Технология шины pci express

В этой статье мы расскажем о причинах успеха шины PCI и дадим описание высокопроизводительной технологии, которая приходит ей на смену – шины PCI Express. Также мы рассмотрим историю развития, аппаратные и программные уровни шины PCI Express, особенности её реализации и перечислим ее преимущества.

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

История шины PCI и ее проблемы

Когда в начале 1990-x гг. она появилась, то по своим техническим характеристикам значительно превосходила все существовавшие до того момента шины, такие, как ISA, EISA, MCA и VL-bus. В то время шина PCI(Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов), работавшая на частоте 33 Мгц, хорошо подходила для большинства периферийных устройств. Но сегодня ситуация во многом изменилась. Прежде всего, значительно возросли тактовые частоты процессора и памяти. Например, тактовая частота процессоров увеличились с 33 МГц до нескольких ГГц, в то время как рабочая частота PCI увеличилась всего до 66 МГц. Появление таких технологий, как Gigabit Ethernet и IEEE 1394B грозило тем, что вся пропускная способность шины PCI может уйти на обслуживание одного-единственного устройства на основе данных технологий.

При этом архитектура PCI имеет ряд преимуществ по сравнению с предшественниками, поэтому полностью пересматривать было нерационально. Прежде всего, она не зависит от типа процессора, поддерживает буферную изоляцию, технологию bus mastering (захват шины) и технологию PnP в полном объеме. Буферная изоляция означает, что шина PCI действует независимо от внутренней шины процессора, что дает возможность шине процессора функционировать независимо от скорости и загруженности системной шины. Благодаря технологии захвата шины периферийные устройства получили возможность непосредственно управлять процессом передачи данных по шине, вместо того, чтобы ожидать помощи от центрального процессора, что отразилось бы на производительности системы. Наконец, поддержка Plug and Play позволяет осуществлять автоматическую настройку и конфигурирование пользующихся ею устройств и избежать возни с джамперами и переключателями, которая изрядно портила жизнь владельцам ISA-устройств.

Несмотря на несомненный успех PCI, в нынешнее время она сталкивается с серьезными проблемами. Среди них – ограниченная пропускная способность, недостаток функций передачи данных в реальном времени и отсутствие поддержки сетевых технологий нового поколения.

Сравнительные характеристики различных стандартов PCI

Следует учесть, что реальная пропускная способность может быть меньше теоретической из-за принципа работы протокола и особенностей топологии шины. К тому же общая пропускная способность распределяется между всеми подключенными к ней устройствами, поэтому, чем больше устройств сидит на шине, тем меньшая пропускная способность достается каждому из них.

Такие усовершенствования стандарта, как PCI-X и AGP были призваны устранить ее главный недостаток – низкую тактовую частоту. Однако увеличение тактовой частоты в этих реализациях повлекло за собой уменьшение эффективной длины шины и количества разъемов.

Новое поколение шины — PCI Express (или сокращенно PCI-E), было впервые представлено в 2004 году и было призвано решить все те проблемы, с которыми столкнулась её предшественница. Сегодня большая часть новых компьютеров снабжается шиной PCI Express. Хотя стандартные слоты PCI в них тоже присутствуют, однако не за горами то время, когда шина станет достоянием истории.

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

Архитектура PCI Express

Архитектура шины имеет многоуровневую структуру, как показано на рисунке.

Шина поддерживает модель адресации PCI, что позволяет работать с ней всем существующим на данный момент драйверам и приложениям. Кроме того, шина PCI Express использует стандартный механизм PnP, предусмотренный предыдущим стандартом.

Рассмотрим предназначение различных уровней организации PCI-E. На программном уровне шины формируются запросы чтения/записи, которые передаются на транспортном уровне при помощи специального пакетного протокола. Уровень данных отвечает за помехоустойчивое кодирование и обеспечивает целостность данных. Базовый аппаратный уровень состоит из двойного симплексного канала, состоящего из передающей и принимающей пары, которые вместе называются линией. Общая скорость шины в 2,5 Гб/с означает, что пропускная способность для каждой линии PCI Express составляет 250 Мб/c в каждую сторону. Если принять во внимание потери на накладные расходы протокола, то для каждого устройства доступно около 200 Мб/c. Эта пропускная способность в 2-4 раза выше, чем та, которая была доступна для устройств PCI. И, в отличие от PCI, в том случае, если пропускная способность распределяется между всеми устройствами, то она в полном объеме достается каждому устройству.

На сегодняшний день существует несколько версий стандарта PCI Express, различающихся своей пропускной способностью.

Пропускная способность шины PCI Express x16 для разных версий PCI-E, Гб/c:

Видео:Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать

Форматы шины PCI-E

На данный момент доступны различные варианты форматов PCI Express, в зависимости от предназначения платформы – настольный компьютер, ноутбук или сервер. Серверы, требующие большую пропускную способность, имеют больше слотов PCI-E, и эти слоты имеют большее число соединительных линий. В противоположность этому ноутбуки могут иметь лишь одну линию для среднескоростных устройств.

