Как работает шина pci

Итак, переходим к самому интересному. Что же находится на сегодняшний день внутри большинства наших компьютеров? Естественно, шина PCI. Другой вопрос, почему именно эта шина. Попробуем разобраться.

Итак, разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась «с нуля», а не была попыткой установки новых «заплат» на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0). Разработчики Intel отказались от использования шины процессора и ввели еще одну «антресольную» (mezzanine) шину.

Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация. Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка шины процессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу по совершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1), и в этом, пожалуй, вторая половина ответа на вопрос «почему PCI?»

Основные возможности шины следующие.

• Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.
• Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей

• 132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
• 264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
• 264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
• 528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый «linear burst» (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) «одним куском», то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие «Землю» — архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space — «конфигурационное пространство».

Конфигурационное пространство состоит из трех регионов:

• заголовка, независимого от устройства (device-independent header region);
• региона, определяемого типом устройства (header-type region);
• региона, определяемого пользователем (user-defined region).

В заголовке содержится информация о производителе и типе устройства — поле Class Code (сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т.д.) и прочая служебная информация.

Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода/вывода, которые позволяют динамически выделять устройству область системной памяти и адресного пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств производится либо BIOS (при выполнении POST — power-on self test), либо программно. Базовый регистр expansion ROM аналогично позволяет отображать ROM устройства в системную память. Поле CIS (Card Information Structure) pointer используется картами cardbus (PCMCIA R3.0). С Subsystem vendor/Subsystem ID все понятно, а последние 4 байта региона используются для определения прерывания и времени запроса/владения.

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

История PCI — на пути к светлому будущему накопителей

Современная революция систем хранения данных невозможна без развития интерфейсов, с помощью которых диски подключаются к системе. Одним из главных «героев» этого фронта сейчас является шина PCI Express. Скоростные накопители в наше время работают с интерфейсом PCIe Gen2 x4, обеспечивая скорость до 20 Гб/с, но так было далеко не всегда.

Началом современных «шин» в персональных компьютерах стоит считать 1982 год. В недрах IBM был рожден новый компьютер, одной из отличительных особенностей которого была открытость его архитектуры. Компьютер получил название PC, а общался с внешним миром он по совершенно новому интерфейсу, который был назван Industry Standard Architecture или ISA. Данная шина умела работать с 8-битными данными на частоте 4.77 МГц, позже появились 16 и 32 битные варианты, работающие с еще более высокой частотой. Очень простая схема этого интерфейса дала толчок развитию массы внешних плат расширения, и, можно сказать, что именно открытый протокол внешней шины стал одной из главных причин успеха новой на тот момент архитектуры.

Неудивительно, что ISA очень долго сохраняла свою популярность, и даже сейчас, за весьма большие деньги продаются материнские платы с поддержкой этой шины — по ней подключается слишком много незаменимых устройств.

На основании ISA был разработан ряд производных интерфейсов, начиная с PCMCIA и заканчивая ATA (по сути — упрощенное подмножество интерфейса ISA). Разрабатывались ускоренные варианты шины: EISA (32 бита, 8 МГц) и VESA Local Bus (использовалась для подключения видоадаптера).

Со временем, IBM утратили лидирующую роль в разработке PC, поэтому над следующим поколением интерфейсов уже работали инженеры компании Intel. В самом начале 90-х гг… был разработан новый стандарт, получивший название Peripheral Component Interconnect или PCI. В 1992 году свет увидел первый стандарт PCI, тогда же была создана PCI Special Interest Group — организация, занимающаяся разработкой и продвижением данного стандарта. Стандарт был объявлен открытым, поэтому любой желающий мог разрабатывать PCI-устройства без выплаты отчислений.

Первая версия шины поддерживала 32 и 64 бита, работала на частоте 33 мегагерца и в теории обеспечивала скорость до 133 Мб/с (на практике около 80 Мб/с).

Начав свое победное шествие с рынка серверов, новый стандарт не сразу завоевал настольные ПК. Одним из пионеров его использования была компания Apple, отказавшаяся от интерфейса NuBus в своих продуктах 95-96 годах.

