PCI-E: 8 вещей, которые нужно знать заранее

1. Что такое PCI Express и для чего он нужен?

Согласно определению Википедии, PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), официально сокращенно PCIe или PCI-e, — это высокоскоростной стандарт последовательной шины расширения компьютера, разработанный для замены старых стандартов шин PCI, PCI-X и AGP. Как одна из высокоскоростных шин в компьютерах, PCI-E — это не только канал передачи данных, но и сетевой интерфейс материнской платы. Последний представляет собой длинную часть слота на панели управления.

 

PCIe является наиболее важной шиной в серверной системе, поскольку сигналы передаются через PCIe, что позволяет ЦП осуществлять связь с различными внешними устройствами. Если сравнить каждый бит данных с маленькой машиной, то шина PCIe похожа на двустороннюю полосу. Но спецификация PCIe имеет собственное ограничение скорости, которое указывает на то, что чем больше существующих линий, тем выше будет скорость, т. е. будет больше передаваемого трафика данных.

 

2. Текущее состояние и будущее PCI-E

На данный момент выпущен проект базовой спецификации PCIe 6.0 версии 0.5, а стандарт PCIe 6.0 завершил интерпретацию версии 0.5, официальный запуск которой ожидается в 2021 году. Однако спецификация PCIe 6.0 CEM все еще находится на рассмотрении PCI-SIG.  

∆ Синяя дорожка выделяет шину PCIe 

Между тем, процессор PCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP, поддерживаемый Intel, должен быть выпущен в конце этого года, а процессор AMD EPYC с поддержкой PCIe 4.0, а также многочисленные процессоры ARM постепенно поступают в продажу. В результате PCIe 4.0 станет основным на рынке в 2021 году, что побудит производителей и поставщиков кабелей задуматься о том, куда идут кабели PCI-E.

 

3. PCIe против PCI: Эволюция и распространение PCIe Gen

PCI родился в 1992 году с пропускной способностью шины PCI 133 МБ / с. После этого Intel подняла бит состояния шины до 64 по запросу передачи в серверной области. Таким образом, были созданы 2 новые шины PCI с тактовой частотой 64 бит / 33 МГц и 64 бит / 66 МГц со скоростью передачи данных 266 Мбит / с и 533 Мбит / с соответственно.

 

Что касается видеокарт, Intel индивидуально разработала AGP (Accelerated Graphics Port) и в 1.0 году выпустила «спецификацию AGP 1997» с 32-битной шиной, работающей на частоте 66 МГц и пропускной способностью 266 Мбит / с. Последующая спецификация AGP 2.0 задокументировала передачу сигналов 1.5 В, которую можно было использовать при 2х и 4х, а скорость голода при 4х могла достигать 1 Гбит / с. Технически говоря, AGP не является настоящим стандартом шины, так как к нему можно подключать только одно устройство, то есть видеокарту.

 

Что касается приложений в серверах, несколько производителей и поставщиков, включая IBM, HP и Compaq, совместно разрабатывают стандарты PCI-X и получили одобрение в 1998 году. В спецификации 64 бит 133 МГц указано, что PCI поддерживает максимальную пропускную способность 1 ГБ / с в каждое направление.

 

Спецификации PCI-X 2.0 и PCI-X 3.0 обновили тактовую частоту с 266 МГц, через 533 МГц до даже 1 ГГц. Но к тому времени возникли проблемы и с PCI-X. С одной стороны, перекрестные помехи параллельного сигнала возникли из-за увеличения тактовой частоты, с другой стороны, возникла конкуренция за ресурсы, вызванная общей шиной. Короче говоря, хотя спецификации обновляются, фактический эффект может не соответствовать этим показателям.

∆ Карта сетевого интерфейса PCIe

 

Вслед за этим на весенней конференции Intel IDF в 2001 году компания Intel официально анонсировала свою технологию ввода-вывода третьего поколения, призванную заменить шину PCI. Этот стандарт был разработан рабочей группой AWG (Arapahoe Working Group) при поддержке Intel и получил название 3rd Generation I/O, также 3GIO.

Очевидно, Intel указала, что это означает спецификацию интерфейса ввода-вывода следующего поколения и не называлась PCI-Express, пока она не была представлена ​​в PCI-SIG (Специальная группа по интересам PCI) и не получила одобрение.