Видеокарта с интерфейсом PCI Express x16.

Платы расширения PCI Express очень похожи на платы PCI, однако разъемы PCI-E отличаются повышенным сцеплением, что позволяет быть уверенным в том, что плата не выскользнет из слота из-за вибрации или при транспортировке. Существует несколько форм-факторов слотов PCI Express, размер которых зависит от количества используемых линий. Например, шина, имеющая 16 линий, обозначается как PCI Express x16. Хотя общее количество линий может достигать 32, на практике большинство материнских плат в настоящее время оснащены шиной PCI Express x16.

Карты меньших форм-факторов могут подключаться в разъемы для больших без ущерба для работоспособности. Например, карта PCI Express х1 может подключаться в разъем PCI Express x16. Как и в случае шины PCI, для подключения устройств при необходимости можно использовать РCI Express-удлинитель.

Внешний вид разъемов различных типов на материнской плате. Сверху вниз: слот PCI-X, слот PCI Express х8, слот PCI, слот PCI Express х16.

Видео:Технология PCI ExpressСкачать

Express Card

Стандарт Express Card предлагает очень простой способ добавления оборудования в систему. Целевым рынком для модулей Express Card являются ноутбуки и небольшие ПК. В отличие от традиционных плат расширения настольных компьютеров, карта Express может подключаться к системе в любой момент во время работы компьютера.

Одной из популярных разновидностей Express Card является карта PCI Express Mini Card, разработанная в качестве замены карт форм-фактора Mini PCI. Карта, созданная в этом формате, поддерживает как PCI Express, так и USB 2.0. Размеры PCI Express Mini Card составляют 30×56 мм. Карта PCI Express Mini Card может подключаться к PCI Express х1.

Видео:PCI и PCI-Express что можно подключитьСкачать

Преимущества PCI-E

Технология PCI Express позволила получить преимущество по сравнению с PCI в следующих пяти областях:

1. Более высокая производительность. При наличии всего одной линии пропускная способность PCI Express в два раза выше, чем у PCI. При этом пропускная способность увеличивается пропорционально количеству линий в шине, максимальное количество которых может достигать 32. Дополнительным преимуществом является то, что информация по шине может передаваться одновременно в обоих направлениях.
2. Упрощение ввода-вывода. PCI Express использует преимущества таких шин, как AGP и PCI-X и обладает при этом менее сложной архитектурой, а также сравнительной простотой реализации.
3. Многоуровневая архитектура. PCI Express предлагает архитектуру, которая может подстраиваться к новым технологиям и не требует значительного обновления ПО.
4. Технологии ввода/вывода нового поколения. PCI Express дает новые возможности получения данных при помощи технологии одновременных передач данных, обеспечивающей своевременное получение информации.
5. Простота использования. PCI-E значительно упрощает обновление и расширение системы пользователем. Дополнительные форматы плат Express, такие, как ExpressCard, значительно увеличивают возможности добавления высокоскоростных периферийных устройств в серверы и ноутбуки.

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

Заключение

PCI Express – это технология шины для подключения периферийных устройств, пришедшая на смену таким технологиям как ISA, AGP и PCI. Её применение значительно увеличивает производительность компьютера, а также возможности пользователя по расширению и обновлению системы.

Видео:Райзер PCI-express для видеокарты своими рукамиСкачать

Технология PCI Express

Алексей Борзенко,
к.т.н., доцент РРТА

Интерфейс PCI Express (известный прежде под названием 3GIO) основан на открытых стандартах и выступает как наследник PCI и его вариантов для систем ввода-вывода серверов и клиентских устройств. В отличие от PCI и PCI-X, основанных на 32- и 64-разрядной параллельной шине, PCI Express использует высокоскоростную технологию последовательного соединения, похожую на ту, что используется в Gigabit Ethernet, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS). PCI Express отражает общую для компьютерной индустрии тенденцию замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа «точка-точка» (point-to-point).

Новая технология шины обеспечивает скорость передачи, которая будет достаточной с учетом развития процессоров и подсистем ввода-вывода, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.

По сравнению с PCI технология PCI Express имеет следующие преимущества:

• высокая пропускная способность — в первой версии теоретическая пиковая пропускная способность составит 5-80 Гбит/с, в зависимости от реализации;
• последовательное соединение, обеспечивающее масштабирование производительности;
• отдельное соединение «точка-точка» для каждого устройства вместо общей шины PCI;
• малые задержки для серверной архитектуры;
• меньший размер разъемов и упрощенное проектирование систем;
• расширенные функции.

