PCI – это компьютерная параллельная шина ввода-вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера. PCI используется для подключения: видеокарт, звуковых карт, сетевых карт, TV-тюнеров и других устройств.
Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант шину AGP. Несмотря на похожие наименования, шины PCI и PCI Express имеют мало общего.
Протокол параллельной передачи данных, используемый в PCI, накладывает ограничения на ширину полосы пропускания и частоту работы шины; последовательная передача данных. Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную способность 133 или 266 Мб/сек, но эта пропускная способность делится между всеми устройствами PCI. В связи с чем шина PCI являлась «бутылочным горлышком» т.е. замедляла работу компьютера.
Функциональная схема работы современного компьютера с контроллером памяти в чипсете:
Источник: Учебник организация ЭВМ и систем. С.А. Орлов и Б.Я. Цилькер.
Решение проблемы:
В далеких 2000-х, состоялся переход с устаревающего стандарта PCI на PCI Express. У последнего появилось 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.
Организация системной шины на базе стандартов PCI-E>:
Источник: Учебник Шины PCI, PCI Express. Архитектура, дизайн, принципы функционирования, Автор Петров С.В.
PCI Express или PCIe или PCI-E (также известна 3GIO) – это компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI, а также высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. PCI Express предназначен для замены PCI и AGP и доступен в нескольких различных форматах: x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32. Впервые спецификация PCI-E появилась в июле 2002 года. Слоты PCI-E на сегодняшний день являются стандартными и расположены на большинстве современных компьютерах.
Частота, на которой работает шина PCI Express — 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 250 Мб/сек для каждого устройства PCI Express x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCI Express является двунаправленной шиной.
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.
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.
Источник: Учебник Шины PCI, PCI Express. Архитектура, дизайн, принципы функционирования, Автор Петров С.В.
Видео:Есть ли жизнь на PCI-X? HD3850 PCIe в переходнике на шину PCI.Скачать
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.
Wifi адаптер PCI-E X1:
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.
SSD накопитель PCI-E X4:
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.
Читайте также: Сравнение шин зимних кто лучше
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.
Источник: Шины PCI, USB и FireWire. Энциклопедия. Михаил Гук
Видео:Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)
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
Радости экспериментов с ISA и PCI
С момента появления домашних компьютеров существует возможность расширять их функционал путём установки большего количества RAM, более ёмких накопителей, дополнительных комплектующих. Но только с появлением IBM PC привычной стала идея о полностью открытой модульной компьютерной системе. А именно, концепция карт расширения позволила пользователям компьютеров не зависеть от конфигураций систем, предлагаемых производителями. Подобные конфигурации можно было, в ограниченных пределах, расширять комплектующими, рассчитанными исключительно на эти системы. Благодаря универсальным картам расширения появились целые отрасли промышленности, они стали и причиной возникновения большого рынка любительских устройств, которые можно было подключать к компьютерам.
В первом IBM PC было пять 8-битных слотов расширения, подключённых прямо к процессору 8088. Компьютер IBM PC/AT был основан на процессоре 80286, в результате слоты стали 16-битными. С помощью слотов расширения к компьютеру можно было подключать практически всё что угодно: графические и сетевые карты, дополнительную память, какие-то особые платы. Хотя для этих слотов расширения и не существовало официального наименования, во времена PC/AT их называли, соответственно, PC-шинами и AT-шинами. А название Industry Standard Architecture (ISA) — это ретроним, который придумали создатели клонов PC.
Такая открытость ISA означала то, что можно было достаточно легко и дёшево создавать собственные ISA-карты. То же касалось и шины PCI, которая появилась после ISA и была такой же открытой. В результате до сих пор существует полная жизни экосистема, в которой есть место и любительским звуковым картам, рассчитанным на слоты PCI или ISA, и картам расширения, позволяющим оснастить IBM PC 1981-го года поддержкой USB, и много чему ещё.
С чего начать тому, кто в наши дни хочет заняться работой с ISA- и PCI-картами?
Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать
![03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/mjiJutISb6U/0.jpg)
Цена простоты
Сверху вниз: 8-битная XT-карта, 16-битная AT/ISA карта, 32-битная EISA-карта
О шине ISA, и о появившихся до неё шинах PC/AT, нужно знать одну важную вещь. Это — не особенно универсальные шины, так как они используются для работы с устройствами, подключёнными к шинам адреса и памяти процессоров 8088 и 80286. Это значит, что, например, тактовая частота шины равняется тактовой частоте соответствующего процессора. А именно, для PC-шины это — 4,77 МГц, а для PC/AT-шины — это 6-8 МГц. Хотя 8-битные карты обычно можно использовать в 16-битных слотах, нет гарантии того, что такие карты, подключённые к этим слотам, будут нормально работать.
По мере того, как разработчики клонов PC использовали в своих моделях компьютеров всё более быстрые процессоры, частота шины AT, в итоге, пришла к значениям, находящимся где-то между 10 и 16 МГц. Это, понятно, привело к тому, что многие существующие AT-карты (ISA) работали в подобных системах неправильно. Через некоторое время большинство производителей оборудования сделало так, чтобы частота шины не была бы напрямую связана с частотой процессора. Но несмотря на то, что в названии шины ISA есть намёк на нечто стандартизированное, настоящего стандарта этой шины не существовало.
Правда, была попытка стандартизировать замену ISA, получившую название Extended ISA (EISA). Эта 32-битная шина, работавшая на частоте 8,33 МГц, была создана в 1988 году. Хотя на рынке домашних компьютеров она и не «взлетела», некоторым вниманием она пользовалась среди пользователей серверного оборудования, особенно — как более дешёвая альтернатива собственной шине IBM Micro Channel architecture (MCA). Компания IBM задумывала эту шину в качестве замены ISA.
В итоге же шина ISA дожила до наших дней, сохранившись, в основном, в промышленном оборудовании и во встраиваемых системах (например, в виде шины LPC), в то время как в других сферах был сначала осуществлён переход на PCI, а позже — на PCIe. А вот интерфейсы для подключения видеокарт к компьютерам шли своим путём. Речь идёт о шинах VESA Local Bus (VLB) и Accelerated Graphics Port (AGP), которые представляют собой специализированные интерфейсы, нацеленные на нужды GPU.
Видео:Что такое PCIe? Все виды скоростного интерфейса подключения PCIe 1.0-6.0 (x1 x4 x8 x18 x32)Скачать
Начало работы с новыми старыми технологиями
Естественным результатом этой бурной истории, в той её части, которая касается ISA, стало то, что тому, кто решил создать новую «карту расширения ISA», следует действовать с осторожностью. Для того чтобы подобное изделие отличалось бы по-настоящему широкой совместимостью, можно разработать 8-битную карту, которая может работать на шинах с частотами, находящимися в диапазоне от 4,77 до 20 МГц. А на разработку 16-битных карт стоит обратить внимание тем, кому не нужно поддерживать компьютеры, основанные на процессоре 8088. При разработке PC/104-карт вообще не должно быть никаких проблем с совместимостью, так как эта шина до крайности близка к наиболее стандартному варианту ISA.
При разработке устройств для ISA и PCI физический интерфейс тоже особых проблем не доставляет, так как и в том и в другом случаях используются контакты, расположенные на ребре платы. Именно такой вариант расположения контактов на платах, актуальный до наших дней, был выбран, преимущественно, из-за его дешевизны и надёжности. На плате расширения нет какого-то физического коннектора. Там, на краю, находятся лишь контактные площадки, которые позволяют подключить плату к слоту. При проектировании подобных плат, правда, надо обращать внимание на их толщину, так как от неё зависит надёжность контакта. Обычно хорошо показывает себя толщина платы в 1,6 мм.
Если кто-то хочет самостоятельно создать ISA или PCI-плату — в интернете можно найти параметры контактов для таких плат. Например — этот отличный обзор. Тут, в частности, есть сведения о расстоянии между контактными площадками, о форме платы в том месте, где находятся контакты, о размерах контактных площадок и о других параметрах плат и контактов.
