Pci 2.0 пропускная способность. Как работает шина PCI Express

PCI Express «родилась» 22 июля 2002 года. Ее создателем стала корпорация Intel, именно в этот день стала доступна её техническая документация. До этого момента, на этапе разработки «шина» имела обозначение 3GIO (third generation input-output). Два этих названия были брендированы PCI SIG (организацией, которая теперь продвигает этот стандарт).

PCIe — высокопроизводительное соединение «точка – точка», пришедшее на смену шине PCI (читается, как ПиСиАй). Физически отличается тем, что не использует общие выделенные линии для связи с процессором, а имеет свои собственные, для каждого подключенного устройства. Напряжение передачи сигнала составляет 0,8 вольт. Каждый канал – представляет собой два физических проводника (четыре контакта). При транслировании информации восемь бит кодируется десятью, что дает неплохую защиту от помех.

Роднит с предшественником ее общая программная модель. Для передачи данных, которая в данном случае осуществляется последовательно, применяется физический протокол с большой пропускной способностью. Используется для подключения высокопроизводительных периферийных устройств. За псевдошиной закрепилась роль локального канала обмена данными.

Отличия PCI Express от PCI

PCI – прежде всего шина, то есть общий канал, который делят все подключенные к нему устройства. А PCI Express – для каждого устройства имеет свои пути, которые оформлены физически. Преемственность цифровой структуры трансфера информации упрощает адаптацию существующих изделий, ранее выпускавшихся для работы со старой шиной. На производстве оказывается достаточным внести незначительные поправки в конструкцию и можно выпускать ту же разновидность, но с новым интерфейсом.

Принцип работы, совместимость

Являясь двусторонним, соединение передает данные последовательно в пакетном режиме. Пропускная способность зависит от исполнения в каждом конкретном случае. PCI Express бывают одна (1х), две и более линий транспорта (2Х, 4Х, 6х, 8х, 12х, 16х, 32х), что определяет длину слота на системной плате. Характерно, что аппаратура способна работать c любым из них, но приспособленные для серьезных скоростей карты расширения не могут физически поместиться в менее производительные разъемы, просто не совпадая в размере. Хотя наоборот, менее продуктивные платы расширения, имеющие короткие контактные группы — легко помещаются в большие и корректно работают.

В таблице мы привели сводную таблицу соотношения количества линий и пропускной способности :

Сейчас доступно несколько спецификаций шины:

• PCI Express 1.0 и 1.1. Первые и наименее производительные решения, которые сейчас практически не используются. Сохраняются на старых платах, еще встречающихся в эксплуатации.
• 2.0. Переработке и усовершенствованию подверглись все сколько-нибудь определяющие производительность качества, усовершенствованы логические протоколы, всесторонне оптимизировано управление связью, улучшено автоопределение подключаемых модулей.
• Внешняя кабельная спецификация PCIe . Позволяет соединять оборудование кабелем длинной до 10 м.
• 2.1. Промежуточный аналог 2.0 с некоторыми расширенными возможностями, предшествующими появлению 3.0.
• 3.0. Скорость в 8 гигатранзакций в секунду (ГТ/с) стала доступной благодаря новой системе шифрования 128b/130b. Таким образом разница между pci 2.0 и 3.0 в шифровании и скорости передачи данных.
• 4.0. Утвержден стандарт недавно — 5.10.2017. По сравнению с предыдущим — скорость удвоена. Возросли отдельные показатели, связанные с виртуализацией, оптимизирована передача пакетов данных.
• 5.0. Ориентировочно, релиз запланирован зимой-весной 2019. Заявлена расширенная поддержка приложений, визуализирующих виртуальную реальность.