Читайте также: Что такое дифференциальная защита шин принцип действия

В течение следующего десятилетия интерфейс PCI Express постепенно заменит параллельные шины PCI, PCI-X и AGP. Сначала он вытеснит шины, которые требуют дополнительной производительности и функций. Например, первоначально PCI Express будет применяться как замена шины передачи графических данных AGP 8X в клиентских системах, обеспечивая высокую полосу пропускания и поддержку мультимедийного трафика. Он будет сосуществовать с шиной PCI-X и постепенно вытеснять ее в серверных системах.

Шина PCI

Шина PCI, появившаяся в 1992 г., стала основой системы ввода-вывода практически для всех компьютерных платформ. Первоначальная 33-МГц, 32-разрядная реализация обеспечивала теоретически возможную пиковую производительность 133 Мбайт/с. В последующие годы архитектура платформы развивалась, различные функции перекладывались на варианты PCI с более высокой пропускной способностью (табл. 1), включая AGP и PCI-X.

Таблица 1. Пропускная способность шин PCI, PCI-X и AGP

Если внимательно изучить применяемую в PCI технологию передачи сигналов, станет ясно, что увеличить производительность этой многоточечной параллельной шины уже невозможно. Дело в том, что для шины PCI трудно реализовать наращивание частоты или уменьшение напряжения. Кроме того, она не поддерживает такие функции, как расширенное управление энергопотреблением, замена и подключение в горячем режиме периферийных устройств и функции качества сервиса — QoS (а проще говоря, доступности) для гарантированной полосы пропускания операций в реальном времени. Наконец, вся имеющаяся полоса пропускания шины PCI не поддерживает одновременную передачу данных в обоих направлениях. Многие сети передачи данных обеспечивают параллельный трафик, благодаря чему задержка при передаче сообщений сводится к минимуму.

Клиентские системы

Первый вариант шины PCI был разработан для поддержки 2D-графики, высокопроизводительных жестких дисков и локальных сетей. Вскоре после появления PCI выросшие требования к пропускной способности графической подсистемы 3D превысили возможности 32-разрядной шины PCI с частотой 33 МГц. Чтобы решить эту проблему, корпорация Intel (http://www.intel.com) вместе с несколькими производителями графических плат разработали спецификацию AGP, описывающую выделенную высокоскоростную шину для работы с графикой. Шина AGP освободила систему PCI от передачи графики, что позволило задействовать ее пропускную способность для других операций передачи данных и ввода-вывода. Кроме того, впоследствии Intel добавила выделенные каналы USB 2.0 и Serial ATA к южному мосту своих наборов микросхем (НМС), что дополнительно уменьшило нагрузку ввода-вывода на шину PCI. На рис. 1 показана внутренняя архитектура типичной клиентской системы ПК и пропускная способность шины ввода-вывода и графики.

Узкие места клиентских систем

Есть несколько шин клиентской системы, способных ограничивать производительность из-за постоянного совершенствования центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода: шина PCI, шина AGP и канал между северным и южным мостами.

PCI Bus. Шина PCI обеспечивает скорость передачи до 133 Мбайт/с для подключенных устройств ввода-вывода. Ряд устройств ввода-вывода способны загрузить значительную часть этой полосы пропускания, так что если подключить несколько таких устройств, то общая шина PCI не сможет справиться с трафиком.

На рис. 2 показаны требования к полосе пропускания разных сетевых протоколов, видеоприложений и внешних устройств, которые обслуживает шина PCI. Как видно, многоточечная общая шина PCI с трудом способна работать с современными устройствами. Проблема обостряется с появлением новых периферийных устройств, использующих еще более высокую скорость передачи.

Например, для Gigabit Ethernet нужна полоса пропускания 125 Мбайт/с, иными словами, этот сетевой протокол фактически полностью загружает шину PCI 133 Мбайт/с. У IEEE 1394b максимальная полоса пропускания составляет 100 Мбайт/с, и он также полностью загружает стандартную PCI-шину.

AGP. В последнее десятилетие требования к производительности видео удваивались каждые два года. За этот период шина передачи графики перешла от PCI к AGP, затем от AGP к AGP 2X, AGP 4X и, наконец, к сегодняшней AGP 8X.

AGP 8X работает на скорости 2,134 Гбайт/с. Несмотря на такую полосу пропускания, постепенный рост требований к производительности шины AGP создает значительные проблемы при проектировании плат и повышает стоимость соединений. Как и в случае шины PCI, расширение возможностей шины AGP становится все сложнее и дороже по мере роста частот.

Канал между северным и южным мостами. Нагрузка на шину PCI влияет и на связь между северным и южным мостами, особенно при использовании дисков SATA и устройств USB. В будущем здесь потребуется канал с большей полосой пропускания.

