит производительность первой аж на 75%. Это, конечно, только теоретический результат. Архитектура материнских плат такова, что Вы не увидите резкого снижения производительности.

Правильная конфигурация двух графических видео карт должна задействовать именно два слота x16, если Вы хотите максимального комфорта от тандема двух видеокарт. Выяснить сколько линий на Вашей материнской плате имеет тот или иной слот поможет руководство на оф. сайте производителя.

Иногда производители даже помечают на текстолите материнской платы рядом со слотом количество линий

Нужно знать, что более короткая карта x1 или x4 может физически вписаться в более длинный слот x8 или x16. Конфигурация контактов электрических контактов делает это возможным. Естественно, если карта физически больше, чем слот, то вставить ее не получится.

Поэтому помните, при покупке карт расширения или обновления текущих необходимо всегда помнить как размер слота PCI Express, так и количество необходимых полос.

Энциклопедичный YouTube

  • 1 / 5

    В отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда.

    Устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

    Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

    • гарантированная полоса пропускания (QoS);
    • управление энергопотреблением;
    • контроль целостности передаваемых данных.

    Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X . Де-факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах.

    Разъёмы

    • MiniCard (Mini PCIe) - замена форм-фактора Mini PCI . На разъём Mini Card выведены шины: x1 PCIe, USB 2.0 и SMBus.
    • ExpressCard - подобен форм-фактору PCMCIA . На разъём ExpressCard выведены шины x1 PCIe и USB 2.0, карты ExpressCard поддерживают горячее подключение.
    • AdvancedTCA - форм-фактор для телекоммуникационного оборудования.
    • Mobile PCI Express Module (MXM) - промышленный форм-фактор, созданный для ноутбуков фирмой NVIDIA . Его используют для подключения графических ускорителей.
    • Кабельные спецификации PCI Express позволяют доводить длину одного соединения до десятков метров, что делает возможным создание ЭВМ, периферийные устройства которой находятся на значительном удалении.
    • StackPC - спецификация для построения наращиваемых компьютерных систем. Данная спецификация описывает разъёмы расширения StackPC, FPE и их взаимное расположение.

    PCI Express X1

    Mini PCI-E

    Mini PCI Express - формат шины PCI Express для портативных устройств.

    Для этого стандарта разъёма выпускается много периферийных устройств:

    SSD Mini PCI Express

    • Питание 3.3 В

    ExpressCard

    Слоты ExpressCard на настоящее время (ноябрь 2010) применяются для подключения:

    • Плат SSD накопителей
    • Видеокарт
    • Контроллеров 1394/FireWire (iLINK)
    • Док-станций
    • Измерительных приборов
    • Памяти
    • Адаптеров карт памяти (CF, MS, SD, xD, и т. д.)
    • Мышей
    • Сетевых адаптеров
    • Параллельных портов
    • Адаптеров PC Card/PCMCIA
    • Расширения PCI
    • Расширения PCI Express
    • Дистанционного управления
    • Контроллеров SATA
    • Последовательных портов
    • Адаптеров SmartCard
    • ТВ-тюнеров
    • Контроллеров USB
    • Беспроводных сетевых адаптеров Wi-Fi
    • Беспроводных широкополосных интернет-адаптеров (3G, CDMA, EVDO, GPRS, UMTS, и т. д.)
    • Звуковых карт для домашнего мультимедиа и профессиональных аудиоинтерфейсов.

    Описание протокола

    Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка , называемое линией (англ. lane - полоса, ряд); это резко отличается от PCI , в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

    Конкурирующие протоколы

    Кроме PCI Express, существует ещё ряд высокоскоростных стандартизованных последовательных интерфейсов, вот только некоторые из них: HyperTransport , InfiniBand , RapidIO , и StarFabric. Каждый интерфейс имеет своих сторонников среди промышленных компаний, так как на разработку спецификаций протоколов уже ушли значительные суммы, и каждый консорциум стремится подчеркнуть преимущества именно своего интерфейса над другими.