Существующие разъемы и виды портов

Портов подключения для интерфейса существуют множество. Рассмотрим некоторые, самые распространённые из них:

• MiniPCI-E (M.2). Общая шина для некоторых наиболее распространённых компьютерных протоколов и устройств с интерфейсом x1 и х4 PCIe.
• ExpressCard. Аналогичный разъем, но с выводом шины только для x1 PCIe.
• AdvancedTCA, MicroTCA – порты для аппаратуры связи.
• MobilePCIExpressModule (MXM) – разработка NVIDIA для соединения видеокарт.
• StackPC – для создания суперкомпьютеров, позволяет масштабировать вычислительные устройства.

Как узнать версию PCI Express на материнской плате

Обычно пишется возле самого слота на материнской плате, но может быть нанесено в другом месте. Еще часто пишут на упаковке материнской платы и указывают в руководстве. Можно зайти на официальный сайт и вбить в поиск серийник системной платы, или попробовать поискать спецификацию по названию и ревизии (разновидность).

Самая часто встречающаяся периферия для наиболее производительных слотов х16 – это видеокарты и ssd-диски. Не редки и контролеры типа дополнительных USB, SATA и подобных им скоростных портов или разнообразные адаптеры, такие как звуковые, музыкальные карты, Wi-Fi модули.

Видеокарта

Жесткий диск

Беспроводной адаптер

Распиновка PCI Express

Исчерпывающе показать расположение выходов линий связи проще на примере линий самого крупного и скоростного порта.

Устройство контактной группы слота PCI-Express 16x:

Соединение PCIe доказало свою эффективность. Оно отвечает всем современным требованиям по скорости передачи информации и стабильности работы. Обладая огромным потенциалом модернизации позволяет сохранять совместимость многочисленных устройств разного поколения: контролеров, адаптеров. Кроме того, служит широким каналом, позволяющим наращивать вычислительные мощности. Особенным и неожиданным местом применения этой технологии стала телекоммуникационная сфера.

Появившись в 2002 году, эта разновидность транспорта данных до сих пор остается самой актуальной, распространенной, непрерывно развивающейся и по-прежнему перспективной.

Когда речь заходит о каких-либо интерфейсах в контексте компьютерных систем, нужно быть очень внимательным, дабы не «нарваться» на несовместимые интерфейсы для одних и тех же комплектующих в рамках системы.

К счастью, когда речь заходит относительно интерфейса PCI-Express для подключения видеокарты, проблем с несовместимостью практически не будет. В данной статье мы это более подробно разберем, а также поговорим относительно того, что же такое этот самый PCI-Express.

Для чего необходим PCI-Express и что это такое?

Начнем, как обычно, с самых азов. Интерфейс PCI-Express (PCI-E) – это средство взаимодействия, в данном контексте, состоящее из контролера шины и соответствующего слота (рис.2) на материнской плате (если обобщить).

Данный высокопроизводительный протокол используется, как уже было отмечено выше, для подключения видеокарты в систему. Соответственно, на материнской плате присутствует соответствующий слот PCI-Express, куда и устанавливается видеоадаптер. Ранее, видеокарты, подключались по интерфейсу AGP, но когда данного интерфейса, попросту говоря: «перестало хватать», на помощь пришёл PCI-E, о подробных характеристиках которого мы сейчас и поговорим.

Рис.2 (Слоты PCI-Express 3.0 на материнской плате)

Основные характеристики PCI–Express (1.0, 2.0 и 3.0)

Несмотря на то, что названия PCI и PCI-Express очень похожи, принципы соединения (взаимодействия) у них кардинально отличаются. В случае PCI-Express используется линия – двунаправленное последовательное соединение, типа «точка-точка», данных линий может быть несколько. В случае с видеокартами и материнскими платами (не учитываем Cross Fire и SLI), которые поддерживают PCI-Express x16 (то есть большинство), можно запросто догадаться, что таких линий 16 (рис.3), довольно часто на материнских платах с PCI-E 1.0, можно было наблюдать второй слот x8, для работы в режиме SLI или Cross Fire.

Ну, а в PCI, устройство подключается к общей 32- х разрядной параллельной шине.