Серверные системы

В серверах первоначальная 32-разрядная, 33-МГц шина PCI была расширена до 64-разрядной 66-МГц с пропускной способностью 532 Мбайт/с. Частота 64-разрядной шины была увеличена до 100 и до 133 МГц — этот вариант называется PCI-X. Такая шина соединяет НМС серверной системы (или двухпроцессорной рабочей станции класса high-end) со слотами расширения, контроллерами Gigabit Ethernet и Ultra320 SCSI, интегрированными на системной плате. 64-разрядная шина PCI-X с частотой 133 МГц обеспечивает пиковую полосу пропускания 1 Гбайт/с между НМС системы и устройством ввода-вывода. Сейчас этого достаточно для большинства операций ввода-вывода, включая протоколы Gigabit Ethernet, Ultra320 SCSI и Fibre Channel 2 Гбит/с. Однако PCI-X, как и PCI, — это общая шина с присущими ей недостатками.

Группа PCI Special Interest Group (PCI SIG, http://www.psisig.com) разработала спецификацию PCI-X 2.0, описывающую 64-разрядную, 266-МГц шину PCI-X, у которой скорость передачи вдвое больше, чем у 133-МГц PCI-X. Тем не менее при использовании расширенного варианта параллельной шины PCI-X возникают серьезные проблемы с проектированием. Разъемы для нее громоздкие и дорогие, а строгие требования к проектированию значительно повышают стоимость системных плат по мере роста частот. Кроме того, на высоких частотах допускается подключение к шине PCI-X 2.0 только одного устройства ввода-вывода в конфигурации «точка-точка».

Узкие места серверных систем

На рис. 3 показаны внутренние системные межсоединения в типичной двухпроцессорной серверной системе. В этой архитектуре расширение полосы пропускания обеспечивается с помощью фирменного интерфейса между микросхемами северного моста и моста PCI-X. Несколько шин PCI-X подключаются к высокоскоростным слотам расширения, 10-Гбит Ethernet и дискам SAS/SATA. Но эта архитектура имеет несколько недостатков. Специальные кристаллы мостов PCI-X соединяют несколько параллельных шин PCI-X со специальным последовательным межсоединением НМС. Такой подход связан с высокими затратами, неэффективен и приводит к задержке передачи между устройствами ввода-вывода и северным мостом. Например, этот подход предусматривает соединение последовательной фабрики 10 Гбит/с с 64-разрядной параллельной шиной, которая, в свою очередь, подключается через фирменный кристалл моста PCI-X к последовательному межсоединению в северном мосте.

Кроме того, технология внешнего ввода-вывода в серверах нового поколения требует намного более широкой полосы пропускания, чем способна обеспечить 133-МГц шина PCI-X. Эти технологии включают такие фабрики, как 10-Гбит Ethernet, Fibre Channel 10 Гбит/с и 4x Infiniband, а также будущие высокоскоростные интерфейсы жестких дисков — SATA и SAS 3 Гбит/с. В случае фабрики 10 Гбит/с каждый порт с пропускной способностью 10 Гбит/с может передавать данные в обоих направлениях с пиковой скоростью 2 Гбайт/с, а 133-МГц шина PCI-X обеспечивает максимальную скорость 1 Гбайт/с в одном направлении в один момент времени. Это означает, что 133-МГц шина PCI-X способна обработать пиковую пропускную способность таких фабрик не более чем на 50%.

Хотя PCI-X 2.0 с частотой 266 МГц удвоит ширину пиковой полосы пропускания PCI-X — до 2 Гбайт/с, ее все же будет недостаточно для суммарных 4 Гбайт/с, которые нужны двухпортовому контроллеру фабрики 10 Гбит/с. Ясно, что клиентским системам и серверам требуется замена параллельной шины PCI и ее вариантов.

PCI Express

PCI Express предоставляет масштабируемую высокоскоростную последовательную шину ввода-вывода. Многоуровневая архитектура PCI Express поддерживает существующие приложения PCI и драйверы за счет обратной совместимости с существующей моделью PCI. В частности, архитектура PCI Express определяет высокопроизводительную масштабируемую последовательную шину «точка-точка». Канал PCI Express состоит из двух однонаправленных каналов, каждый из которых реализован как пара передачи и пара приема для одновременной передачи в обоих направлениях. Каждая пара состоит из двух низковольтных пар дифференциальных сигналов. Таймер синхронизации встроен в каждую пару и использует схему кодировки для синхронизации 8b/10b, позволяя достичь высокой скорости передачи данных. На рис. 4 представлены каналы PCI в сравнении с PCI Express.

Многоуровневая архитектура PCI Express

Уровень Конфигурация/ОС определяет стандартный механизм (в соответствии со спецификацией PCI Plug-and-Play) инициализации устройств, их нумерацию и конфигурирование. Этот уровень общается с уровнем ПО, инициирующего передачу данных между периферийными устройствами или получение данных от подключенной периферии. Интерфейс PCI Express разрабатывался как совместимый с существующими ОС, но для поддержки мощных функций технологии потребуются ОС будущего времени.