 

4. Общие слоты PCIe

Согласно спецификациям, предоставленным PCI-SIG, существует 7 версий слотов PCI-E x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32, соответствующих 1/2/4/8/12/16/32 каналам. , из которых PCI -E x32 используется только в некоторых особых случаях из-за проблем с объемом, а соответствующие продукты массового производства почти равны нулю; PCI-E x12 в основном применяется в серверах; хотя PCI-E x2 в основном используется для внутренних интерфейсов, а не для слотов расширения, даже если некоторые материнские платы предоставляют этот интерфейс, его PCI-E x2 также в основном появляется в форме интерфейса M.2, а не в форме слота PCI-E. . Физические каналы PCI Express могут содержать от 1 до 16 полос, точнее Соединения «PCIe x8» имеют восемь линий передачи данных.. Таким образом, текущие основные слоты PCI-E на материнских платах в основном сконцентрированы в четырех PCI-E x1 / x4 / x8 / x16.

 

5. Преимущества PCI-E

PCI-e заменит PCI и AGP в целом и достигнет единого статуса стандарта высокоскоростной последовательной шины расширения компьютеров. Одной из его выгодных особенностей является возможность передачи большой скорости передачи данных, которая в настоящее время может достигать более 10 ГБ / с, и ожидается, что она выйдет на новый уровень скорости передачи. Кроме того, существует множество спецификаций для PCI Express от PCI Express 1X до PCI Express 16X, которые могут удовлетворить потребности низкоскоростных устройств и высокоскоростных устройств, которые появятся в определенный период времени в будущем.

 

Δ Обзор общих слотов PCIe x1, x4, x8, x16

Устройства PCI Express (в дальнейшем именуемые PCI-E) обмениваются данными через логическое соединение, называемое межсоединением. или ссылку. Канал связи - это канал связи точка-точка между двумя портами PCI Express.. По сравнению с архитектурой общей параллельной шины PCI и более ранних компьютерных шин, каждое устройство PCI-E имеет собственное выделенное соединение и не требует запрашивать пропускную способность у всей шины. 

 

Кроме того, он может увеличить скорость передачи данных до очень высокой частоты и достичь высокой пропускной способности, недоступной для устройств PCI. По контракту с традиционной шиной PCI, которая может обеспечить передачу сигнала только в одном направлении за один период времени, двойное симплексное соединение PCI-E может обеспечить более высокую скорость и качество передачи. Разница между ними аналогична полудуплексной и полнодуплексной.

 

6 . Каковы стандартные размеры PCIe?

Интерфейс PCI-E зависит от разрядности шины, включая X1, X4, X8 и X16, а режим X2 будет использоваться для внутреннего интерфейса вместо режима слота. Спецификация PCI-E варьируется от 1-канального соединения до 32-канального соединения, что обеспечивает очень хорошую масштабируемость для удовлетворения требований различных системных устройств к пропускной способности передачи данных. Кроме того, более короткая карта PCI-E может быть вставлена ​​в более длинный слот PCI-E в приложении, а интерфейс PCI-E также может поддерживать горячую замену, что считается важной вехой в отрасли.

 

Стандарт PCI Express определяет ширину канала × 1 (250 МБ / с), × 2, × 4, × 8, × 12, × 16 и × 32. Но в соответствии с текущим статусом PCI-E, PCI-E x1 и PCI-E x 16 — две основные спецификации. В то же время многие производители чипсетов добавили PCI-E X1 в список микросхем южного моста, а PCI-E X16 — в микросхему северного моста. Помимо высокой скорости передачи данных, каждый физический след разъемов PCI-E может обеспечить большую пропускную способность, чем обычная спецификация ввода-вывода, поскольку PCI-E передает данные через пакеты данных последовательного порта. Таким образом, это может снизить стоимость производства и минимизировать размер устройств PCI-E. Кроме того, PCI-E также поддерживает расширенное управление питанием, горячую замену, синхронную передачу данных и оптимизацию полосы пропускания для приоритетной передачи данных.

 

7. Различные версии для спецификации PCI-E

 

● PCI Express 1.0

В 2003 году PCI-SIG представила PCIe 1.0a со скоростью передачи данных в каждой полосе 250 МБ / с и скоростью передачи 2.5 гигабайта в секунду (GT / s). Поскольку каждый байт составляет 10 бит (1 начальный бит, 8 бит данных и 1 конечный бит), скорость передачи составляет 2.5 ГБ / 10 = 250 МБ / с (250 мегабайт в секунду). Таким образом, можно рассчитать, что скорость однонаправленной передачи PCI-E 16X составляет 250 МБ / с * 16 = 4 ГБ / с, а скорость двунаправленной передачи составляет 8 ГБ / с.