Рис. 3. Пример слотов с различным количеством линий

(как уже говорилось ранее, наиболее часто используется х16)

Для интерфейса пропускная способность составляет 2,5 Гбит/c. Эти данные нужны нам, чтобы отслеживать изменения этого параметра в различных версиях PCI-E.

Далее, версия 1.0 эволюционировала в PCI-E 2.0 . В результате данного преображения, мы получили в два раза большую пропускную способность, то есть 5 Гбит/c, но хотелось бы отметить, что в производительности графические адаптеры, особо не выиграли, так как это просто версия интерфейса. Большая часть производительности зависит от самой видеокарты, версия интерфейса может только незначительно улучшать или тормозить передачу данных (в данном случае «торможения» нет, и присутствует неплохой запас).

Точно так же в 2010 году, с запасом, был разработан интерфейс PCI-E 3.0 , на данный момент он используется во всех новых системах, но если у Вас все ещё 1.0 или 2.0, то не горюйте – ниже мы поговорим о относительно обратной совместимости различных версий.

В версии PCI-E 3.0, пропускная способность была увеличена в два раза по сравнению с версией 2.0. Также там было произведено немало технических изменений.

К 2015 году ожидается появление на свет PCI-E 4.0 , что для динамической IT-индустрии абсолютно неудивительно.

Ну да ладно, будем заканчивать с этими версиями и цифрами пропускной способности, и затронем очень важный вопрос обратной совместимости различных версий PCI-Express.

Обратная совместимость версий PCI-Express 1.0, 2.0 и 3.0

Данный вопрос волнует многих, особенно при выборе видеокарты для текущей системы. Так как довольствуясь системой с материнской платой, которая поддерживает PCI-Express 1.0, возникают сомнения, будет ли корректно работать видеокарта с PCI-Express 2.0 или 3.0? Да, будет, по крайней мере так обещают разработчики, которые обеспечили эту самую совместимость. Единственное то, что видеокарта, не сможет полностью раскрыться во всей красе, но потери производительности, в большинстве случаев, будут незначительны.

С точностью наоборот, можно преспокойно устанавливать видеокарты с интерфейсом PCI-E 1.0, в материнские платы, которые поддерживают PCI-E 3.0 или 2.0, тут вообще ничего не ограничивается, так что будьте спокойны по поводу совместимости. Если, конечно же, с другими факторами все в порядке, к таковым можно отнести недостаточно мощный блок питания и т.д.

В общем, мы довольно подробно поговорили относительно PCI-Express, что позволит вам избавиться от множества неясностей и сомнений по поводу совместимости и понимания различий в версиях PCI-E.

Весной 1991 года компания Intel завершает разработку первой макетной версии шины PCI. Перед инженерами была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволило бы реализовать возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. Кроме того, было необходимо учесть ошибки, допущенные VESA при проектировании шины VLB (электрическая нагрузка не позволяла подключать более 3 плат расширения), а также реализовать автоматическую настройку устройств.

В 1992 году появляется первая версия шины PCI, Intel объявляет, что стандарт шины будет открытым, и создаёт PCI Special Interest Group. Благодаря этому любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, могла быть 32- или 64-битной, а устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически пропускная способность шины 133 Мбайт/с, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/с.

Основные характеристики:

• частота шины - 33,33 или 66,66 МГц, передача синхронная;
• разрядность шины - 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
• пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц - 133 Мбайт/с;
• адресное пространство памяти - 32 бита (4 байта);
• адресное пространство портов ввода-вывода - 32 бита (4 байта);
• конфигурационное адресное пространство (для одной функции) - 256 байт;
• напряжение - 3,3 или 5 В.

