Pci express

Устаревшие поколения

Стандартным интерфейсом для подключения видеокарт на данный момент является шина PCI-Express (PCIe или PCI-E), которая пришла на смену AGP.

Основное различием между PCI-Express 16x и PCI-Express 2.0 в том, что в версии 2.0 была увеличена максимальная пропускная способность до 8 Гбит/с в каждом направлении, а также увеличивает возможности энергоподачи до 300 Вт, для этого на видеокарты устанавливается 2 x 4-штырьковый разъем питания.

PCI-Express реализован в различных версиях, отличающихся пропускной способностью: 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32х. Видеоинтерфейс PCI-E 16x обеспечивает пропускную способность равную 4 Гб/с в каждом направлении. Также были реализации PCI-Exp 8x (в бюджетных SLI- или CrossFire-решениях) и PCI-E 4x (или PCI-Express Lite).

Конечно, чем выше пропускная способность видеокарты, тем выше производительность и FPS в играх. Однако, у видеоинтерфейса AGP пропускная способность была практически такой же, как и у ранних версиях PCI-Express, и преимущество последнего было в масштабировании, а значит можно было подключить одновременно до четырех видеокарт.

Стандарт PCI-Express обеспечивает мощность питания: по напряжению 3,3 В до 3 А, по 12 В – до 5,5 А. Таким образом всего до 76 Вт отдаваемой видеокарте мощности. Но даже этого некоторым видеокартам не хватает и на них устанавливают один или несколько дополнительных 6-контактных разъема PCI-Express, при этом каждый способен дополнительно обеспечить ток по шине 12 В – до 6 А, а значит всего 72 или 144 Вт мощности. Значит PCI-Express 1.1 может обеспечить питание видеокарты, которые потребляют до 220 Вт электроэнергии.

Видеостандарт AGP имеет до 42 Вт отдаваемой мощности, так как по шине питания 3,3 В видеокарта потребляет до 6 А, по 5 В – до 2 А, по 12 В – 1А.

Распиновка PCI-Express 8x

Содержимое пакетов уровня транзакций

Рисунок 3 — Пример запроса на запись в память длиной в 1 DWРисунок 4 — Пример запроса на чтение из памяти длиной в 1 DWРисунок 5 — Пример успешного ответа на чтениеРисунок 6— Пример ответа о неподдерживаемом запросеРисунок 7 — Пример заголовка запроса на запись 128 байтТаблица 4 — Перечень сокращений для полей заголовков

• унаследованные прерывания (Legacy Interrupts или INT);
• прерывания в виде сообщений (Message Signaled Interrupts или MSI);
• расширенные прерывания в виде сообщения (Message Signaled Interrupts Extended или MSI-X).

Рисунок 8 — Таблица векторов прерываний MSI-XРисунок 9 — Таблица флагов ожидающих прерываний

Что такое PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express , сокращенно —PCIe илиPCI-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 либопараллельным , либопоследовательным 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).

В чем разница между PCI Express 3.0 и 4.0

Основная разница между PCI Express 3.0 и 4.0 заключается в скорости передачи данных. Каждая версия PCI Express получает удвоение пропускной способности и 4-я версия не исключение. При использовании 16 линий через PCI-e 4.0 можно передавать данные со скоростью31,5 ГБайт/с, что в два раза больше, чем при использовании версии 3.0.

Разница в пропускной способности выглядит впечатляюще, но многим устройствам такая большая скорость на данный момент не нужна. Поэтому реальный прирост производительности может быть намного меньше.

Например, в таблице внизу приведены результаты видеокарты Radeon RX 5700 XT при ее подключении с помощью PCI-e 3.0 и PCI-e 4.0. Как видно, более высокая пропускная способность PCI-e 4.0 практически не влияет на производительность видеокарты в играх.

С другой стороны, твердотельные диски (SSD) очень чувствительны к скорости подключения и в этом случае разница между PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0 более заметна.

Например, в таблице внизу приведены результаты двух похожих SSD накопителей: FireCuda 510 и FireCuda 520. Первый из которых использует интерфейс PCI-e 3.0, а второй PCI-e 4.0.

Как видно, при последовательном чтении прирост производительности почти полуторакратный. В новых SSD, которые будут выпускаться под PCI-e 4.0 эта разница может быть еще существенней.

Что заменит PCIe?