Уровень Программное обеспечение генерирует запросы чтения и записи к периферийным устройствам. PCI Express обеспечивает инициализацию и совместимость с ПО PCI. Как и в PCI, модель инициализации PCI Express позволяет ОС обнаруживать новые аппаратные устройства и распределять ресурсы системы. PCI Express сохраняет пространство конфигурирования PCI и программирование устройств ввода-вывода, и все ОС будут загружаться, не требуя модификации, в системах с использованием PCI Express. Сохраняется и модель выполнения ПО PCI, что позволяет запускать существующее ПО без всякой модификации.

Читайте также: Какого размера шины лучше для зимы

Уровень Транзакций читает и записывает запросы от уровня ПО к канальному уровню с помощью протокола на основе пакетов и обеспечивает соответствие ответных пакетов запросам ПО. Этот уровень поддерживает 32-разрядную и расширенную 64-разрядную адресацию памяти, адресное пространство PCI памяти, ввода-вывода и конфигурации, а также новое пространство сообщений для таких сообщений, как прерывания и сбросы.

Канальный уровень добавляет последовательность пакетов и обнаружение ошибок на основе циклических кодов избыточности (CRC) к пакетам данных, создавая надежный механизм передачи данных между системным НМС и контроллером ввода-вывода.

Физический уровень базируется на двойных однонаправленных каналах PCI Express. Это обеспечивает гибкость и позволяет использовать разные технологии и частоты. Благодаря такому подходу первоначальную кремниевую технологию можно будет со временем заменить инновациями, которые сохранят обратную совместимость. Например, для повышения скорости передачи данных можно использовать оптоволоконную технологию.

Механический уровень определяет форм-факторы периферийных устройств.

Ширину пропускания канала PCI Express можно масштабировать за счет добавления сигнальных пар для формирования нескольких линий между двумя устройствами. Спецификация поддерживает ширину линии x1, x4, x8 и x16 и соответственно расщепляет байты данных по линиям. После того, как два агента на обоих концах канала PCI Express договорятся о ширине линии и частоте передачи, байты данных передаются расщепленными по линиям с кодировкой.

Базовый канал x1 имеет пиковую «сырую» полосу пропускания на уровне 2,5 Гбит/с. Поскольку шина работает в двух направлениях (данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях), эффективная «сырая» скорость передачи равна 5 Гбит/с. В табл. 2 приведены скорости передачи данных с кодированием и без кодирования при реализации линий x1, x4, x8 и x16, которые определены в первой версии PCI Express.

Таблица 2. Полоса пропускания PCI Express

В будущих реализациях PCI Express частота передачи данных по каналу еще больше увеличится. Например, после появления второго поколения PCI Express частота передачи вырастет не менее чем вдвое. Благодаря архитектуре «точка-точка» вся полоса пропускания каждой шины PCI Express выделяется устройству на конце канала. Несколько устройств PCI могут работать одновременно, не мешая друг другу.

PCI Express, в отличие от PCI, имеет минимальные сигналы боковой полосы, а временные метки и информация об адресе встроены в данные. Именно поэтому данная технология обеспечивает высокую полосу пропускания на один контакт разъема ввода-вывода по сравнению с PCI (рис. 5). В результате соединители становятся более эффективными, компактными и дешевыми.

Технология PCI Express надежно обеспечивает более высокие скорости передачи данных за счет низковольтных дифференциальных сигналов. При таком подходе сигнал идет от источника к получателю по двум линиям: по одной посылается «позитивный» образ, по другой — «негативный», или «перевернутый» образ сигнала. Из-за строгих правил маршрутизации шум, влияющий на одну линию, влияет и на другую. Приемник получает оба сигнала, инвертирует негативную версию обратно в позитивную и суммирует два собранных сигнала, в результате шумы эффективно удаляются.

В первоначальной спецификации PCI Express определены графические платы мощностью до 75 Вт. Сейчас разрабатывается новая спецификация графики PCI Express для карт мощностью до 150 Вт. Эти характеристики соответствуют требованиям графических адаптеров, для которых сейчас предел мощности составляет 41 Вт для массовых карт AGP и 110 Вт для карт AGP Pro 110.

Полоса пропускания PCI Express

Полоса пропускания PCI Express обычно обозначается как «кодированная» полоса пропускания. PCI Express использует кодировку 8b/10b, которая транслирует 8-разрядные данные в 10-битную последовательность передаваемых символов. Этот подход улучшает физический сигнал, что облегчает синхронизацию битов, упрощает проектирование приемников и передатчиков, совершенствует обнаружение ошибок и позволяет отличить управляющие символы от символов данных.

Ширина «кодированной» полосы пропускания базовой линии x1 PCI Express равна 5 Гбит/с. Однако более точную цифру дает полоса пропускания «без кодировки», ширина которой составляет 80% «кодированной», т. е. 4 Гбит/с. В табл. 2 приведена полоса пропускания PCI Express с кодировкой и без нее.