Фото разъемов:

MiniPCI - 124 pin
MiniPCI Express MiniSata/mSATA - 52 pin
Apple MBA SSD, 2012
Apple SSD, 2012
Apple PCIe SSD
MXM, Graphics Card, 230 / 232 pin
MXM2 NGIFF 75 pins KEY A PCIe x2 KEY B PCIe x4 Sata SMBus
MXM3, Graphics Card, 314 pin
PCI 5V
PCI Universal
PCI-X 5v
AGP Universal
AGP 3.3 v
AGP 3.3 v + ADS Power
PCIe x1
PCIe x16
Custom PCIe
ISA 8bit
ISA 16bit
eISA
VESA
NuBus
PDS
PDS
Apple II / GS Expasion slot
PC/ XT / AT expasion bus 8 bit
ISA (industry standard architecture) - 16 bit
eISA
MBA - Micro Bus architecture 16 bit
MBA - Micro Bus architecture с видео 16 bit
MBA - Micro Bus architecture 32 bit
MBA - Micro Bus architecture с видео 32 bit
ISA 16 + VLB (VESA)
Processor Direct Slot PDS
601 Processor Direct Slot PDS
LC Processor Direct Slot PERCH
NuBus
PCI (Peripheral Computer Interconnect) - 5v
PCI 3.3v
CNR (Communications / network Riser)
AMR (Audio / Modem Riser)
ACR (Advanced communication Riser)
PCI-X (Периферийный PCI) 3.3v
PCI-X 5v
PCI 5v + RAID option - ARO
AGP 3.3v
AGP 1.5v
AGP Universal
AGP Pro 1.5v
AGP Pro 1.5v+ADC power
PCIe (peripheral component interconnect express) x1
PCIe x4
PCIe x8
PCIe x16

PCI 2.0

Первая версия базового стандарта, получившая широкое распространение, использовались как карты, так и слоты с сигнальным напряжением только 5 вольт. Пиковая пропускная способность - 133 Мбайт/с.

PCI 2.1 - 3.0

Отличались от версии 2.0 возможностью одновременной работы нескольких шинных задатчиков (англ. bus-master, т. н. конкурентный режим), а также появлением универсальных карт расширения, способных работать как в слотах, использующих напряжение 5 вольт, так и в слотах, использующих 3,3 вольта (с частотой 33 и 66 МГц соответственно). Пиковая пропускная способность для 33 МГц - 133 Мбайт/с, а для 66 МГц - 266 Мбайт/с.

• Версия 2.1 - работа с картами, рассчитанными на напряжение 3,3 вольта, и наличие соответствующих линий питания являлись опциональными.
• Версия 2.2 - сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный ключ разъёма по питанию и способны работать во многих более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах версии 2.1.
• Версия 2.3 - несовместима с картами PCI, рассчитанными на использование 5 вольт, несмотря на продолжающееся использование 32-битных слотов с 5-вольтовым ключом. Карты расширения имеют универсальный разъём, но не способны работать в 5-вольтовых слотах ранних версий (до 2.1 включительно).
• Версия 3.0 - завершает переход на карты PCI 3,3 вольт, карты PCI 5 вольт больше не поддерживаются.

PCI 64

Расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность. Слот PCI 64 является удлинённой версией обычного PCI-слота. Формально совместимость 32-битных карт с 64-битным слотами (при условии наличия общего поддерживаемого сигнального напряжения) полная, а совместимость 64-битной карты с 32-битным слотами является ограниченной (в любом случае произойдёт потеря производительности). Работает на тактовой частоте 33 МГц. Пиковая пропускная способность - 266 Мбайт/с.

• Версия 1 - использует слот PCI 64-бита и напряжение 5 вольт.
• Версия 2 - использует слот PCI 64-бита и напряжение 3,3 вольта.

PCI 66

Версия PCI 66 является работающим на тактовой частоте 66 МГц развитием PCI 64; использует напряжение 3,3 вольта в слоте; карты имеют универсальный, либо форм-фактор на 3,3 В. Пиковая пропускная способность - 533 Мбайт/с.