При проектировании электрических цепей плат стоит знать о том, что ISA использует напряжение в 5 В, а PCI может использовать 5 В, 3,3 В, или и то и другое. В случае с PCI платы различают, используя выступы в PCI-слотах и выемки на картах (ключи). Так, если в слоте имеется один выступ, расположенный на расстоянии 56,21 мм от той его стороны, на котором находятся разъёмы подключаемой к нему карты, то это будет слот, рассчитанный на карты, поддерживающие напряжение 3,3 В. Выступ, расположенный на расстоянии 104,77 мм от края слота, указывает на слот для 5 В-карт. На краях карт есть соответствующие выемки. Если карта поддерживает и 5, и 3,3 В — то на ней будет две выемки (это — так называемые универсальные карты).
Ключи на PCI-картах и разъёмах
Существуют 32-битные и 64-битные варианты PCI. Причём, всеобщий интерес на рынке домашних компьютеров вызвал именно первый вариант шины. Если говорить о развитии PCI, то можно отметить интерфейс PCI-X. Эта шина, в 64-битном варианте, в основном, применялась в серверных системах. В PCI-X удвоена максимальная частота шины (с 66 до 133 МГц) и убрана поддержка 5 В. Поэтому PCI-X-карты часто работают при их установке в слоты PCI, рассчитанные на 3,3 В (то же самое справедливо и для PCI-карт, устанавливаемых в слоты PCI-X). 64-битная карта, и PCI, и PCI-X, может перейти в 32-битный режим в том случае, если она установлена в более короткий, 32-битный слот.
Видео:Каким видеокартам нужна высокая скорость PCI-e x8 x16 Gen. 4, 3 и 2Скачать
Работа с шинами
Каждое устройство, подключённое к шине, увеличивает нагрузку на неё. Кроме того, если речь идёт о шинах с общими линиями связи, важно, чтобы отдельные устройства могли бы отключаться от этих линий в то время, когда они эти линии не используют. Обычно для реализации такой схемы работы используется буферный элемент с тремя состояниями. Например — такой, как распространённый 74LS244.
74LS244 может не только обеспечивать изоляцию, что умеют и стандартные цифровые буферы. Этот элемент может переключаться в высокоимпедансное состояние (Hi-Z), что равносильно отключению устройства.
В случае с ISA-картами нам, для организации правильного взаимодействия с шиной, нужно нечто вроде 74LS244 или его двунаправленного варианта 74LS245. У каждой сигнальной линии должен быть буфер или «защёлка». Подробнее об этом можно почитать здесь. А тут описан хороший пример современной ISA-карты, называемой Snark Barker и представляющей собой клон SoundBlaster.
PCI-карты, по идее, тоже можно создавать, используя подобный подход, но обычно в коммерческих PCI-картах используют специализированные интегральные схемы для ускорения ввода-вывода, которые предоставляют компонентам карт простой интерфейс, похожий на ISA. Подобные решения в наши дни, правда, нельзя назвать дешёвыми (если только не рисковать, связываясь с чем-то вроде WCH CH365). Поэтому хорошей альтернативой подобным решениям является реализация PCI-контроллера на базе FPGA. MCA-версия вышеупомянутой карты Snark Barker использует для взаимодействия с шиной MCA CPLD. На сайтах вроде OpenCores имеются проекты, ориентированные на PCI, которые можно использовать в качестве отправной точки для собственных разработок.
Видео:Линии PCIe - сколько их реально нужно и чем линии CPU отличаются от линий MB?Скачать
Обмен данными с шинами ISA и PCI
После создания новенькой платы с золотыми контактами, и после того, как на ней распаяны буферные элементы или FPGA, нужно ещё и иметь возможность обмениваться данными с шиной ISA или PCI, пользуясь соответствующим протоколом. К счастью, существует множество материалов по ISA, например — этот. А вот протокол PCI, вроде протокола PCIe, это — «коммерческая тайна». В результате соответствующие данные можно официально (и небесплатно) достать лишь на сайте PCI-SIG. Правда, спецификации, всё же, «утекли» в общий доступ.
