PCI-Express: история, применение, виды
Содержание
- Вступление
- Немного истории, или зачем нужна PCI-E?
- Что такое PCIe
- Какие pci express бывают
- Принцип работы PCIe
- Что такое PCIe 4.0
- Что такое PCIe 5.0
- Какие решения стоит ожидать в будущем
Вступление
Сервера и компьютерные системы всегда нуждались в универсальной шине для подключения периферийных устройств, на протяжении 40 лет идет эволюция этого рода интерфейсов. По мере роста потребностей в вычислительной мощности один разъем сменял другой. И вот с 2002 года мир пришел к новой стандартизированной шине Pci Express. Так в чем же его особенность и чем он так принципиально отличается от его предшественников? В этих вопросах стоит разобраться подробнее.
Немного истории, или зачем нужна PCI-E?
PCI, AGP, и PCI-E - технологии для подключения плат расширения к ПК. Первая выпущена Intel в начале 1990-х годов, ее изначальная цель - избавиться от множества несовместимых интерфейсов: от VLB до ISA и Micro Channel и обеспечить стабильную работу с периферией как в настольных, так серверных системах.
Аналоги шины PCI:
- AGP;
- PCI-X;
- MiniPCI;
- PC Card CardBus.
AGP(Accelerated Graphics Port) - шина все с теми же 32 разрядами, но работающая на частоте в 66 Mhz. Обладает улучшенной производительностью относительно PCI 33 Mhz. Ее построили на базе первой, выпустив в 1996 году и задействовав в процессорах Intel Pentium I. Ею снабжали профессиональные графические адаптеры того времени.
Шина PCI-X нашла широкое применение в серверных системах. Ее главное преимущество это работа на увеличенных частотах до 133 Mhz и 64 bit архитектура, что влекло за собой наращенную пропускную способность интерфейса. Сетевые адаптеры и RAID контроллеры того времени испытывали эффект “бутылочного горлышка” будучи основанными на PCI 32 bit 66 Mhz. Новый интерфейс давал свободу и лишал всяческих ограничений.
MiniPCI - специализированная шина для ноутбуков, по сути адаптация обычной шины PCI в более компактные размеры, 32-битная, работает на частоте 33 МГц.
PC Card CardBus(PCMCIA) - интерпретация шины PCI для работы с модулями расширений для ноутбуков, телевизорах. Представляет собой полноценную 32-разрядную шину PCI, работающую на частоте 33 Mhz в более компактном форм-факторе.
Несмотря на ряд дополнений, которые использовали в новых вариациях, шины несли некоторые ограничения, которые накладывала топология интерфейса. На данный момент возможностей наращивания пропускной способности шинного стандарта PCI за счет увеличения тактовой частоты без усложнения схем разводки и удорожания конечного продукта нет. Именно это и привело к замене параллельных шин на последовательные.
Альтернатива шины AGP и всех последующих версий – высокоскоростная шина PCI-Express (PCIe), о которой впервые заговорили в 2002 году, когда вышла ее базовая спецификация. Обновление в лице второй версии выпустили только через 5 лет – в 2007 году. Затем в 2010 и 2017 годах появились третья и четвертая модификации. Последняя – пятая – была запущена в 2019 году. Что такое PCI-Express (PCIe) и как она работает – сейчас разберемся.
Что такое PCIe
PCI-Express (PCIe) – компьютерная шина, которая обеспечивает надежное соединение «точка-точка» при помощи высокопроизводительного протокола последовательной передачи данных. Главным отличием от предшественника является последовательная передача данных. В основе шины – программная модель предыдущей модификации PCI. PCIe используют для подключения к материнской плате разнообразных внутренних плат расширения:
- видеокарт;
- звуковых карт;
- адаптеров Ethernet;
- адаптеров Wi-Fi и bluetooth
- NVMe SSD накопителей
- рейд контроллеров
- различных USB хабов
- сопроцессоров Intel Xeon Phi
- средств доверенной загрузки ПАК Соболь
- криптографических ускорителей
Функционирует интерфейс в полнодуплексном режиме, информация передается на высоких скоростях и сразу в двух направлениях: прямом и противоположном. При этом задействуются независимые каналы, которые называют линиями PCIe.
Какие pci express бывают
Есть несколько вариаций PCI-Express (PCIe). По интерфейсу шины классифицируют на модификации:
- 1.0(Дата выпуска 2003 год. Скорость линии 1x 250 Mb/s;
- 2.0(Дата выпуска 2007 год. Скорость линии 1x 500 Mb/s;
- 3.0(Дата выпуска 2010 год. Скорость линии 1x 1 Gb/s;
- 4.0(Дата выпуска 2017 год. Скорость линии 1x 2 Gb/s;
- 5.0(Дата выпуска 2019 год. Скорость линии 1x 4 Gb/s;
В ближайшее время выпустят версию 6.0. Дополнительно при обозначении версий шин указывают число линий. Например, PCI-Express (PCIe) 4.0х16.
