Шина pci express принцип работы (6 видео)

PCI Express — бывшее название 3GIO (3D Generation Input/Output) — стандарт системной шины, продвигаемый на рынок Arapahoe Working Group (также называемой Arapahoe Special Interest Group (Arapahoe SIG)). Важным фактором, влияющим на продвижение этой архитектуры, является то, что входящие в Arapahoe SIG компании входили также и в PCI SIG и принимали активное участие в разработках шины PCI. Роджер Тайпли (Roger Tipley), президент PCI SIG, заявил, что переход с шины PCI на шину Arapahoe должен произойти так же плавно, как произошел переход с ISA на PCI. Столь самоуверенное заявление должно иметь под собой твердую почву. Давайте рассмотрим шину PCI Express и ее преимущества перед другими технологиями.

PCI Express — симметричная, двунаправленная (bi-directional) шина, которая позволяет передачу данных со скоростью до 2.5 ГБ/с, что почти в 2.5 раза больше, чем пропускная способность шины PCI-X, и более чем в 9 раз быстрее скорости работы шины PCI (мы приняли за «скорость работы PCI» значение 266 МБ/с, как среднее между двумя возможными — 133 МБ/с для 32-битовой 33-мегагерцовой и 512 МБ/с для 64-битовой 66-мегагерцовой).

Технология подключения периферийных устройств использует мост (host bridge) и несколько оконечных точек, позволяющих подключать периферийные устройства с помощью переключателя (switch). Переключатель может быть выполнен как отдельный логический элемент или интегрирован в мост. Переключатель в первую очередь предназначен для того, чтобы направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя мост, то есть, позволяя прямое подключение «точка-точка» (peer-to-peer). Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных.

Огромное отличие этой шины от PCI в том, что она будет иметь изменяемую пропускную способность (scalable bandwidth). Это значит, что каждый производитель, использующий эту спецификацию, сможет наращивать пропускную способность шины или уменьшать ее в зависимости от своих потребностей, добавляя или уменьшая количество линий.

Адресация будет поддерживаться 32- и 64-битная. Каждый пакет данных будет иметь один из трех уровней приоритетов, так что система сможет разделить поток данных от периферийных устройств по приоритетам и обрабатывать данные согласно организованной в результате этого очереди.

Архитектура будет иметь три уровня организации: физический уровень, уровень данных и уровень транзакций. Уровень транзакций будет пересылать запросы на чтение и запись данных от периферийных устройств и назад, а также организовывать пакеты данных для передачи на уровень данных.

Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и Q(uadro)DR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.

Общая структура шины представлена на иллюстрации ниже:

Структура PCI Express состоит из компонентов, обычных для любой шины данных:

Физическое воплощение всего вышеупомянутого — меняется в зависимости от устройства. Первые два пункта, также как у HyperTransport, соответствуют тому, что мы используем с PCI, за тем исключением, что теперь системные прерывания будут передаваться посредством виртуального MSI (Message Signaled Interrupt) вместо аппаратного сигнала по боковой полосе. Поскольку MSI является опцией в PCI 2.2, особых проблем с переходом на него возникнуть не должно. Метод контроля за ошибками также традиционен и представляет собой обычную контрольную пару бит (каждый байт информации передается как 8 бит + 2 контрольных бита = 10 бит).

Пропускная способность и тактовая частота работы шины передачи данных PCI Express может варьироваться: клокинг увеличивается или уменьшается, магистраль, соответственно, расширяется или сужается. Первоначально на физическом уровне будет поддерживаться ширина линий х1, х2, х4, х8, х16 и х32 в одно направление. Интегрированный в системный мост или специальный коммутатор агент PCI Express эффективно распределит поток перед тем, как отправлять его по разным физическим линиям, а впоследствии, аналогичный агент соберет разные потоки данных в один, как это показано на схеме.

На данном этапе PCI SIG не декларирует тактовой частоты работы шины, ограничиваясь словами о пропускной способности в 2.5 ГБ/сек. в одном направлении при использовании 16 битной магистрали (2 по 8 бит) и 40 контактах. Путем несложных математических подсчетов можно получить частоту передачи данных примерно в 2.5 ГГц.

Именно высочайшая тактовая частота соединения должна обеспечить жизнь PCI Express на десять лет вперед. Более того, традиционное соединение PCI для дополнительных устройств будет заменено на PCI Express тогда, когда это будет необходимо. Причем новый слот будет состоять из привычного PCI гнезда (для облегчения перехода) и дополнительного коннектора.