Максимальная популярность к новому интерфейсу пришла в 1995 году с появлением версии 2.1 (так же названной «параллельная шина PCI»). Данная ревизия подразумевала работу с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта). Появились реализации PCI для платформ с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.

Кстати, одним из главных нововведений PCI стала возможность автоматического конфигурирования параметров устройства, эту технологию в Intel назвали Plug-n-Play, а благодаря «стабильной» реализации ее программной поддержки в продуктах Microsoft, эта технология стала объектом множества шуток и анекдотов.

Попыткой экстенсивного развития технологии можно считать шину PCI-X, в основном использовавшуюся в серверах. Первая версия данного стандарта работала с частотой 100 и 133 МГц, а также вводила механизм раздельных транзакций для оптимизации работы нескольких карт. Сейчас иногда используется шина PCI-X 2.0, обеспечивающая работу на частотах в 266 и 533 МГц.

В 2004 году свет увидел новый стандарт, в котором были учтены все проблемы PCI. Новая шина получила название PCI Express или просто PCIe (главное — не путать ее с PCI-X). Новая технология предложила массу интересных решений.

— для передаваемых данных осуществляется контроль целостности
— QoS обеспечивает для подключенных устройств гарантированную полосу пропускания
— есть управление питанием подключенных устройств и возможность их горячей замены

Главное же отличие состоит в том, что PCIe использует не «шинную» топологию а «звезду», то есть каждое устройство связанно с коммутатором отдельной линией.

Пропускная способность односвязной PCIe первой версии составляла 4 Гбит/с в обе стороны. Максимальная скорость в стандарте PCIe 4 версии (находится в разработке и планируется к выходу в 2015 году) достигает 1024 Гбит/с. Как видите, по этому параметру PCIe обладает хорошим запасом, хотя расслабляться не приходится, конкуренты не дремлют.

Недавно Джереми Вернер (Jeremy Werner), один из старших директоров подразделения флэш-технологий (SandForce) в LSI дал очень интересное интервью, касающееся PCIe и SSD. В полном виде вы можете ознакомиться с ним на английском, я же вкратце перескажу одну мысль, которая мне показалась особенно интересной:

Максимальная скорость современного интерфейса SATA составляет 6 Гбит/с, при этом SATA является полудуплексным, то есть не умеет одновременно передавать и принимать данные. Не так редко встречающийся PCIe 2 поколения с 4 линиями передачи данных обеспечивает скорость до 20 ГБит/с в полнодуплексном режиме. Фактически, PCIe получается где-то в 7 раз быстрее. Но традиционные жесткие диски просто не нуждаются в таких скоростях передачи данных. Только SSD сейчас могут обеспечивать скорость, достаточную для полноценного использования высокоскоростных интерфейсов.

Сочетание интерфейсов типа M.2 и высокоскоростных флэш-накопителей, похоже, приближает будущее, в котором дисковая подсистема перестанет быть самым узким местом в ПК. Ярким примером могут послужить компьютеры Apple — компания как игрок премиум сегмента может себе позволить эксперименты с новыми решениями, и они оказываются очень удачны с точки зрения производительности. Но в силу дешевизны, традиционные жесткие диски и SATA-интерфейс еще не думают сдаваться так просто, поэтому тотального наступления светлого будущего придется немного подождать.

Видео:Шина PCIСкачать

Технология PCI Express «в разрезе»: что, зачем и почему

Любая компьютерная технология проходит свой путь от рождения, триумфа к свалке истории. Все бы ничего, да каждое очередное нововведение, как правило, чревато серьезным перетряхиванием системных блоков и неопределенностью в умах пользователей – пора или еще подождать с апгрейдом? Тем более огромными кажутся все новшества, которые свалятся на головы покупателей в нынешнем году. Такого всестороннего разрушительного действия на основы платформы не было уже давно — сменятся процессорные разъемы (у Intel настанет время Socket 775, у AMD, соответственно, Socket 939); к концу года действительно новой будет называться система лишь с 240-контактными модулями DDR2; вдогонку ко всему этому близится появление новых форм-факторов самих плат – BTX. Но самым радикальным все же станет низвержение старых привычных элементов ландшафта системной платы – разъемов PCI и AGP, которым приходит время сказать последнее «прости-прощай».