    Стандартизированный высокоскоростной интерфейс, с одной стороны, должен обладать гибкостью и расширяемостью, а с другой стороны, должен обеспечивать низкое время задержки и невысокие накладные расходы (то есть доля служебной информации пакета не должна быть велика). В сущности, различия между интерфейсами заключаются именно в выбранном разработчиками конкретного интерфейса компромиссе между этими двумя конфликтующими требованиями.

    К примеру, дополнительная служебная маршрутная информация в пакете позволяет организовать сложную и гибкую маршрутизацию пакета, но увеличивает накладные расходы на обработку пакета, также снижается пропускная способность интерфейса, усложняется программное обеспечение, которое инициализирует и настраивает устройства, подключенные к интерфейсу. При необходимости обеспечения горячего подключения устройств необходимо специальное программное обеспечение, которое бы отслеживало изменение в топологии сети. Примерами интерфейсов, которые приспособлены для этого, являются RapidIO, InfiniBand и StarFabric.

    В то же время, укорачивая пакеты, можно уменьшить задержку при передаче данных, что является важным требованием к интерфейсу памяти. Но небольшой размер пакетов приводит к тому, что доля служебных полей пакета увеличивается, что снижает эффективную пропускную способность интерфейса. Примером интерфейса такого типа является HyperTransport.

    Положение PCI Express - между описанными подходами, так как шина PCI Express предназначена для работы в качестве локальной шины, нежели шины процессор-память или сложной маршрутизируемой сети. Кроме того, PCI Express изначально задумывалась как шина, логически совместимая с шиной PCI, что также внесло свои ограничения.

    HighPoint RocketRAID 2320: второй RAID-контроллер SATA II в нашей лаборатории с интерфейсом PCIe.

    Интерфейс PCI Express (PCIe) находится на рынке уже примерно полтора года, но до сих пор он воспринимается, по большей части, как новый интерфейс графических карт. Настольные материнские платы с поддержкой PCI Express предлагают дополнительные слоты с этим интерфейсом, но используются они сегодня очень редко. Собственно, как и версии с большей пропускной способностью на материнских платах для серверов и рабочих станций.

    Хотя теоретически PCI Express x16 может обеспечить большую пропускную способность по сравнению с PCI-X 533 (8 Гбайт/с против 4,26 Гбайт/с), важно подчеркнуть, что PCIe был предназначен для замены не PCI-X, а других, более старых шинных интерфейсов. PCIe был нацелен на замену графического интерфейса AGP по маркетинговым соображениям, а также чтобы проложить путь использованию двух графических карт. Да и устаревшая 32-битная параллельная шина PCI тоже требовала замены. Вряд ли PCI можно назвать хорошей шиной по современным понятиям: она предлагает относительно низкую пропускную способность, которая, к тому, же разделяется между всеми устройствами PCI. Современные технологии - вроде гигабитного Ethernet, периферии с поддержкой высокого разрешения и контроллеров накопителей - требуют более высокой пропускной способности.

    Перейдём к сути PCI Express: этот интерфейс не обязательно быстрее PCI-X, но он проще и обеспечивает пропускную способность отдельно для каждого устройства. Именно поэтому сегодня появляется всё больше чипсетов класса "сервер/рабочая станция" с поддержкой PCI Express: слишком уж заманчиво, когда пропускная способность выделяется для каждого устройства.

    Одним из возможных применений можно сразу же назвать контроллеры сети и накопителей, так как они уже давно страдают из-за "узости" интерфейса. Вполне понятно, что построить 10-Гбит/с тестовое окружение Ethernet сложнее, чем использовать контроллеры накопителей. Поэтому для тестирования мы выбрали RAID.

    Мы отобрали два последних контроллера HighPoint Serial ATA II RAID RocketRAID, модели 2220 и 2320, поскольку они построены на одинаковой технологии и различаются только интерфейсом. 2220 является моделью PCI-X, а 2320 использует интерфейс x4 PCI Express.