По количеству каналов шины PCI express бывают:
- PCIeх1. Стандарт, снабженный только 1 линией, длина до 25 мм.
- PCIeх4. Количество линий – 4, длина – 39 мм.
- PCIeх8. Шина, у которой 8 линий, 56 мм в длине.
- PCIeх16. У интерфейса 16 линий, в длину достигает 89 мм.
.png "slots-pcie (1).png")
Наилучшим выбором для видеокарты почти всегда считается слот PCIeх16 в виду его пропускной способности. Если в ПК 2 и более графических процессоров, стоит на запас предусмотреть слот X16 или X8. Теперь чуть подробнее о каждой версии.
PCIeх1
PCIeх1 – самый компактный слот. Демонстрирует быструю работу на материнских платах PCIe Gen 4.0 или 5.0, поэтому нередко применяется для работы с периферийными устройствами: wifi и bluetooth адаптеры, звуковые карты и т.д.
PCIeх4
Применяется преимущественно для обновленных версий устройств х1. Типичные примеры: сетевые карты, RAID-контроллеры требующие более производительного интерфейса передачи данных.
PCIeх8
Особенность слота – значительное увеличение ширины шины, что приводит к расширению пропускной способности для карт high-end. Обычно PCI express х8 применяют в производительных контроллерах, а также в видеокартах начального уровня.
PCIeх16
Самый большой и, как уже было отмечено, самый совершенный слот. Используется в видеокартах, сетевых картах серверного уровня. Обладает наивысшими скоростями передачи данных, обусловленными версией протокола.
Принцип работы PCIe
Архитектура PCIe схожая с сетевым протоколом. Она тоже делится на несколько уровней:
- Application Layer. Уровень, необходимый для пакетирования данных и их последующей передачи на следующей этап. Готовый пакет получает заголовок: Header+Data
- Transaction Layer. Этап предусматривает проверку загруженных сведений на наличие или отсутствие искажений. Для этого система сверяет код данных с контрольным числом. Впоследствии код проверки ECRC добавляется к основному заголовку.
- Data Link Layer. Уровень, на котором пакету данных присваивают уникальный двухбайтовый номер (Sequence Number). Это нужно для сведения к нулю риска неудачной транспортировки данных. Дополнительно блок Header+Data+ECRC получает код LCRC. С его помощью удастся проверить целостность данных. В случае успешно пройденной проверки активируется сигнал ACK. Если передача оказалась ошибочной и были выявлены недочеты, активируется сигнал NAK. Тогда пакет отправляется на повторную передачу.
- Physical Layer. Уровень, на котором происходит согласование приема пакета по протоколу PLP. Необходим для определения параметров полосы: от ширины до частоты для связи с другими устройствами.
Итоговая информация по стандарту имеет код: Header+Data+ECRC+LCRC. Ее дополнительно сопровождает стартовый байт, который нужен для уведомления принимающей стороны о начале блока данных. На конце стоит конечный байт, который уведомляет о завершении.
Что такое PCIe 4.0
PCI Express 4.0 – шина максимальной пропускной способности в сравнении с предыдущими версиями. Используется при переходе на:
- новые SSD-накопители;
- видеокарты.
- сетевые карты QSFP28, QSFP56 и т.д.
- RAID контроллеры с поддержкой NVMe протокола
С помощью шины удается организовать оперативное перемещение данных в память VRAM в видеокартах. Эффективно работать с накопителями NVMe. Оперативно передавать данные от производительного сетевого адаптера к процессору.
Что такое PCIe 5.0
Недавняя разработка - шина PCIe 5.0. Ее главный плюс – классическая для PCI-E поддержка обратной совместимости с предыдущими вариациями. Для этого разработчики предусмотрели специальный неизменный разъем(разъемы 2.0 и 6.0 электрически совместимы). Единственное исключение для связи – интерфейс первого поколения.
Какие решения стоит ожидать в будущем
Совсем скоро планируют запустить шину PCI-E 6.0. Она, как и 5.0, заточена под решение задач, которые требуют максимальной пропускной способности. Ее задействуют для улучшения работы:
- сетевых технологий;
- высоконагруженных систем;
- графических процессоров.
Особенность шестой версии – технология PAM4. С ее помощью удастся организовать одновременную передачу сразу двух бит, когда раньше можно было передать только один. При этом в каждом пакете информации будет резервироваться сразу несколько байт. Это значительно повысит качество транспортировки сведений и позволит выявить ошибки еще на раннем этапе.
Необходимость внедрения новой версии связана с активным ростом требований к большинству устройств. Последние годы появляются более широкие каналы передачи данных, с которыми старые интерфейсы перестают справляться.