Новое поколение технологий приносит новые скорости и новые технологические решения. Правда, на деле случалось не раз, что революционные нововведения оказывались не всегда своевременными и не такими уж полезными, как красиво заявлялось при их выпуске. Традиционно, отдуваться за эксперименты приходится конечному покупателю. Примеров самых передовых, но неоцененных или невостребованных технологий можно привести множество – шина EISA, память RDRAM, слоты AMR/CNR и многое другое.

Не касаясь тупиковых ветвей эволюции ПК, сегодня стоит поговорить о своевременности внедрения новых технологий на примере шины PCI Express. Сегодня можно с уверенностью сказать, что от перехода на этот шинный стандарт никуда не деться. Попробуем рассмотреть ключевые особенности новоявленной шины, ее сходства и отличия от распространенных сейчас PCI и AGP.

Прежде всего, не стоит рассматривать PCI Express как банального наследника традиций PCI. Консорциум разработчиков нового интерфейса, ранее носившего название 3GIO, ставил перед собой цель разработать новую высокоскоростную шину с максимальной масштабируемостью, простой разводкой, низким уровнем паразитных излучений и электромагнитных помех. Это лишь краткий перечень требований к новому интерфейсу, некоторые особенности его реализации в конкретных условиях, как, например, поддержка «горячего» подключения, требуются лишь в определенных специфических приложениях. Сначала —

Немного истории

Первые разработки шины PCI, стартовавшие в начале 90-х годов, были призваны избавиться от множества присутствовавших на тот момент несовместимых шинных интерфейсов – VLB (VESA Local Bus), EISA, ISA и Micro Channel. Наряду с этим преследовалась цель избавиться от тяжкого наследия фрагментированной шины ISA и впервые добиться соединений класса «чип-чип».

На момент появления в 1993 году базовой версии шины Peripheral Component Interconnect (PCI) — IEEE P1386.1, предусматривались революционные усовершенствования: расширение шины данных до 32 бит, поддержка адресации до 4 ГБ данных (32 бита), а также использование режима синхронного обмена данными. По тем временам тактовая частота шины 33 МГц удовлетворяла условиям работы с периферией в настольных и серверных системах, все были довольны. Последовавший за этим резкий скачок тактовых частот процессоров и памяти привел к увеличению тактовой частоты PCI до 66 МГц, хотя, тактовые частоты процессоров за этот же период скакнули с 33 МГц до 3,0+ ГГц. Все последующие варианты PCI – AGP, PCI-X, MiniPCI, CardBus, несмотря на привнесение определенных дополнений, например, иных форм-факторов разъемов, новых сигнальных уровней и даже передачи данных по фронтам импульса (Double Data Rate/ Quadruple Data Rate), тем не менее, несли в себе ограничения, накладываемые самой топологией интерфейса.

Возможности наращивания пропускной способности шины PCI за счет увеличения тактовой частоты без усложнения схем разводки и соответствующего адекватного удорожания к настоящему времени исчерпаны полностью. А ведь на очереди появились такие актуальные интерфейсы, как 1/10 Gigabit Ethernet, IEEE 1394B, которые полностью выбирают пропускную возможность шины одним устройством и даже выходят за эти рамки. PCI душит рост скорости периферии, критичными становятся ограничения по числу сигнальных контактов шины, торможение процессов реального времени и требования по энергосбережению современных ПК. Если вспомнить наиболее производительные версии шины PCI, например, серверную PCI-X и графическую AGP, то в этом случае мы упираемся в укорачивание проводников шины за счет высокой частоты, требование к установке своего контроллера на каждый слот и достаточно высокую стоимость ее реализации.

Грядет тотальное торжество последовательных шин

Итого, параллельные шины себя исчерпали, рано или поздно взоры разработчиков должны были обратиться в сторону последовательных. Так оно и есть, в результате чего практически все современные индустриальные интерфейсы к настоящему времени перебрались на такой принцип обмена данными. Взгляните на приведенную ниже таблицу: речь идет не только о сетевых интерфейсах, которым на роду написано быть последовательными; все остальные ключевые шины уже имеют последовательную природу.