Конечно, можно использовать существующие ISA- или PCI-проекты в качестве шаблона или руководства для собственных проектов. Вышеупомянутые проекты CPLD/FPGA предлагают нам механизм, позволяющий избежать необходимости в самостоятельной реализации протоколов, а значит — помогают сразу добраться до самого интересного. Создателю платы, в любом случае, придётся использовать систему прерываний (IRQ) для соответствующей шины (выделенные сигнальные линии, основанные, в последних версиях PCI, на сообщениях), а так же учитывать возможность использования DMA (DRQn и DACKn в ISA). Рассказ о тонкостях шин ISA и PCI займёт целую статью. Правда, тем, у кого были ISA-карты с переключателями, или (что хуже), с ISA PnP (Plug’n’Pray), многое из этого должно быть уже знакомо.
Как и в случае с любой другой общей шиной, схема взаимодействия с шиной при записи или чтении данных предусматривает запрос доступа к шине у «хозяина шины» или, в случае с шиной PCI с несколькими «хозяевами», использование процедуры арбитража. К карте расширения, кроме того, можно обращаться напрямую (вот материал об этом, в котором речь идёт об ISA). В Linux это подразумевает использование программ ядра ( sys/io.h ). Сначала получают соответствующие разрешения, а потом уже можно отправлять данные в конкретный IO-порт, соответствующий карте. В целом это выглядит так:
В случае с ISA адрес IO-порта задаётся в самой плате, а для распознавания адреса используется декодер, находящийся на линиях адресного сигнала. Часто на платах для выбора адреса, а так же — линий IRQ и DMA использовались переключатели или перемычки. Технология ISA PnP была призвана улучшить этот процесс, но по факту принесла больше вреда, чем пользы. В случае с PCI технология PnP является частью стандарта. Шина PCI осуществляет поиск устройств при загрузке, а встроенная ROM (BIOS) запрашивает у карт сведения об их нуждах, после чего адреса и другие параметры задаются автоматически.
Видео:Системная шина персонального компьютера PCIСкачать
Итоги
Конечно, если говорить о разработке собственных ISA- или PCI-плат, то тут были рассмотрены лишь самые основы этого дела. Но, надеюсь, мой материал позволил вам хотя бы увидеть общую картину происходящего. Многое из того, что нужно конкретному разработчику карт расширения, зависит от того, какую именно карту он хочет создать, от того является ли она простой 8-битной картой ISA (PC/XT), или 64-битной картой PCI-X.
Правда, шины ISA и PCI хороши тем, что они доступны даже любителям. Скорости этих шин, если нужно отлаживать или анализировать платы, вполне укладываются в возможности любительского аппаратного обеспечения и соответствующих осциллографов. Использование достаточно медленных параллельных шин данных означает, что дифференциальные сигналы тут не применяются, а это облегчает трассировку плат.
Хотя те старые шины, о которых мы говорили, не являются игроками той же лиги, что и шина PCIe, их возможности и их широкая доступность означают, что они могут дать старым компьютерам второй шанс. Даже если речь идёт о чём-то очень простом, вроде накопителя, основанного на флэш-памяти, предназначенного для первого IBM PC.
Занимались ли вы разработкой собственных ISA- или PCI-карт?
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
🔍 Видео
Почему видеокарты стали такими плохими? Куда дели шину? Что вместо нее и Тест 4060, 4060Ti, 7600Скачать
PCI Express 4.0 vs 3.0 Важно знать при выборе процессора и материнской платыСкачать
Что будет, если подключить мощную видеокарту в слот PCI-express x1 версии 1.1?Скачать
Распределение линий PCI-Express в компьютереСкачать
Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать
Не работает PCI-e на Gigabyte b560 hd3Скачать
Системная шина персонального компьютера pci expressСкачать
PCI и PCI-Express что можно подключитьСкачать
5 лекция "Шины AGP и PCI Express"Скачать
Шина PCIСкачать
Райзер для видеокарт с неисправной шиной PCI-E (первая дифференциальная пара)Скачать
Компьютерная шина PCI ExpressСкачать