Очки виртуальной реальности VR

Разработчики видеоигр всегда ищут игры, которые становятся все более реалистичными, но могут сделать это только в том случае, если они смогут передавать
больше данных из своих игровых программ в гарнитуру VR или на экран пк, и для этого требуются более быстрые интерфейсы.
Из-за этого PCI Express никак не будет продолжать господствовать над своими лаврами. PCI Express 3.0 удивительно быстрый, но мир стремится сделать невероятно быструю передачу.

PCI Express 5.0, который должен быть завершен к 2019 году, будет использовать пропускную способность 31,504 гигабит в секунду на полосу (3938 мегабайт в секунду), что в два раза
больше, чем предлагается у высокоскоростного разъема версии 4.0. Существует ряд других стандартов интерфейса, отличных от PCIe, на которые смотрит технологическая индустрия, но поскольку
для них потребуются серьезные аппаратные изменения, PCIe, похоже останется лидером в течение некоторого, очень продолжительного времени как самый быстрый из существующих когда-либо.

Понимание шины PCI Express

Как обновление исходной системы PCI (Peripheral Component Interconnect), PCI Express имел одно огромное преимущество, когда он был первоначально разработан в начале 2000-х годов: он использовал шину доступа точка-точка вместо последовательной шины. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные на нем карты могли в полной мере использовать свою максимальную скорость, без забивания нескольких карт или расширений на одной шине.

PCI Express заменил старый стандарт слотов PCI. Эта материнская плата поддерживает оба: PCIE x16 синего цвета, PCIE x1 чёрного цвета и PCI бежевого цвета.

Проще говоря, представьте свой настольный компьютер в виде ресторана. Старый стандарт PCI был похож на гастроном, когда все стояли в очереди, чтобы их обслужили, а скорость обслуживания ограничивалась одним человеком у стойки. PCI-E больше похож на бар, где каждый посетитель сидит на своём месте, а несколько барменов принимают заказ каждого одновременно. (Хорошо, на самом деле никогда не удастся найти бармена для каждого посетителя одновременно, но давайте представим, что это действительно отличный бар.) Благодаря выделенным каналам данных для каждой карты расширения или периферийного устройства весь компьютер может получить доступ к компонентам и аксессуарам быстрее.

Теперь, чтобы расширить нашу метафору гастронома/бара, представьте, что на некоторых из этих мест зарезервировано несколько барменов только для них. Вот здесь и появляется идея нескольких полос движения.

Жизнь на быстрых полосах

PCI-E с момента своего создания претерпел множество изменений; в настоящее время новые материнские платы обычно используют версию 3 стандарта, более быстрая версия 4 становится все более и более распространённой, и уже выпущена спецификация версии 5. Но все разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть четырёх основных размеров : x1, x4, x8 и x16. (Порты x32 существуют, но встречаются крайне редко и обычно не встречаются на потребительском оборудовании.)

Карты разного размера поддерживают разное максимальное количество линий PCI-Express.

Различные физические размеры позволяют использовать разное количество одновременных подключений контактов данных к материнской плате: чем больше порт, тем больше максимальное количество подключений к карте и порту. Эти соединения в просторечии известны как «дорожки», при этом каждая дорожка PCI-E состоит из двух сигнальных пар, одна для отправки данных, а другая для приёма данных. Различные версии стандарта PCI-E допускают разную скорость на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос на одном порте PCI-E и подключённой к нему карте, тем быстрее могут передаваться данные между периферийным устройством и остальной частью компьютерной системы.

Возвращаясь к нашей метафоре бара: если вы представите каждого посетителя, сидящего за стойкой, как устройство PCI-E, то дорожка x1 будет одним барменом, обслуживающим одного клиента. Но у посетителя, сидящего на отведённом месте «x4», будет четыре бармена, которые будут приносить ему напитки и еду, а на месте «x8» будет восемь барменов только для её напитков, а на сиденье «x16» будет целых шестнадцать барменов только для него. А теперь мы перестанем говорить о барах и барменах, потому что нашим бедным образным пьющим грозит отравление алкоголем.

Примечания[]

1. Зарезервированные выводы под SIM: Помечены «*Reserved for future Subscriber Identity Module (SIM) interface (if needed)»
2. ExpressCard. Where to Buy page.
3. PCI Express 3.0. Frequently Asked Questions. PCI-SIG. Retrieved 23 November 2008.Шаблон:Ref-en
4. Maximum PC | PCIe 4.0 to Double the Speed of PCIe 3.0
5. Утверждена спецификация PCI Express 3.0 — скорость удвоена
6. MSI анонсировала первую в мире системную плату с поддержкой PCI Express 3.0
7. Gigabyte официально представила материнскую плату G1.Sniper 2
8. Шаблон:Cite web
9. PCIe 4.0 Heads to Fab, 5.0 to Lab / EETimes, 2016-06-28: «won’t be final until early next year»Шаблон:Ref-en
10. PCI Express 4.0 принесёт ускорение минимум в 2 раза // 3DNews — Новости Hardware 26.06.2011
11. Шаблон:Cite web

Что такое PCI Express и что он обозначает?