Между прочим, внешние интерфейсы уже давно перебрались на последовательную топологию, и в самых своих свежих реализациях – USB 2.0, IEEE1394b, показывают скорости, которые немыслимы для параллельных соединений. С этой точки зрения шина PCI в наших компьютерах действительно, выглядит своеобразным анахронизмом.

Особенности PCI Express

Основой нового интерфейса, как известно, в общем случае будут являться дифференциальные сигнальные пары контактов, совершающие обмен данными по схеме «точка-точка». Благодаря новой топологии мы сразу получаем массу положительных моментов: удешевление конструкции, снижение габаритов, более простая разводка печатных дорожек с упрощенными требованиями к борьбе с паразитными излучениями, и, главное, возможность работы на гораздо более высоких частотах, с поддержкой «горячей» замены периферийных устройств. Уходит в прошлое такой важный для параллельного интерфейса параметр, как нужда в синхронизации сигнальных линий всей шины.

Архитектуру PCI Express можно рассматривать послойно, в сравнении с адресной моделью PCI. Конфигурация PCI Express является стандартной для устройств, определенных plug-and-play спецификациями PCI: программный уровень генерирует запросы чтения/записи, уровень транзакций транспортирует эти запросы к периферийным устройствам с помощью разделенного пакетного протокола. Для поддержания высокой производительности шины соединительный (link) уровень добавляет пакетам очередность и CRC; базовый физический уровень состоит из двойного симплексного канала, осуществляющего функции приемной и передающей пары. Таким образом, исходная скорость 2,5 Гб/с в каждом направлении позволяет говорить о создании дуплексного коммуникационного канала производительностью до 200 МБ/с, что в четыре раза превышает возможности классической шины PCI.

Рассматривая процессы, протекающие в шине на сигнальном уровне, нельзя не отметить уникальные плюсы PCI Express — значительное снижение затухания в линиях передачи и повышенная чувствительность приемной части интерфейса. Из чего напрашивается вывод о менее критичных требованиях к импедансу входных цепей, а также возможность увеличения длины разводки проводников шины — в нынешней версии стандарта PCI-E они лимитируются 12 дюймами для системных плат, 3,5 дюймами для контроллеров и 15 дюймами для межчиповых соединений. При этом не предъявляется никаких дополнительных требований к технологии разводки печатной платы: могут использоваться как обычные 4-слойные PCB толщиной 0,062 дюйма, так и варианты с шестью и более слоями.

Теоретически, требования, выдвигаемые стандартом PCI Express, с легкостью могут быть адаптированы для нужд устройств любого уровня – от мобильного телефона до сервера уровня предприятия, а также, в перспективе, могут быть переложены для применения других физических типов носителей. Именно такая гибкость и необходима для интерфейса, собирающегося прослужить стандартом ближайшее обозримое будущее.

Использование новых разъемов и других конструктивных возможностей, оговоренных спецификациями нового стандарта, позволяет говорить об увеличении энергопотребления конечных контроллеров до 75 Вт (при токе до 5,5 А)!

Такие мощные контроллеры потребуют дополнительных мер по отводу тепла из корпуса, зато отпадет нужда в подводке разъемов дополнительного питания, которые так характерны для нынешнего поколения видеокарт AGP 8x.

Системы питания компьютеров с поддержкой разных вариантов PCI Express отличаются от привычных нам спецификаций ATX12 и, скорее, схожи с требованиями, предъявляемыми к питанию серверных систем. Так, привычный 20-контактный разъем питания ATX удлиняется и в нем появляются четыре дополнительных контакта, как раз для усиления силовых шин +12 В, 5,0 В и +3,3 В. Соответственно, до 75 Вт повышаются ограничения на питание одного слота в BIOS. При этом нижняя граница мощности для блоков питания устанавливается на уровне примерно 300 Вт. Словом, хотя изменения в цепях питания и не носят такой радикальный характер, как при переходе с AT на ATX, с мыслью о неминуемом апгрейде БП придется свыкнуться.