 

● PCI Express 2.0

PCI-SIG объявила о доступности спецификации PCI Express Base 2.0 15 января 2007 года. PCI-E 1X (стандарт 2.0) определяет одностороннюю скорость передачи данных 5G. Поскольку каждый байт составляет 10 бит (1 начальный бит, 8 бит данных и 1 конечный бит), скорость однонаправленной передачи составляет 5G / 10 = 500 МБ / с (500 мегабайт в секунду). Таким образом, можно сделать вывод, что скорость однонаправленной передачи PCI-E 16X (стандарт 2.0) составляет 500 МБ / с * 16 = 8 ГБ / с, скорость двунаправленной передачи составляет 16 ГБ / с, а скорость передачи данных PCI-E 32X (стандарт 2.0) - 32 ГБ / с.

 

● PCI Е 3.0 

В августе 2007 года PCI-SIG объявил, что PCI Express 3.0 будет передавать данные со скоростью 8 гигабайт в секунду (GT / s). PCI-E 1X (стандарт 3.0) использует для передачи однонаправленную скорость передачи 10 Гбит / с. Поскольку каждый байт составляет 10 бит (1 начальный бит, 8 бит данных и 1 конечный бит), скорость однонаправленной передачи составляет 10 Гбит / с / 10 = 1000 МБ / с (1000 мегабайт в секунду). Следовательно, мы можем сделать вывод, что скорость односторонней передачи PCI-E X16 (стандарт 3.0) составляет 1000 МБ / с * 16 = 16 ГБ / с, а скорость двунаправленной передачи составляет 32 ГБ / с, скорость двунаправленной передачи PCI-E X32 (стандарт 3.0) - до 64 ГБ / с.

∆ Различные спецификации PCIe: от PCI до PCIe 6.0

● PCI-E 4.0

PCI-SIG предварительно анонсировал PCI Express 4.0 29 ноября 2011 года, обеспечивая скорость передачи данных 16 ГТ / с, что удваивает пропускную способность, обеспечиваемую PCI Express 3.0. Следовательно, скорость 16-канальной двунаправленной передачи теоретически может достигать 512 ГБ / с, то есть 64 ГБ / с. Кроме того, стандарт PCI-E 4.0 оптимизирует устройства хранения с интерфейсами PCI-E, такие как жесткие диски (HDD) PCI-E и карты RAID PCI-E, чтобы извлечь выгоду из преимуществ низкой задержки PCI-E. автобус.

 

Спецификации PCI E 4.0 также представили OCuLink-2, альтернативу Thunderbolt, продвигаемую Intel. PCI-E OCuLink разработан на основе PCI-E 3.0 и будет использовать медные кабели в качестве среды подключения, обеспечивая минимальную скорость соединения 8 Гбит / с (PCI-E 3.0 x1) и максимальную 32 Гбит / с (PCI-E 3.0 х4).

 

● PCI-E 5.0

Поскольку PCIe 5.0 увеличил скорость передачи данных до 32 Гбит/с, скорость передачи данных Ethernet-устройства достигла 56 Гбит/с и приближалась к 112 Гбит/с. С точки зрения скорости передачи данных измерительное оборудование в настоящее время может полностью удовлетворить потребности измерения сигнала данных PCIe 5.0. Фактически, сигнал PCIe 5.0 модулируется NRZ, а сигнал Ethernet 56 Гбит/с — методом PAM4 и основной частотой.

 

8. Скорость соединения и пропускная способность для общих слотов PCIe

В следующей таблице показана скорость передачи данных в соответствии с различными стандартами и разной разрядностью.

Δ PCI Express Vэрсии и Bи ширина 

 

На рисунке ниже показана односторонняя пропускная способность / скорость передачи данных, указанная в различных версиях спецификаций PCIe.

Δ Пропускная способность x1, x4, x8, x16  Слоты PCIe

 

Из таблицы и рисунка можно сделать вывод, что PCIe удваивает пропускную способность каждые 3 года.

Δ Разработка и прогнозирование фактической пропускной способности и пропускной способности ввода-вывода PCIe 

 

Заключение

PCI Express работает в потребительских, серверных и промышленных приложениях как межсоединение на уровне материнской платы (для соединения периферийных устройств, установленных на материнской плате). PCIe эволюционировал от PCI, созданного в 1992 году, до нынешнего PCIe 5.0. В настоящее время слот PCI-E стал основным слотом расширения на материнской плате. Помимо применения в графических картах, слоты PCI-E также могут использоваться в оборудовании, таком как независимые звуковые карты, независимые сетевые карты, карты расширения интерфейса USB 3.0/3.1 и твердотельные накопители.