PCI Express означает Peripheral Component Interconnect Express и представляет собой стандартный интерфейс для подключения периферийного оборудования к материнской плате на компьютере. Другими словами, PCI Express или сокращенно PCIe — это интерфейс, который подключает к материнской плате внутренние карты расширения, такие как видеокарты, звуковые карты, адаптеры Ethernet и Wi-Fi . Кроме того, PCI Express также используется для подключения некоторых типов твердотельных накопителей, которые обычно очень быстрые.

Какие типы слотов и размеров PCI Express существуют, и что означают линии PCIe? Для подключения плат расширения к материнской плате PCI Express использует физические слоты. Обычными слотами PCI Express, которые мы видим на материнских платах, являются PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 и PCIe x16. Число, которое следует за буквой «х», говорит нам о физических размерах слота PCI Express, который, в свою очередь, определяется количеством контактов на нем. Чем больше число, тем длиннее слот PCIe и тем больше контактов, которые соединяют плату расширения с гнездом.

Кроме того, число «х» также указывает, сколько полос доступно в этом слоте расширения. Вот как сравниваются часто используемые слоты PCIe:

• PCIe x1: имеет 1 полосу , 18 контактов и длину 25 мм
• PCIe x4: имеет 4 линии , 32 контакта и длину 39 мм
• PCIe x8: имеет 8 линий , 49 контактов и длину 56 мм
• PCIe x16: имеет 16 линий , 82 контакта и длину 89 мм

Линии PCI Express — это пути между набором микросхем материнской платы и слотами PCIe или другими устройствами, являющимися частью материнской платы, такими как разъем процессора, слоты M.2 SSD, сетевые адаптеры, контроллеры SATA или контроллеры USB.

В PCI Express каждая полоса индивидуальна, что означает, что она не может быть разделена между различными устройствами. Например, если ваша видеокарта подключена к слоту PCIe x16, это означает, что она имеет 16 независимых линий, выделенных только для нее. Никакой другой компонент не может использовать эти полосы, кроме графической карты.

Вот идея, которая может упростить вам понимание того, что такое линии PCI Express: просто представьте, что PCI Express — это магистраль, а автомобили, которые едут по ней, — это данные, которые передаются. Чем больше полос движения доступно на шоссе, тем больше автомобилей можно проехать по нему; чем больше у вас PCIe-линий, тем больше данных можно передать.

Карта PCI Express может устанавливаться и работать в любом слоте PCIe, доступном на материнской плате, если этот слот не меньше платы расширения. Например, вы можете установить карту PCIe x1 в слот PCIe x16. Тем не менее, вы не можете сделать обратное. Например, вы можете установить звуковую карту PCIe x1 в слот PCIe x16, но вы не можете установить графическую карту PCIe x16 в слот PCIe x1.

Какие версии PCI Express существуют, и какую скорость передачи данных (пропускную способность) они поддерживают?

Сегодня используются четыре версии PCI Express: PCI Express 1.0, PCI Express 2.0, PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0. Каждая версия PCIe поддерживает примерно удвоенную пропускную способность предыдущего PCIe . Вот что предлагает каждый из них:

• PCI Express 1.0: имеет пропускную способность 250 МБ / с на линию
• PCI Express 2.0: имеет пропускную способность 500 МБ / с на линию
• PCI Express 3.0: имеет пропускную способность 984,6 МБ / с на линию
• PCI Express 4.0: имеет пропускную способность 1969 МБ / с на линию

Помните, что слоты PCIe могут предложить не одну, а несколько дорожек? Значения полосы пропускания, которые мы разделили, умножаются на количество линий, доступных в слоте PCIe. Если вы хотите рассчитать, сколько пропускной способности доступно для определенной платы расширения, вам нужно умножить пропускную способность PCIe на линию на количество доступных для нее линий.

Например, графическая карта, которая поддерживает PCI Express 4.0 и подключена к слоту PCIe x16, имеет доступ к общей пропускной способности около 31,51 ГБ / с. Это результат умножения 1969 МБ / с на 16 (пропускная способность PCIe на линию * 16 линий). Впечатляет, правда?

