PCI-E: 8 Dinge, die Sie frühzeitig wissen müssen

1. Was ist PCI Express und wofür steht es?

Laut Wikipedia-Definition ist PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), offiziell abgekürzt als PCIe oder PCI-e, ein serieller Hochgeschwindigkeits-Computer-Erweiterungsbusstandard, der die älteren Busstandards PCI, PCI-X und AGP ersetzen soll. Als einer der Hochgeschwindigkeitsbusse in Computern ist PCI-E nicht nur ein Datenkanal, sondern auch eine Netzwerk-Motherboard-Schnittstelle. Letzteres ist der lange Steckplatzteil auf dem Bedienfeld.

 

PCIe ist der wichtigste Bus im Serversystem, da Signale über PCIe miteinander verbunden werden, wodurch die CPU mit verschiedenen externen Geräten kommunizieren kann. Wenn wir jedes Datenbit mit einem kleinen Auto vergleichen, ist der PCIe-Bus wie die Zwei-Wege-Fahrspuren. Aber die PCIe-Spezifikation hat eine eigene Geschwindigkeitsbegrenzung, die anzeigt, dass je mehr Lanes vorhanden sind, desto schneller wird die Geschwindigkeit, dh es wird mehr Datenverkehr übertragen.

 

2. Aktueller Status und zukünftige Ausrichtung von PCI-E

Die PCIe 6.0-Basisspezifikation hat bisher ihren Entwurf 0.5 veröffentlicht und der PCIe 6.0-Standard hat die Interpretation für die Version 0.5 abgeschlossen, die voraussichtlich 2021 offiziell eingeführt wird. Die PCIe 6.0 CEM-Spezifikation wird jedoch noch von der PCI-SIG beraten.  

∆ Die blaue Spur hebt den PCIe-Bus hervor 

Unterdessen steht die von Intel unterstützte PCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP-CPU Ende dieses Jahres kurz vor der Veröffentlichung, und die AMD EPYC-CPU, die PCIe 4.0 sowie zahlreiche ARM-CPUs unterstützt, wird nach und nach in den Verkauf gebracht. Infolgedessen wird PCIe 4.0 im Jahr 2021 zum Mainstream auf dem Markt, was Kabelhersteller und -lieferanten dazu veranlasst, darüber nachzudenken, wohin PCI-E-Kabel gehen.

 

3. PCIe vs. PCI: Die Entwicklung und Verbreitung von PCIe Jan

PCI wurde 1992 mit einer PCI-Busbandbreite von damals 133 MB/s geboren. Danach erhöhte Intel das Bus-Status-Bit auf 64, um die Übertragung im Serverbereich zu ermöglichen. Daher wurden zwei neue PCI-Busse mit einer Taktrate von 2 Bit/64 MHz und 33 Bit/64 MHz und einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von 66 Mbit/s bzw. 266 Mbit/s geschaffen.

 

Im Bereich der Grafikkarten hat Intel AGP (Accelerated Graphics Port) individuell entwickelt und 1.0 die „AGP-Spezifikation 1997“ mit einem 32-Bit-Bus mit 66 MHz und einer Bandbreite von 266 Mbit/s veröffentlicht. Die nachfolgende Spezifikation AGP 2.0 dokumentierte eine 1.5-V-Signalisierung, die bei 2× und 4× verwendet werden konnte und die schnelle Geschwindigkeit von 4x 1 Gbit/s erreichen konnte. Technisch gesehen ist AGP kein echter Busstandard, da er nur ein Gerät, nämlich eine Grafikkarte, verbinden kann.

 

Was die Anwendung in Servern betrifft, entwickeln einige Hersteller und Zulieferer, darunter IBM, HP und Compaq, gemeinsam die PCI-X-Standards und erhielten 1998 die Genehmigung. Die Spezifikation 64bit 133Mhz spezifizierte, dass die PCI eine maximale Bandbreite von 1 GB/s unterstützt jede Richtung.