Разработка шины Lightning Data Transfer (LDT) была начата AMD в 1997 году. Несколько позже к компании из Саннивэйл присоединились такие гиганты как API Networks, Apple Computer, Cisco Systems, Nvidia, PMC-Sierra, Sun Microsystems, немного позже Transmeta и Acer Laboratories и, буквально на днях, VIA Technologies, и другие компании, образовав HyperTransport Technology Consortium. Разработка и внедрение протокола HyperTransport должно решить проблемы, связанные со скоростью, ценой, мастштабируемостью, универсальностью соединений в ПК и т.п., суть которых описана выше.

Устройства, поддерживающие протокол HyperTransport (процессоры, наборы логики, контроллеры) соединены по принципу «точка-точка» (peer-to-peer), что теоретически означает, что между собой могут быть соединены любые компоненты системы, причем без применения каких-либо коммутаторов или мостов. Каждое соединение состоит из субсоединения Передачи (Tx) и субсоединения Получения (Rx), работающих асинхронно. Передача данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт (это значение должно быть кратно четырем). Протокол HyperTransport предполагает передачу данных по обоим фронтам сигнала.

Соединение HyperTransport может иметь магистраль шириной 2, 4, 8, 16, 32 или 64 бита в каждом направлении (Tx или Rx). Кроме того, соединения могут работать на разной тактовой частотой (от 200 до 800 МГц) в зависимости от требований к конкретному решению. Таким образом, HyperTransport предоставляет инженерам и разработчикам огромную гибкость: в случае устройств с высокими требованиями к пропускной способности (процессоры) используется пара 32-х битных соединений с частотой в 800 МГц, обеспечивающие 6.4 ГБ/сек для Tx и 6.4 ГБ/сек для Rx соединения (результирующая линейная пропускная способность — 12.8 ГБ/сек), тогда как для сообщения между менее требовательными к скорости передачи данных компонентами (например, внутри какого-либо переносного устройства), можно задействовать четырехбитную (2 по 2 бита) магистраль, работающую на 200 МГц, что даст по 100 МБ/сек для каждого направления.

Следует отметить, что устройства с разными режимами передачи данных смогут работать вместе в режиме менее быстрого. Иными словами, предполагается возможность выбора режима работы компонента. Например, устройство с шиной в 16 бит может быть подключено к устройству с режимами работы от 2 до 8 бит. Это же самое устройство может быть подключено к более быстрому, с магистралью от 32 до 64 бит.

Также необходимо упомянуть, что HyperTransport программно совместим с текущим PCI, иначе говоря, все ПО, разработанное с учетом моделей адресации и инициализации протокола PCI, будет иметь возможность функционировать и на HyperTransport платформе.

В пользу HyperTransport говорит также и относительно небольшое количество выводов, требуемых для высокой скорости передачи данных. Для примера приведем небольшую таблицу:

Содержание

Что такое PCI Express. Нужен ли в компьютере PCIe 4.0.
Что такое PCI Express
Параллельная передача данных
Последовательная передача данных
Особенности стандарта PCI Express, его версии
Применение PCI Express в компьютере. Разъемы PCI Express
Нужно ли апгрейдить компьютер ради PCIe 4.0
📺 Видео

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

Что такое PCI Express.
Нужен ли в компьютере PCIe 4.0.

PCI Express (PCIe, PCI-e) – один из наиболее распространенных протоколов передачи данных. Он используется в современной компьютерной технике для обеспечения взаимодействия различных ее функциональных блоков между собой.

Для самостоятельной сборки или апгрейда компьютера необходимо понимать, что такое PCI Express, какие существуют его версии, чем они отличаются и какие возможности обеспечивают.

Актуальности вопросу придает также то, что недавно компания AMD в своих последних процессорах и видеокартах начала использовать новую версию PCI Express (PCIe 4.0), позиционируя это как важное преимущество над устройствами конкурентов. Действительно ли это так?

Во всем этом мы и попытаемся разобраться.

Видео:Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать

Что такое PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, сокращенно — PCIe или PCI-e) — это компьютерная шина, использующая высокопроизводительный протокол последовательной передачи данных.

Большинству непосвященных это определение наверняка покажется туманным. Чтобы стало понятней, разберем его более подробно.

Компьютерная шина — соединение, служащее для передачи данных между функциональными блоками компьютера.

Протокол – в данном случае значит «схема», «алгоритм», «порядок».

Последовательная передача данных – понятие более сложное, ему придется уделить больше внимания.

Все данные внутри компьютера циркулируют, обрабатываются и хранятся в виде двоичного кода, мельчайшими частичками которого являются биты. Подробнее об этом можно узнать здесь.

Передача данных между функциональными блоками компьютера может осуществляться либо параллельным, либо последовательным способом.