PCI 64/66

Комбинация PCI 64 и PCI 66 позволяет вчетверо увеличить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI; использует 64-битные 3,3-вольтовые слоты, совместимые только с универсальными, и 3,3-вольтовые 32-битные карты расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют либо универсальный (но имеющий ограниченную совместимость с 32-битными слотами), либо 3,3-вольтовый форм-фактор (последний вариант принципиально не совместим с 32-битными 33-мегагерцовыми слотами популярных стандартов). Пиковая пропускная способность - 533 Мбайт/с.

PCI-X

PCI-X 1.0 - расширение шины PCI64 с добавлением двух новых частот работы, 100 и 133 МГц, а также механизма раздельных транзакций для улучшения производительности при одновременной работе нескольких устройств. Как правило, обратно совместима со всеми 3.3В и универсальными PCI-картами. PCI-X карты обычно выполняются в 64-бит 3,3 В формате и имеют ограниченную обратную совместимость со слотами PCI64/66, а некоторые PCI-X карты - в универсальном формате и способны работать (хотя практической ценности это почти не имеет) в обычном PCI 2.2/2.3. В сложных случаях для того, чтобы быть полностью уверенным в работоспособности комбинации из материнской платы и карты расширения, надо посмотреть таблицы совместимости (compatibility lists) производителей обоих устройств.

PCI-X 2.0

PCI-X 2.0 - дальнейшее расширение возможностей PCI-X 1.0; добавлены частоты 266 и 533 МГц, а также - коррекция ошибок чётности при передаче данных (ECC ). Допускает расщепление на 4 независимых 16-битных шины, что применяется исключительно во встраиваемых и промышленных системах ; сигнальное напряжение снижено до 1,5 В, но сохранена обратная совместимость разъёмов со всеми картами, использующими сигнальное напряжение 3,3 В. В настоящее время для не профессионального сегмента рынка высокопроизводительных компьютеров (мощных рабочих станций и серверов начального уровня), в которых находит применение шина PCI-X, выпускается крайне мало материнских плат с поддержкой шины. Примером материнской платы для такого сегмента является ASUS P5K WS. В профессиональном сегменте применяется в RAID-контроллерах, в SSD-накопителях под PCI-E.

Mini PCI

Форм-фактор PCI 2.2, предназначен для использования, в основном, в ноутбуках.

PCI Express

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X и PXI ) - компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа «точка-точка»), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол , основанный на последовательной передаче данных . Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

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:

• горячая замена карт;
• 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.

• MiniCard (Mini PCIe ) - замена форм-фактора Mini PCI . На разъём Mini Card выведены шины: x1 PCIe, 2.0 и SMBus.
  • M.2 - вторая версия Mini PCIe, до x4 PCIe и SATA.
• ExpressCard - подобен форм-фактору PCMCIA . На разъём ExpressCard выведены шины x1 PCIe и USB 2.0, карты ExpressCard поддерживают горячее подключение.
• AdvancedTCA , MicroTCA - форм-фактор для модульного 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.

Несмотря на то, что стандарт допускает x32 линий на порт, такие решения физически достаточно громоздки и не выпускаются.

PCI Express 2.0

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года . Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность: ПСП одной линии 500 МБ/с, или 5 ГТ/с (Гигатранзакций/с ).
• Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
• Динамическое управление скоростью (для управления скоростью работы связи).
• Оповещение о пропускной способности (для оповещения ПО об изменениях скорости и ширины шины).
• Службы управления доступом - опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
• Управление таймаутом выполнения.
• Сброс на уровне функций - опциональный механизм для сброса функций (англ. PCI functions) внутри устройства (англ. PCI device).
• Переопределение предела по мощности (для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих бо́льшую мощность).