 

Spezifikation PCI-X 2.0 und PCI-X 3.0 haben die Taktrate von 266 MHz über 533 MHz auf sogar 1 GMhz aktualisiert. Doch zu diesem Zeitpunkt gab es auch einige Probleme für PCI-X. Einerseits trat das Übersprechen paralleler Signale aufgrund der Erhöhung der Taktrate auf, andererseits kam es zu Ressourcenkonflikten, die durch den gemeinsam genutzten Bus verursacht wurden. Kurz gesagt, obwohl die Spezifikationen aktualisiert werden, kann der tatsächliche Effekt diese Indikatoren möglicherweise nicht erfüllen.

∆ PCIe-Netzwerkschnittstellenkarte

 

Daraufhin kündigte Intel auf der Intel Spring IDF Conference im Jahr 2001 offiziell seine I/O-Technologie der dritten Generation als Ersatz für den PCI-Bus an. Dieser Standard wurde von der von Intel unterstützten AWG (Arapahoe Working Group) entwickelt und als 3rd Generation I/O, auch 3GIO, bezeichnet.

Offensichtlich hat Intel darauf hingewiesen, dass es für die I/O-Schnittstellenspezifikation der nächsten Generation steht und erst PCI-Express genannt wurde, als es bei der PCI-SIG (PCI Special Interest Group) eingereicht und genehmigt wurde.

 

4. Gemeinsame PCIe-Steckplätze

Gemäß den von PCI-SIG bereitgestellten Spezifikationen gibt es 7 Versionen der PCI-E-Steckplätze x1, x2, x4, x8, x12, x16 und x32, entsprechend 1/2/4/8/12/16/32 Kanälen , von denen PCI-E x32 aufgrund von Volumenproblemen nur zu besonderen Anlässen verwendet wird und die entsprechenden Massenproduktionsprodukte nahezu Null sind; PCI-E x12 wird hauptsächlich in den Servern eingesetzt; Während PCI-E x2 hauptsächlich für interne Schnittstellen und nicht für Erweiterungssteckplätze verwendet wird, obwohl einige Motherboards diese Schnittstelle bieten, erscheint PCI-E x2 grundsätzlich auch in Form einer M.2-Schnittstelle und nicht in Form eines PCI-E-Steckplatzes . Physische PCI-Express-Verbindungen können genauer gesagt 1 bis 16 Lanes enthalten „PCIe x8“-Verbindungen verfügen über acht Datenspuren. Daher sind die aktuellen Mainstream-PCI-E-Steckplätze auf Motherboards im Wesentlichen auf vier PCI-E x1/x4/x8/x16 konzentriert.

 

5. Vorteile von PCI-E

PCI-e würde PCI und AGP insgesamt ersetzen und einen einheitlichen Status als Hochgeschwindigkeitsstandard für serielle Computererweiterungsbusse erreichen. Eine seiner vorteilhaften Eigenschaften ist die Fähigkeit, eine große Datenrate zu übertragen, die derzeit mehr als 10 GB/s erreichen kann, und es wird erwartet, dass sie sich auf ein neues Übertragungsgeschwindigkeitsniveau entwickeln wird. Außerdem gibt es eine Vielzahl von Spezifikationen für PCI Express, von PCI Express 1X bis PCI Express 16X, die den Anforderungen von Geräten mit niedriger Geschwindigkeit und Geräten mit hoher Geschwindigkeit gerecht werden können, die in einem bestimmten Zeitraum in der Zukunft auf den Markt kommen werden.

 

Δ Übersicht über gängige PCIe x1-, x4-, x8- und x16-Steckplätze

PCI-Express-Geräte (im Folgenden als PCI-E bezeichnet) kommunizieren über eine logische Verbindung, die als Interconnect bezeichnet wird oder verlinken. Ein Link ist ein Punkt-zu-Punkt-Kommunikationskanal zwischen zwei PCI-Express-Ports. Im Vergleich zur gemeinsam genutzten parallelen Busarchitektur von PCI und früheren Computerbussen verfügt jedes PCI-E-Gerät über eine eigene dedizierte Verbindung und muss nicht Bandbreite vom gesamten Bus anfordern. 