Расширенные функции PCI Express

В PCI Express предусмотрены расширенные функции, которые будут постепенно реализовываться по мере их поддержки ОС и устройствами, а также по мере их использования приложениями. В список этих функций входят:

• расширенное управление энергопотреблением;
• поддержка трафика данных в реальном времени;
• горячая замена;
• целостность данных и обработка ошибок.

Расширенное управление энергопотреблением

Управление в PCI Express позволяет уменьшить энергопотребление, если шина не активна (т. е. данные не пересылаются между компонентами и периферийными устройствами). Интерфейс PCI Express должен быть активным все время, чтобы передатчик и получатель работали синхронно. Для этого, если нет данных для передачи, непрерывно посылаются пустые символы, получатель декодирует их и отбрасывает. Этот процесс потребляет дополнительную энергию, что, в частности, уменьшает время работы от батарей ноутбуков и карманных компьютеров.

Для решения этой проблемы спецификация PCI Express определяет два состояния канала с низким энергопотреблением и протокол Active-State Power Management (ASPM). Когда канал PCI Express не используется, он может перейти в одно из двух состояний с низким энергопотреблением. Эти состояния экономят энергию, но требуют времени на восстановление для ресинхронизации передатчика и получателя, когда нужно передать данные. Чем дольше время восстановления (или запаздывания), тем ниже энергопотребление.

Поддержка трафика реального времени

PCI Express, в отличие от PCI, поддерживает изохронную (или зависимую от времени) передачу данных и разные уровни QoS. Эти функции реализованы с помощью «виртуальных каналов», которые гарантируют, что конкретные пакеты данных прибудут по своему конечному адресу в определенный момент времени. PCI Express поддерживает несколько изохронных виртуальных каналов (каждый с независимым сеансом связи) на одну линию. Все эти каналы могут иметь разную доступность. Данное законченное решение предназначено для приложений, требующих доставки данных в реальном времени (такова, например, работа с аудио и видео в реальном времени).

Горячая замена

Системы на базе PCI не имеют встроенной поддержки горячей замены плат ввода-вывода. Уже после выпуска стандарта PCI как дополнение к нему была разработана функция горячей замены серверных карт и PC Card с ограниченными возможностями. Эти решения рассчитаны на растущие требования серверов и портативных компьютеров. Во-первых, часто трудно или невозможно запланировать отключение сервера для замены или установки периферийных карт. Возможность горячей замены устройств ввода-вывода сводит к минимуму простои. Во-вторых, пользователям ноутбуков нужно заменять в горячем режиме карты, обеспечивающие такие функции ввода-вывода, как мобильный диск и работа в сети.

В PCI Express реализована оригинальная поддержка для горячей замены периферии ввода-вывода. Единая программная модель может использоваться для всех форм-факторов PCI Express.

Целостность данных и обработка ошибок

Интерфейс PCI Express поддерживает целостность данных на уровне каналов для всех типов пакетов транзакций и каналов данных. Благодаря этому обеспечивается целостность данных при их передаче для приложений высокой доступности, особенно для выполняющихся на серверных системах. PCI Express также поддерживает обработку ошибок PCI и использует усовершенствованный механизм оповещения об ошибках и их обработки, что расширяет возможности решений для изоляции сбоев и восстановления работоспособности.

Форм-факторы PCI Express

Разработаны различные форм-факторы PCI Express, предназначенные для клиентских систем, серверов и портативных компьютеров. В их числе стандартные и низкопрофильные карты — для настольных ПК, рабочих станций и серверов, Mini Card — для портативных компьютеров, ExpressCard — для портативных и настольных ПК, а также модули Server I/O Module (SIOM).

Стандартные и низкопрофильные карты

Выпускаемые сейчас стандартные и низкопрофильные карты PCI используются на различных платформах, включая серверы, рабочие станции и настольные ПК. PCI Express также определяет стандартные и низкопрофильные карты, которые могут заменить устаревшие карты PCI и сосуществовать с ними. Эти карты имеют те же размеры, что и карты PCI, и оборудованы задними скобами для внешних кабельных соединений.

Карты PCI и PCI Express отличаются соединителями ввода-вывода — разъем x1 PCI Express имеет 36 контактов, а у стандартного соединителя PCI их 120.

Коннектор x1 PCI Express намного меньше, чем у карты PCI Card. Рядом с разъемом PCI Express расположена маленькая заглушка, которая не позволяет вставить его в слот PCI. Стандартные и низкопрофильные форм-факторы также поддерживают реализации x4, x8 и x16. На рис. 6 показаны размеры соединителей PCI в сравнении с разъемами PCI, AGP 8X и PCI-X, которые они заменят на системной плате.

Читайте также: Kia rio 2014 can шина

В табл. 3 приведены требования к совместимости для стандартных и низкопрофильных карт PCI Express. Карта x1 может использоваться во всех четырех слотах системной платы: x1, x4, x8 и x16. Когда карта x1 вставляется в слот с более высокой скоростью, канальный уровень снижает скорость канала до x1.