PCI Express 2.0 полностью совместим с PCI Express 1.1 (старые будут работать в системных платах с новыми разъемами, но только на скорости 2,5 ГТ/с, так как старые чипсеты не могут поддерживать удвоенную скорость передачи данных; новые видеоадаптеры будут без проблем работать в старых разъемах стандарта PCI Express 1.х.).

PCI Express 2.1

По физическим характеристикам (скорость, разъём) соответствует 2.0, в программной части добавлены функции, которые в полной мере планируют внедрить в версии 3.0. Так как большинство системных плат продаются с версией 2.0, наличие только видеокарты с 2.1 не даёт задействовать режим 2.1.

PCI Express 3.0

В ноябре 2010 года были утверждены спецификации версии PCI Express 3.0. Интерфейс обладает скоростью передачи данных 8 GT/s (Гигатранзакций/с ). Но, несмотря на это, его реальная пропускная способность всё равно была увеличена вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Этого удалось достигнуть благодаря более агрессивной схеме кодирования 128b/130b, когда 128 бит данных, пересылаемых по шине, кодируются 130 битами. При этом сохранилась полная совместимость с предыдущими версиями PCI Express. Карты PCI Express 1.x и 2.x будут работать в разъёме 3.0 и, наоборот, карта PCI Express 3.0 будет работать в разъёмах 1.х и 2.х.

PCI Express 4.0

PCI Special Interest Group (PCI SIG) заявила, что PCI Express 4.0 может быть стандартизирован до конца 2016 года, однако на середину 2016 года, когда ряд чипов уже готовился к изготовлению, СМИ сообщали, что стандартизация ожидается в начале 2017. Ожидается, что он будет иметь пропускную способность 16 GT/s, то есть будет в два раза быстрее PCIe 3.0.

Оставьте свой комментарий!

WiFi модули и другие подобные устройства. Разработку данной шины начала компания Intel в 2002 году. Сейчас разработку новых версий данной шины занимается некоммерческая организация PCI Special Interest Group.

На данный момент шина PCI Express полностью заменила такие устаревшие шины как AGP, PCI и PCI-X. Шина PCI Express размещается в нижней части материнской платы в горизонтальном положении.

PCI Express это шина, которая была разработана на основе шины PCI. Основные отличия между PCI Express и PCI лежат на физическом уровне. В то время как PCI использует общую шину, в PCI Express используется топология типа звезда. Каждое устройство подключается к общему коммутатору отдельным соединением.

Программная модель PCI Express во многом повторяет модель PCI. Поэтому большинство существующих PCI контроллеров могут быть легко доработаны для использования шины PCI Express.

Слоты PCI Express и PCI на материнской плате

Кроме этого, шина PCI Express поддерживает такие новые возможности как:

• Горячее подключение устройств;
• Гарантированная скорость обмена данными;
• Управление потреблением энергии;
• Контроль целостности передаваемой информации;

Как работает шина PCI Express

Для подключения устройств шина PCI Express использует двунаправленное последовательное соединение. При этом такое соединение может иметь одну (x1) или несколько (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) отдельных линий. Чем больше таких линий используется, тем большую скорость передачи данных может обеспечить шина PCI Express. В зависимости от количества поддерживаемых линий размер сорта на материнской плате будет отличаться. Существуют слоты с одной (x1), четырьмя (x4) и шестнадцатью (x16) линиями.

Наглядная демонстрация размеров слота PCI Express

При этом любое PCI Express устройство может работать в любом слоте, если слот имеет такое же или большее количество линий. Это позволяет установить PCI Express карту с разъемом x1 в слот x16 на материнской плате.

Пропускная способность PCI Express зависит от количества линий и версии шины.

Примеры PCI Express устройств

В первую очередь PCI Express используется для подключения дискретных видеокарт. С момента появления данной шины абсолютно все видеокарты используют именно ее.

Видеокарта GIGABYTE GeForce GTX 770

Однако это далеко не все что умеет шина PCI Express. Ее используют производители других комплектующих.