 

Darüber hinaus kann die Datenübertragungsrate auf eine sehr hohe Frequenz erhöht und eine hohe Bandbreite erreicht werden, die ein PCI-Gerät nicht erreichen kann. Durch den Vertrag mit dem herkömmlichen PCI-Bus, der nur eine Signalübertragung in eine Richtung über einen einzigen Zeitraum erreichen kann, kann die Dual-Simplex-Verbindung von PCI-E eine höhere Übertragungsrate und -qualität bieten. Der Unterschied zwischen ihnen ähnelt dem von Halbduplex und Vollduplex.

 

6 . Was sind die Standard-PCIe-Größen?

Die PCI-E-Schnittstelle variiert je nach Busbitbreite, einschließlich X1, X4, X8 und X16, und der X2-Modus wird anstelle des Steckplatzmodus für die interne Schnittstelle verwendet. Die PCI-E-Spezifikation reicht von 1-Kanal-Verbindung bis 32-Kanal-Verbindung, die eine sehr starke Skalierbarkeit aufweist, um die Anforderungen der verschiedenen Systemgeräte an die Datenübertragungsbandbreite zu erfüllen. Außerdem kann die kürzere PCI-E-Karte in einer Anwendung in den längeren PCI-E-Steckplatz eingesetzt werden, und die PCI-E-Schnittstelle kann auch Hot-Plug-fähig sein, was als Meilenstein in der Branche gilt.

 

Der PCI-Express-Standard definiert Verbindungsbreiten von ×1 (250 MB/s), ×2, ×4, ×8, ×12, ×16 und ×32. Aber nach dem aktuellen Stand von PCI-E, PCI-E x1 und PCI-E x 16 sind zwei Mainstream-Spezifikationen. Gleichzeitig haben viele Chipsatzhersteller PCI-E X1 in die Liste der South Bridge-Chips und PCI-E X16 in die Liste der North Bridge-Chips aufgenommen. Abgesehen von seiner hohen Datenübertragungsrate kann jeder physische Fußabdruck von PCI-E-Anschlüssen mehr Bandbreite erreichen als die herkömmliche E/A-Spezifikation, da PCI-E Daten über Datenpakete der seriellen Schnittstelle überträgt. Somit können die Produktionskosten gesenkt und die Größe von PCI-E-Geräten minimiert werden. Darüber hinaus unterstützt PCI-E auch erweitertes Energiemanagement, Hot-Swapping, synchrone Datenübertragung und Bandbreitenoptimierung für vorrangige Datenübertragung.

 

7. Verschiedene Versionen für PCI-E Spec

 

● PCI Express 1.0

Im Jahr 2003 führte PCI-SIG PCIe 1.0a mit einer Datenrate pro Lane von 250 MB/s und einer Übertragungsrate von 2.5 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s) ein. Da jedes Byte aus 10 Bits besteht (1 Startbit, 8 Datenbits und 1 Endbit), beträgt die Übertragungsrate 2.5 G/10 = 250 MB/s (250 Megabyte pro Sekunde). Daraus lässt sich berechnen, dass die unidirektionale Übertragungsrate von PCI-E 16X 250 MB/S*16=4 GB/S und die bidirektionale Übertragungsrate 8 GB/S beträgt.

 

● PCI Express 2.0

PCI-SIG gab am 2.0. Januar 15 die Verfügbarkeit der PCI Express Base 2007-Spezifikation bekannt. PCI-E 1X (2.0-Standard) spezifizierte eine 5G-Baudrate in eine Richtung für die Übertragung. Da jedes Byte aus 10 Bits besteht (1 Startbit, 8 Datenbits und 1 Endbit), beträgt die unidirektionale Übertragungsrate 5G/10 = 500 MB/s (500 Megabyte pro Sekunde). Daraus kann geschlossen werden, dass die unidirektionale Übertragungsrate von PCI-E 16X (2.0-Standard) 500 MB/s * 16 = 8 GB/s beträgt, die bidirektionale Übertragungsrate 16 GB/s beträgt und die Schiffsgeschwindigkeitsrate von PCI-E beträgt 32X (2.0-Standard) beträgt 32 GB/S.