Вот как масштабируются версии PCI Express, если принять во внимание линии PCI Express:

В будущем появятся новые версии PCI Express, такие как PCI Express 5.0 и PCI Express 6.0. Спецификация PCIe 5.0 была доработана летом 2019 года, предлагая пропускную способность до 3938 МБ / с на линию и до 63 ГБ / с в конфигурации x16. Однако, скорее всего, мы не увидим его в ближайшее время на компьютерном оборудовании потребительского уровня.

Распиновка разъема PCI

Стандарты PCI-e передачи

PCI Express 1.0a

В 2003 году представили PCIe 1.0a со скоростью передачи данных 250 МБ / с и скоростью передачи 2,5 гигатрансфера в секунду (GT / s). Скорость передачи выражается в передачах в секунду, а не в битах в секунду, поскольку количество передач включает служебные биты, которые не обеспечивают дополнительной пропускной способности; PCIe 1.x использует схему кодирования 8b / 10b, что приводит к 20% (= 2/10) расходам на исходную полосу пропускания канала.

PCI Express 2.0

Объявили о PCI Express Base 2.0 в 2007 году. Стандарт PCIe 2.0 удваивает скорость передачи данных по сравнению с PCIe 1.0 до 5 ГТ / с, а пропускная способность на полосу увеличивается с 250 МБ / с до 500 МБ. / с. Следовательно, 32-полосный разъем PCIe (× 32) может поддерживать совокупную пропускную способность до 16 ГБ / с. Слоты материнской платы PCIe 2.0 полностью обратно совместимы с картами PCIe v1.x. Карты PCIe 2.0 также обычно обратно совместимы с материнскими платами PCIe 1.x, используя доступную пропускную способность PCI Express 1.1. В целом, графические карты или материнские платы, разработанные для версии 2.0, будут работать с другими версиями 1.1 или 1.0a. Как и 1.x, PCIe 2.0 использует схему кодирования 8b / 10b, поэтому обеспечивает эффективную максимальную скорость передачи 4 Гбит / с для каждой полосы по сравнению со скоростью исходных данных 5 ГТ / с.

PCI Express 2.1

PCI Express 2.1 вышла в 2009 году, она поддерживает большую часть систем управления, поддержки и устранения неполадок, которые запланированы для полной реализации в PCI Express 3.0. Однако скорость такая же, как у PCI Express 2.0. Увеличение мощности из слота нарушает обратную совместимость между картами PCI Express 2.1 и некоторыми старыми материнскими платами с 1.0 / 1.0a, но большинство материнских плат с разъемами PCI Express 1.1 поставляются с обновлением BIOS их производителями через служебные программы для поддержки обратной совместимости карт. с PCIe 2.1.

PCI Express 3.0

Спецификация PCI Express 3.0 стала доступна в конце 2010 года. Новые функции PCI Express 3.0 включают ряд оптимизаций для улучшенной передачи сигналов и целостности данных, включая выравнивание передатчика и приемника, усовершенствования системы ФАПЧ, восстановление тактовых данных и улучшения каналов для поддерживаемых в настоящее время топологии. PCI Express 3.0 обновляет схему кодирования до 128b / 130b по сравнению с предыдущей кодировкой 8b / 10b, уменьшая накладные расходы на полосу пропускания с 20% от PCI Express 2.0 примерно до 1,54% (= 2/130). Это достигается с помощью операции XOR известного двоичного полинома в качестве скремблера к потоку данных в топологии обратной связи. Скорость передачи данных PCI Express 3.0 8 ГТ / с эффективно обеспечивает 985 МБ / с на полосу, что почти вдвое увеличивает пропускную способность полосы пропускания по сравнению с PCI Express 2.0.

PCI Express 4.0

PCI Express 4.0 был анонсирован в 2017 году, обеспечивая скорость передачи данных 16 ГТ / с, что удваивает пропускную способность, обеспечиваемую PCI Express 3.0, при сохранении обратной и прямой совместимости как в программной поддержке, так и в используемом механическом интерфейсе. Спецификации PCI Express 4.0 также включают OCuLink-2, альтернативу разъему Thunderbolt. OCuLink версии 2 будет иметь скорость до 16 Гб / с (всего 8 ГБ / с для 4 полос), а максимальная пропускная способность разъема Thunderbolt 3 составляет 5 ГБ / с. Кроме того, необходимо изучить оптимизацию активной и неактивной мощности.