Звуковая карта SUS Xonar DX

SSD накопитель OCZ Z-Drive R4 Enterprise

Физический уровень интерфейса допускает как электрическую, так и оптическую реализацию. Базовое соединение электрического интерфейса (1x) состоит из двух дифференциальных низковольтных сигнальных пар — передающей (сигналы PETp0, PETn0) и принимающей (PERp0, PERn0). В интерфейсе применена развязка передатчиков и приемников по постоянному току, что обеспечивает совместимость компонентов независимо от технологии изготовления компонентов и снимает некоторые проблемы передачи сигналов. Для передачи используется самосинхронизирующееся кодирование, что позволяет достигать высоких скоростей передачи. Базовая скорость — 2,5 Гбит/с «сырых» данных (после кодирования 8B/10B) в каждую сторону, в перспективе планируются и более высокие скорости. Для масштабирования пропускной способности возможно агрегирование сигнальных линий (lanes, сигнальных пар в электрическом интерфейсе), по одинаковому числу в обоих направлениях. Спецификация рассматривает варианты соединений из 1, 2, 4, 8, 12, 16 и 32 линий (обозначаются как x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32); передаваемые данные между ними распределяются побайтно. В каждой из линий самосинхронизация выплняется независимо, так что явление переноса (бич параллельных интерфейсов) отсутствует. Таким образом достижима скорость до 32×2,5 = 80 Гбит/с, что примерно соответствует пиковой скорости 8 Гбайт/с. Во время аппаратной инициализации в каждом соединении согласуется число линий и скорость передачи; согласование выполняется на низком уровне без какого-либо программного участия. Согласованные параметры соединения действуют на все время последующей работы.

Обеспечение «горячего» подключение на физическом уровне PCI Express не требует каких-либо дополнительных аппаратных затрат, поскольку двухточечное соединение не затрагивает «лишних» участников. Безопасная коммутация сигналов не требуется, возможности подключаемого устройства никак не влияют на режимы работы остальных устройств.

Малое число сигнальных контактов интерфейса дает большую свободу в выборе конструктивных реализаций PCI Express :

• соединение компонентов в пределах платы;
• слоты и карты расширения в конструктивах PC/AT и ATX;
• внутренние и внешние карты расширения мобильных ПК;
• малогабаритные модули ввода/вывода для серверов и коммуникационной аппаратуры;
• модули для промышленных компьютеров;
• разъемное подключение «дочерних» карт (mezannine interface);
• кабельные соединения блоков.

Для карт расширения в конструктивах PC/AT и ATX предусматриваются разные модификации разъема-слота PCI Express, отличающиеся числом пар сигнальных линий (x1, x4, x8, x16) и, соответственно, размером (см. рисунок ниже). При этом в слоты большего размера можно устанавливать карты с разъемом того же размера или меньшего (это называется Up-plugging). Однако противоположный вариант (Downplugging) — большую карту в меньший слот — механически невозможен (в PCI/PCI-X это возможно). Как было показано выше, самый маленький вариант PCI Express обеспечивает пропускную способность на уровне стандартной шины PCI.

Назначение контактов слотов PCI Express приведено в таблице ниже.

Набор сигналов интерфейса PCI Express невелик:

• PETp0, PETn0… PETp15, PETn15 — выходы передатчиков сигнальных пар 0…15;
• PERp0, PERn0… PERp15, PERn15 — входы приемников;
• REFCLK+ и REFCLK — сигналы опорной частоты 100 МГц;
• PERST# — сигнал сброса карты;
• WAKE# — сигнал «пробуждения» (от карты);
• PRSNT1#, PRSNT2# — сигналы обнаружения подключения-отключения карты для системы горячего подключения. На карте эти цепи соединяются между собой, причем для PRSNT2# выбирается контакт с самым большим номером. Это позволяет точнее отслеживать моменты подключения-отключения (в случае наклона карты). Для определения числа линий подключенной карты данные линии не используются — разрядность линий определяется автоматически при установлении соединения (в процедуре тренировки).