 

● PCI E 3.0 

Im August 2007 gab PCI-SIG bekannt, dass PCI Express 3.0 eine Bitrate von 8 Giga-Transfers pro Sekunde (GT/s) ermöglichen wird. PCI-E 1X (3.0-Standard) verwendet eine unidirektionale 10G-Baudrate für die Übertragung. Da jedes Byte aus 10 Bits besteht (1 Startbit, 8 Datenbits und 1 Endbit), beträgt die unidirektionale Übertragungsrate 10G/10=1000 MB/S (1000 Megabyte pro Sekunde). Daraus können wir schließen, dass die Übertragungsrate in eine Richtung von PCI-E X16 (3.0-Standard) ist bis zu 1000 GB/S.

∆ Verschiedene PCIe-Spezifikationen: Von PCI bis PCIe 6.0

● PCI-E 4.0

PCI-SIG kündigte am 4.0. November 29 vorläufig PCI Express 2011 an, das eine Bitrate von 16 GT/s bietet, was die bereitgestellte Bandbreite verdoppelt PCI Express 3.0. Daher kann die Rate der bidirektionalen 16-Kanal-Übertragung theoretisch 512 Gbit/s, also 64 GB/s, erreichen. Darüber hinaus optimiert der PCI-E 4.0-Standard Speichergeräte mit PCI-E-Schnittstellen, wie z. B. PCI-E-Festplattenlaufwerke (HDD) und PCI-E-RAID-Karten, um die Vorteile der niedrigen Latenz von PCI-E zu nutzen Bus.

 

Mit den PCI E 4.0-Spezifikationen wurde auch OCuLink-2 eingeführt, eine von Intel geförderte Alternative zu Thunderbolt. PCI-E OCuLink wurde auf Basis von PCI-E 3.0 entwickelt und verwendet Kupferkabel als Verbindungsmedium und bietet eine minimale Verbindungsrate von 8 Gbit/s (PCI-E 3.0 x1) und maximal 32 Gbit/s (PCI-E 3.0). x4).

 

● PCI-E 5.0

Als PCIe 5.0 die Signalrate auf 32 GT/s erhöhte, hatte die Signalrate des Ethernet-Geräts 56 Gbit/s erreicht und bewegte sich in Richtung 112 Gbit/s. In Bezug auf die Datenübertragungsrate können die Messgeräte heutzutage die Messanforderungen für PCIe 5.0-Datensignale vollständig erfüllen. Tatsächlich wird das PCIe 5.0-Signal durch NRZ moduliert, während das 56-Gbit/s-Ethernet-Signal durch die PAM4-Technik und die Grundfrequenz moduliert wird.

 

8. Verbindungsgeschwindigkeiten und Bandbreitenfunktionen für gängige PCIe-Steckplätze

Die folgende Tabelle zeigt die Datenübertragungsrate unter verschiedenen Standards und unterschiedlichen Bitbreiten.

Δ PCI Express VVersionen und Bund Breiten 

 

Die folgende Abbildung zeigt die Einwegbandbreite/Datenübertragungsrate, die in verschiedenen PCIe-Spezifikationsversionen angegeben ist.

Δ Bandbreiten von x1, x4, x8, x16  PCIe-Steckplätze

 

Aus der Tabelle und der Abbildung lässt sich schließen, dass PCIe seine Bandbreite alle 3 Jahre verdoppelt.

Δ Entwicklung und Vorhersage der tatsächlichen PCIe- und I/O-Bandbreite 

 

Fazit

PCI Express wird in Verbraucher-, Server- und Industrieanwendungen als Verbindung auf Motherboard-Ebene eingesetzt (um auf dem Motherboard montierte Peripheriegeräte zu verbinden). PCIe hat sich von PCI aus dem Jahr 1992 zum aktuellen PCIe 5.0 entwickelt. Derzeit ist der PCI-E-Steckplatz der Haupterweiterungssteckplatz auf dem Motherboard. Neben der Anwendung in Grafikkarten können PCI-E-Steckplätze auch in Hardware wie unabhängigen Soundkarten, unabhängigen Netzwerkkarten, USB 3.0/3.1-Schnittstellenerweiterungskarten und SSDs verwendet werden.