Таблица 3. Совместимость карт PCI Express Card

Переход на карты PCI Express

Платы клиентских систем будут постепенно переходить от соединителей PCI к соединителям x1 PCI Express. Рабочие станции соответственно будут переходить от PCI на разъемы x1 PCI Express и от PCI-X — к x4 PCI Express. Соединитель AGP 8X будет заменяться разъемом x16 PCI Express. В отличие от AGP, он может использоваться для других карт PCI Express, если не требуется графическая карта PCI Express.

Серверы будут постепенно переходить от соединителей PCI-X в основном на x4 и x8. Использование в серверных системах комбинации слотов PCI Express и PCI/PCI-X позволит покупателям адаптироваться к новой технологии при сохранении поддержки унаследованных систем.

Рассмотрим пример типичной современной клиентской системы и переходной системной платы PCI Express. Системная плата PCI содержит пять стандартных слотов PCI и один слот AGP. Системная плата PCI Express также имеет шесть слотов ввода-вывода, но только три из них — слоты PCI, а еще два — это соединители x1 PCI Express и один — разъем x16 PCI Express, заменяющий слот AGP 8X. Соединители PCI Express на системной плате иногда делают черными, чтобы отличить их от белых слотов PCI и коричневых AGP.

Конечно, первыми устройствами, которые перейдут на карты PCI Express, станут платы с повышенными требованиями к полосе пропускания. В клиентских системах это графические адаптеры, адаптеры стандарта IEEE 1394, Gigabit Ethernet и ТВ-тюнеры, а в серверных системах — карты Ultra320 SCSI RAID, HBA-адаптеры Fibre Channel и карты Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet. Ожидается, что стоимость этих плат будет сравнима с ценой аналогичных PCI-X, а в некоторых случаях даже меньше. Другие карты также постепенно перейдут на PCI Express, но может потребоваться несколько лет, прежде чем недорогие карты, работающие с низкой пропускной способностью (например, модемы), начнут использовать эту технологию. Таким образом, как это было и с переходом от ISA к шине PCI, еще долгие годы PCI и PCI Express будут сосуществовать.

PCI Express Mini Card

PCI Express Mini Card заменят Mini PCI, представляющие собой маленькую внутреннюю плату, по своей функциональности аналогичную картам PCI для настольных ПК. Карты Mini PCI используются в основном для реализации сетевых функций в портативных компьютерах, выпускаемых серийно или на заказ. По размерам PCI Express Mini Card вдвое меньше Mini PCI, что позволяет проектировщикам ноутбуков предусмотреть место для одной или двух карт в зависимости от размера компьютера.

PCI Express Mini Card может использовать PCI Express и/или USB 2.0. Разъем PCI Express Mini Card на системной плате должен поддерживать как канал x1 PCI Express, так и USB 2.0. Поддержка USB 2.0 облегчит переход на PCI Express, потому что производителям периферии нужно определенное время для реализации поддержки PCI Express в своих наборах микросхем. В переходный период PCI Express Mini Card можно будет легко подключать с помощью USB 2.0.

ExpressCard

ExpressCard — это маленькая модульная дополнительная карта, которая в течение следующих лет должна заменить PC Card. Спецификация ExpressCard была разработана ассоциацией Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA, http://www.pcmcia.org). Форм-фактор ExpressCard обеспечивает замену PC Card с меньшими размерами и стоимостью и более высокой производительностью. Как и PCI Express Mini Card, модуль ExpressCard поддерживает каналы x1 PCI Express и USB 2.0. Низкая цена делает его оптимальным для настольных систем с уменьшенным форм-фактором. Модуль ExpressCard также имеет пониженное энергопотребление, и его можно вставлять в горячем режиме. Скорее всего, ExpressCard будут использоваться в сетевых платах, жестких дисках и будущих технологиях ввода-вывода.

PCI Express Server I/O Module

Массовое появление модулей SIOM ожидается после выхода второго поколения PCI Express. PCI Express SIOM обеспечивает форм-фактор, который легко установить и заменить. Он будет модульным, что позволит устанавливать и обслуживать карты ввода-вывода без прерывания работы системы и не открывая корпус компьютера.

SIOM предусматривает более радикальное изменение форм-фактора, чем другие варианты PCI Express. Он решит многие проблемы с серверными картами PCI и PCI-X. Конструкция SIOM делает карты более надежными, что особенно важно в центрах обработки данных. Модуль также разрабатывался с расчетом на принудительную вентиляцию, поскольку мощным серверам свойственно высокое тепловыделение. Потоки охлаждающего воздуха могут идти сзади, сверху или снизу модуля. Такая гибкость дает проектировщикам систем больше свободы при оценке вариантов охлаждения стоечных систем, оборудованных SIOM.

Модули SIOM с самым большим форм-фактором способны выполнять сравнительно сложные функции и использовать весь диапазон каналов PCI Express.