    PCI-X является существенно доработанной версией параллельной шины Peripheral Components Interconnect (PCI). Она построена на классической шинной топологии и требует для подключения большое число дорожек/контактов. Как мы уже упоминали выше, доступная пропускная способность разделяется между всеми устройствами.

    В отличие от обычной PCI в вашем компьютере, имеющей ширину 32 бита, PCI-X является 64-битной шиной. В результате пропускная способность автоматически удваивается, равно как число дорожек/контактов и размеры слота. Но всё остальное, включая протоколы передачи, сигналы и типы разъёмов, обратно совместимо. То есть в слот PCI-X можно установить 32-битную карту PCI (3,3 В). Кроме того, многие 64-битные карты PCI-X могут работать в 32-битных слотах PCI, но, конечно, с заметно сниженной пропускной способностью.

    Но даже такое расширение шины всё равно не обеспечивало достаточную пропускную способность для профессиональных контроллеров накопителей SCSI, iSCSI, Fibre Channel, 10-Гбит/с Ethernet, InfiniBand и прочего. Поэтому группа PCI-SIG (Special Interest Group) добавила в спецификацию несколько скоростных градаций, меняющихся от PCI-X 66 (Rev. 1.0b) до PCI-X 533 (Rev. 2.0). В следующей таблице дана подробная информация.

    Ширина шины Тактовая частота Функции Пропускная способность
    PCI-X 66 64 бит 66 МГц "Горячее подключение", 3,3 В 533 Мбайт/с
    PCI-X 133 64 бит 133 МГц "Горячее подключение", 3,3 В 1,06 Гбайт/с
    PCI-X 266 133 МГц (DDR) 2,13 Гбайт/с
    PCI-X 533 64 бит, опционально только 16 бит 133 МГц (QDR) "Горячее подключение", 3,3 и 1,5 В, поддержка ECC 4,26 Гбайт/с

    Как можно видеть, по достижении 133 МГц с PCI-X 133 тактовая частота больше не возрастала. Чтобы обеспечить более высокую пропускную способность, были задействованы две технологии, с которыми вы наверняка уже знакомы по шинам памяти и FSB. PCI-X 266 опирается на технологию удвоенной передачи данных Double Data Rate, когда данные передаются на спаде и возрастании тактового импульса. PCI-X 533 заходит ещё дальше и использует учетверённую передачу данных (Quad Data Rate). Intel уже давно использует эту технологию для FSB процессоров Pentium 4 и Xeon.

    Широкие слоты слева - это и есть 64-битная шина PCI-X.


    Источник: презентация PCI-SIG PCI-X 2.0.

    Как мы уже указывали выше, общая пропускная способность с максимумом в 4,26 Гбайт/с разделяется между всеми устройствами, подключёнными к шине. Кроме того, если какое-либо устройство не способно работать на высокой тактовой частоте, система снизит скорость шины до наименьшего общего значения, вплоть до 33 МГц. Впрочем, именно такую цену приходится платить за совместимость. Но проблему можно решить, реализовав на материнской плате более одного моста PCI-X. Продукты с подобной возможностью предлагаются всеми производителями профессионального уровня, включая такие компании, как Asus, Supermicro и Tyan.

    Обратная совместимость является большим плюсом PCI-X. Администраторы желают быть абсолютно уверенными, что новое оборудование будет работать правильно. Именно поэтому внедрение новых технологий на рынке серверов и рабочих станций не такое быстрое. Зачем нужно прощаться с технологией, если она является обратно совместимой, обеспечивает достаточную производительность и отличается большой базой имеющегося оборудования? Эта ситуация вряд ли изменится в будущем, поскольку сегодня группа PCI-SIG работает уже над стандартом PCI-X 1066. Он ещё раз удвоит пропускную способность и, кроме того, получит новые функции вроде сжатия данных "на лету", автоматических резервных путей и защиты от сбоев. Кроме того, может появиться поддержка изохронной передачи, но тогда придётся отказаться от совместимости с обычной PCI.



Похожие публикации