Параллельная передача данных

Параллельный способ подразумевает использование физического соединения из значительного количества проводников. Передача данных осуществляется «порциями», в которых количество битов соответствует количеству проводников в соединении. Каждая такая порция перед передачей как бы «развертывается в пространстве», разделяясь на биты, каждый из которых проходит к принимающему устройству по отдельному проводнику. Таким образом, каждую единицу времени каждый бит двоичного кода передается по отдельному проводу этого соединения, одновременно (параллельно) с другими битами, передающимися по остальным его проводам. Поэтому схема и называется параллельной.

Например, компьютерная шина PATA (IDE), которая в домашних компьютерах не так давно была основным способом подключения жестких дисков, состоит из 40 проводников (на изображении ниже). Из них только 16 используются непосредственно для параллельной передачи данных. За каждую передачу (такт) по такой шине проходит 16 битов информации. Частота шины — 33 МГц, то есть каждую секунду происходит 33 млн. передач. Таким образом, максимальная пропускная способность такого соединения равна 528 млн. битов в секунду (16 х 33 млн.), или, если перевести в мегабайты — 66 Мегабайт / с.

Несмотря на простоту, параллельная передача данных изжила себя и уже почти не используется в компьютерной технике. Главные ее недостатки:

• высокие затраты на создание каналов (нужно много проводников);

• высокая помеховосприимчивость из-за взаимного влияния передаваемых сигналов друг на друга (особенно, на длинные расстояния);

• необходимость обеспечения синхронного прохождения данных одновременно по всех проводниках соединения, из-за чего достижение высокой частоты отправки сигналов (частоты шины) является слишком сложной задачей.

Последовательная передача данных

Влиянию указаных выше негативных факторов в значительно меньшей степени подвержены схемы последовательной передачи данных. Сегодня они являются очень распространенными. Все USB-устройства, современные жесткие диски, SSD, видеокарты, сетевые карты и т.д. взаимодействуют с другим оборудованием с использованием последовательной передачи данных. Способ ее реализации в каждом из этих видов устройств, конечно же, отличается, но принцип везде одинаков.

Для последовательной схемы не нужно много проводников. Передача данных осуществляется через один коммуникационный канал по одному биту за каждую передачу, последовательно, один за одним (что-то на подобие азбуки Морзе).

На первый взгляд, такая схема кажется менее эффективной, чем в случае с параллельной передачей. Но это далеко не так. Высокая скорость здесь достигается за счет огромной частоты передачи данных (несколько миллиардов в секунду). А для устройств, требующих особо высоких скоростей обмена данными, одновременно используется несколько таких каналов (линий). Например, современные игровые видеокарты подключаются к компьютеру через 16 линий PCIe (PCIe x16).

Видео:Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать

Особенности стандарта PCI Express, его версии

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Спецификации первой его версии появились еще в 2002 году. Сейчас развитием PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group, в совет директоров которой входят представители основных разработчиков аппаратного и программного обеспечения (Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA и другие). В своем развитии PCIe прошел несколько этапов и уже развился до версии 5.0.

PCIe является полнодуплексным протоколом, то есть предусматривает использование независимых друг от друга каналов приёма и передачи данных (устройство может одновременно отправлять и получать данные).

Перед отправкой данные кодируются в блоки. Это необходимо для синхронизации передающего и принимающего устройств, а также уменьшения влияния помех.

В версиях PCIe 1.0 и PCIe 2.0 используется схема кодирования 8b/10b. То есть, каждый 8-битный блок кодируется в 10-битный, в котором только 80% передаваемых данных являются полезными. Остальные 20% нужны для обеспечения правильной работы протокола.

В PCIe 3.0 и боле новых ее версиях данные кодируются по более эффективной схеме 128b/130b (каждые 128 бит кодируются в 130-битный блок). Доля полезного содержания в передаваемых данных здесь составляет уже около 98,46%.

Разные версии PCIe отличаются не только способом «упаковки» битов в блоки, но и частотой передачи данных. В PCIe 1.0 она составляет 2,5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), то есть за одну секунду передается 2,5 миллиарда битов. Для лучшего восприятия переведем это в привычные единицы:

2,5*10 9 Бит / с = 312,5‬ Мегабайт / с.

Учитывая, что только 80% из них являются полезными данными, реальная пропускная способность PCIe 1.0 составляет 250 Мегабайт / с.

В PCIe 5.0 частота передачи данных возросла аж до 32 ГТ/с. Переведем это в удобный вид:

32*10 9 Бит / с = 4000‬ Мегабайт / с = 4 Гигабайт / с.

Поскольку полезные данные составляют 98,46%, реальная пропускная способность PCIe 5.0 равна 3,938 Гигабайт / с.