Варианты PCI Express: их будет много

Версии PCI Express будут внедряться в зависимости от ставящихся перед интерфейсом задач и типом устройства. Например, серверы, где востребована максимальная пропускная способность, будут оборудованы максимальным количеством слотов PCI Express с максимальными показателям. В то же время, для нужд ноутбуков в большинстве случаев будет достаточно архитектуры PCI Express x1. Для настольных ПК и рабочих станций понадобится комбинация из различных вариантов реализации шины.

Совершенно новые требования выдвигаются к механическим показателям PCI Express. Для того, чтобы периферийные платы не имели возможности вывалиться из слота при вибрации или транспортировке, разработаны повышенные требования к защелкам и крепежу разъемов PCI Express.

Несмотря на то, что новый стандарт дает некую свободу конечным производителям при разработке крепежа, жестко оговоренными остаются следующие требования: энергопотребление – не более 75 Вт, вес – не более 350 граммов, высота – не более 115,15 мм.

Конечно, под такими монстрами прозрачно подразумеваются графические карты с интерфейсом PCI Express 16x; во всех других случаях требования к крепежу и другим характеристикам контроллеров значительно скромнее.

Особняком стоит реализация PCI Express для мобильных устройств в виде стандарта ExpressCard. Первыми поддержку модулей этого подстандарта получат ноутбуки и миниатюрные настольные ПК, хотя, уже известны случаи представления концепций серверных плат с разъемом ExpressCard. основное преимущество применения таких модулей — подключение периферии практически без нужды использования крепежного инструмента, а также инсталляции дополнительных драйверов. Технология ExpressCard заменит собой все устаревшие параллельные шины, в результате останутся только три современных интерфейса — PCI Express, USB 2.0 и FireWire.

В настоящее время разработано два форм-фактора модулей ExpressCard – ExpressCard/34 (ширина 34 мм) и ExpressCard/54 (ширина 54). Оба модуля имеют высоту 5 мм, как у стандарта PC Card Type II; длина модулей 75 мм, что на 10,6 мм меньше, чем у PC Card. При этом, модули ExpressCard/34 и ExpressCard/54 обладают одинаковым интерфейсом. Каждый слот под модули ExpressCard может обслуживать шину PCI Express x1.

Преимущества PCI Express

Сравнивая возможности господствовавшей многие годы параллельной шины PCI и архитектуру PCI Express, можно выделить пять наиболее значимых преимуществ последней:

• Высокая производительность – повышение пропускной способности версии x1 как минимум вдвое по сравнению с PCI, возможность линейного наращивания производительности путем линейного расширения шины. Помимо этого, PCI Express является реально дуплексной шиной.

• Упрощение разводки периферии – стандартизация там, где ранее использовались всевозможные варианты PCI — AGP, PCI-X и др.; снижение комплексных затрат на разработку и внедрение систем.

• Уровневая архитектура – основные затраты на развитие PCI Express в дальнейшем ложатся лишь на разработку соответствующей обвязки, можно экономить на возможности работы с прежним программным обеспечением.

📹 Видео

Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать

Линии PCIe - сколько их реально нужно и чем линии CPU отличаются от линий MB?Скачать

Системная шина персонального компьютера PCIСкачать

5 лекция "Шины AGP и PCI Express"Скачать

03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Что такое PCIe? Все виды скоростного интерфейса подключения PCIe 1.0-6.0 (x1 x4 x8 x18 x32)Скачать

Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

Системная шина персонального компьютера pci expressСкачать

Компьютерная шина PCI ExpressСкачать

Каким видеокартам нужна высокая скорость PCI-e x8 x16 Gen. 4, 3 и 2Скачать

Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать

PCI и PCI-Express что можно подключитьСкачать

О шине PCI фирмы Intel BСкачать

PCI Express 4.0 vs 3.0 Важно знать при выборе процессора и материнской платыСкачать

Распределение линий PCI-Express в компьютереСкачать

Athlon 200 GE + - . что делать если шина pci-e 3.0 x16 работает pci-e 3.0 x4Скачать

Почему видеокарта, например, вместо PCIe x16 3.0 работает на PCIe x16 1.1Скачать

Другие устройства в диспетчере устройств как убрать Windows 11.Неизвестное устройство.PCI-контроллерСкачать