Дополнительно на слоте имеются необязательные сигналы шины SMBus (SMB_CLK и SMB_DATA) и интерфейса JTAG (TCLK, TDI, TDO, TMS, TRST#).

Питание на карты подается по следующим шинам:

• +3,3V — основное питание +3 В при токе до 9 А;
• +12V — основное питание +12 В при токе до 0,5/2,1/4,4А для слотов x1/x4, x8/x16 соответственно;
• +3,3Vaux — дополнительное питание, ток до 375 мА в системах, способных к пробуждению по сигналу от карты и до 20 мА в непробуждаемых системах.

Таблица. Разъемы PCI Express

Для мобильных компьютеров PCMCIA ввела конструктив ExpressCard (см. следующий рисунок), для которого на системный разъем выводится два интерфейса: PCI Express (1x) и USB 2.0. Модули ExpressCard компактнее прежних карт PCMCIA (PC Card и CardBus); предлагается две модификации, различающиеся по ширине: ExpressCard/34 (34×75×5 мм) и ExpressCard/54 (54×75×5 мм). Толщина модулей всего 5 мм, но, если требуется, то более длинные модули могут иметь утолщения в части, выходящие за габариты корпуса компьютера (за пределами 75 мм от края разъема). Как и прежние карты PCIMCIA, карты ExpressCard доступны пользователям и поддерживают «горячее» подключение.

Для внутренних карт расширения блокнотных ПК введен конструктив Mini PCI Express (см. рисунок ниже), формат которого происходит от Mini PCI Type IIIA. Благодаря уменьшению числа контактов ширина карты уменьшена до 30 мм, так что на месте одной карты Mini PCI можно разместить пару карт Mini PCI Express. На разъем карты (см. таблицу ниже) кроме PCI Express выведены интерфейсы последовательных шин USB 2.0 (USB_D+ и USB_D-) и SMBus (SMB_CLK и SMB_DATA), питание +3,3 В (750 мА основное и 250 мА дополнительное) и +1,5 В (375 мА). Собственно интерфейс PCI Express (x1) занимает всего 6 контактов (выходы передатчика PETp0 и PETn0, входы приемника PERp0 и PERn0, а также сигналы опорной частоты 100 МГц REFCLK+ и REFCLK-. Сигнал PERST# — сброс карты, сигнал WAKE# — «пробуждение» (от карты). Сигналы LED_Wxxx# служат для управления светодиодными индикаторами состояния.

Таблица. Разъемы Mini PCI Express

С интерфейсом PCI Express удобно компонуются модули ввода/вывода и сетевых интерфейсов для серверов и коммуникационных устройств стоечного исполнения. Такие модули могут быть достаточно компактными (высота 2U не вызывает проблем размещения разъема), при этом производительности интерфейса достаточно даже для таких критичных модулей, как Fibre Channel, Gigabit Ethernet (GbE), 10GbE.

Интерфейс PCI Express принимается и для промышленных компьютеров, для чего имеются спецификации PICMG 3.4 (малогабаритные конструктивы для x1, x2 и x4), а также конструктивы в формате Compact PCI.

Интерфейс PCI Express существует и в кабельном исполнении для кабельных соединений блоков, находящихся на небольшом удалении друг от друга. Так, например, по PCI Express можно подключать док-станции к блокнотным ПК. Возможность вывода интерфейса системного уровня за пределы корпуса компьютера из предшественников PCI Express поддерживала только шина ISA, и то только при низких скоростях обмена (на частотах до 5 МГц). Из новых последовательных интерфейсов системного уровня эта возможность имеется и в InfiniBand. Наличие кабельного варианта высокопроизводительного интерфейса системного уровня может позволить отойти от традиционной компоновки компьютера, при которой в системном блоке концентрируются все компоненты, требующие интенсивного обмена с ядром компьютера.