Подробнее об особенностях разных версиях PCIe см. в таблице:

Видео:Системная шина персонального компьютера pci expressСкачать

Применение PCI Express в компьютере. Разъемы PCI Express

Контроллер (управляющее устройство) линий PCIe не так давно встраивался только в чипсет (главную микросхему) материнской платы. Но, начиная с 2009 года, контроллер PCIe добавляется производителями также и непосредственно в центральный процессор. Это уменьшает задержки и позволяет процессору более эффективно взаимодействовать с другими устройствами.

Версии и количество линий PCIe в разных моделях процессоров и чипсетов отличается. Бо́льшая их часть формируется в разъемы, размещаемые на материнской плате. Они позволяют подключать к компютеру разнообразные устройства (видеокарты, звуковые карты, сетевые карты, Wi-Fi-адаптеры и др.).

На материнской плате современного компьютера можно найти разъемы PCIe нескольких видов, отличающихся количеством используемых в них линий PCIe (от х1 до х16 линий). Не зависимо от того, насколько старым является компьютер, и какая версия PCIe в нем используется, эти разъемы всегда выглядят одинаково:

на изображении: верхний разъем — PCIe x4, по средине — PCIe x16, внизу — PCIe x1

Разные версии PCIe являются полностью совместимыми. То есть, если в старый компьютер, где используется версии PCIe 2.0, установить, например, видеокарту с PCIe 4.0, она будет нормально работать. Однако, реальная скорость обмена данными при этом у нее будет ограничена возможностями PCIe 2.0.

И наоборот, в самый новый компьютер с PCIe 4.0 можно без проблем установить старую видеокарту с PCIe 2.0.

Еще одной особенностью PCIe является совместимость разных ее разъемов. В разъем PCIe x16 можно подключить не только видеокарту, но и абсолютно любое другое устройство PCIe, в том числе и с разъемом PCIe x8, PCIe x4 или PCIe x1.

Совместимость разъемов сохраняется также и в обратную сторону. То есть, в разъем PCIe x1 можно установить видеокарту с разъемом PCIe x16. Физически она туда не войдет, но если разрезать заднюю стенку разъема (как на изображении ниже), то все получится.

Это, конечно же, «кустарщина» и без крайней надобности так делать не нужно. Тем более, что видеокарта при таком подключении будет работать в режиме PCIe x1, что весьма негативно скажется на ее быстродействии.

В ноутбуках для установки дополнительных устройств вместо упомянутых выше разъемов используется более компактный вариант — Mini PCIe. Линии PCIe используются также для создания некоторых других разъемов, в чатности, разъемов M.2 (служат для подключения современных запоминающих устройств, а также устройств некоторых других типов).

на изображении — разъем M.2 с запоминающим устройством в нем

Видео:5 лекция "Шины AGP и PCI Express"Скачать

Нужно ли апгрейдить компьютер ради PCIe 4.0

Как уже говорилось выше, последней из официально вышедших версий PCIe является версия 5.0 (опубликованы официальные спецификации, но на практике она не используется). Самой «свежей» версией из используемых по состоянию на конец 2019 года является PCIe 4.0, и, судя по всему, еще долго будет таковой оставаться. Она вышла в 2017 году, однако внедрена в конкретные устройства лишь недавно, в 2019 году. Ее начала использовать компания AMD в процессорах Ryzen архитектуры Zen 2, а также в видеокартаx Radeon серии RX 5700 / 5500.

Несомненно, это значительное достижение AMD, однако, оно пока является лишь заделом на будущее и не дает никаких практических преимуществ перед конкурентами. Компания Intel внедрять PCIe 4.0 в свои процессоры не торопится. Не спешит делать это и компания nVidia, видеокарты которой пока довольствуются PCIe 3.0.

Все дело в том, что на современном этапе развития компьютерной техники возможностей PCIe 3.0 вполне достаточно. Превосходство PCIe 4.0 можно увидеть лишь в синтетических тестах. В практических же сценариях необходимости в настолько высоких скоростях обмена данными пока нет.

Видеокарты с PCIe 4.0 вполне нормально работают и в системах с PCIe 3.0. Более того, даже в компьютерах с PCIe 2.0 они показывают почти такую же производительность в играх и других приложениях, как в компьютерах с PCIe 4.0.

Но продлится это, судя по всему, не долго. Направлением, где в ближайшее время станет реально востребованной PCIe 4.0, являются современные М.2 SSD-накопители, быстродействие которых уже почти «уперлось в потолок » стандарта PCIe 3.0. Затем черед дойдет до видеокарт и другого оборудования.

Так что апгрейдить старый компьютер только ради PCIe 4.0 пока нецелесообразно. Однако при покупке нового компьютера, который планируется к использованию достаточно длительнное время, брать во внимание версию PCIe, поддерживаемую его внутренними устройствами, однозначно нужно.