Примеры систем с PCI Express

Рассмотрим, как технология PCI Express может быть реализована в клиентской и серверной системах. Первоначально канал x16 PCI Express заменит шину AGP между графической подсистемой и северным мостом. Вариант PCI Express может заменить и канал между обоими мостами НМС. Предусмотрено также несколько каналов PCI Express от южного моста к контроллеру сетевого интерфейса (NIC), устройствам IEEE 1394 и другой периферии. Южный мост будет по-прежнему поддерживать устаревшие слоты PCI.

Такая архитектура дает покупателям несколько важных преимуществ. Настольные системы еще долго будут оснащаться шинами как PCI, так и PCI Express. Первые поколения серверов PCI Express также будут иметь слоты PCI-X для устаревших карт PCI-X. Чтобы упростить переход, предусмотрена защита от ошибочной установки PCI в слоты PCI Express и карт PCI Express — в слоты PCI. Кроме того, PCI Express обеспечивает широкое применение карт Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, 1394b и других высокоскоростных устройств в клиентских системах. Он также поддерживает растущие требования к полосе пропускания графических подсистем.

PCI Express может применяться в двухпроцессорной серверной архитектуре, значительно упрощая систему. Каналы PCI Express для устройств ввода-вывода и слотов подключаются непосредственно к северному мосту. Такой подход дает ряд преимуществ. Во-первых, это высокая полоса пропускания для ввода-вывода следующего поколения, например, 10 Gigabit Ethernet и фабрики x4 Infiniband. Например, канал x8 PCI Express способен обеспечить пиковую полосу пропускания, которая требуется двухпортовому контроллеру 10 Гбит/с.

Во-вторых, меньше становятся расходы на внедрение. Удается подключить к системному набору микросхем больше слотов и встроенных устройств ввода-вывода, что уменьшает число микросхем моста и снижает требования к маршрутизации сигналов на системной плате. И наконец, за счет отказа от использования микросхемы моста PCI-X уменьшается запаздывание передачи между устройствами ввода-вывода и центральным процессором и памятью.

Таким образом, технология PCI Express обеспечивает надежное и масштабируемое последовательное соединение, обратно совместимое с PCI. Как и PCI, она будет использоваться в широком спектре существующих платформ, включая серверы, портативные компьютеры, настольные системы и рабочие станции. Она также позволит реализовать новаторскую конструкцию модульных компьютерных систем.

Другие статьи из раздела

• Программная платформа IBM для повышения эффективности бизнеса
• ИБП для защиты серверов
• Интегрированное решение для защиты центров обработки данных
• На пути к построению единой платформы защиты данных
• Виртуализация без ограничений

Chloride
Демонстрация Chloride Trinergy
Впервые в России компания Chloride Rus провела демонстрацию системы бесперебойного электропитания Chloride Trinergy®, а также ИБП Chloride 80-NET™, NXC и NX для своих партнеров и заказчиков.

NEC Нева Коммуникационные Системы
Завершена реорганизация двух дочерних предприятий NEC Corporation в России
С 1 декабря 2010 года Генеральным директором ЗАО «NEC Нева Коммуникационные Системы» назначен Раймонд Армес, занимавший ранее пост Президента Shyam …

компания «Гротек»
С 17 по 19 ноября 2010 в Москве, в КВЦ «Сокольники», состоялась VII Международная выставка InfoSecurity Russia. StorageExpo. Documation’2010.
Новейшие решения защиты информации, хранения данных и документооборота и защиты персональных данных представили 104 организации. 4 019 руководителей …

МФУ Panasonic DP-MB545RU с возможностью печати в формате А3
Хотите повысить эффективность работы в офисе? Вам поможет новое МФУ #Panasonic DP-MB545RU. Устройство осуществляет

Adaptec by PMC
RAID-контроллеры Adaptec Series 5Z с безбатарейной защитой кэша
Опытные сетевые администраторы знают, что задействование в работе кэш-памяти RAID-контроллера дает серьезные преимущества в производительности …

Chloride
Трехфазный ИБП Chloride от 200 до 1200 кВт: Trinergy
Trinergy — новое решение на рынке ИБП, впервые с динамическим режимом работы, масштабируемостью до 9.6 МВт и КПД до 99%. Уникальное сочетание …

• 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

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

  

  Системная шина персонального компьютера pci expressСкачать

  

  Компьютерная шина PCI ExpressСкачать

  

  Технология PCI ExpressСкачать

  

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

  

  Распределение линий PCI-Express в компьютереСкачать

  

  PCIe 3 и PCIe 4: в чем разница?Скачать

  

  О PCI Express...Скачать

  

  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

  

  Шина PCIСкачать

  

  Разъём “M.2” крадёт PCI EXPRESS линии у видеокарты!?Скачать

  

  Сравнение работы Pci-express 3.0, 2.0, 1.1 в играх. Разница между х16, х8, х4 режимами.Скачать