Шина pci express что это такое

Обновлено: 05.07.2024

Итак, господа, пришло время сменить шину, в течение 10 лет бывшую общепринятым индустриальным стандартом. PCI, первая версия стандарта которой была разработана еще в 1991 году, прожила долгую и счастливую жизнь, в различных своих ипостасях являясь основой для малых и крупных серверов, промышленных компьютеров, ноутбуков и графических решений (напомним, что AGP также ведет свою родословную от PCI и является специализированным и расширенным вариантом последней). Но, прежде чем рассказывать о новинке, подобьем исторических бабок, вспомнив как происходило развитие PCI. Ибо, не однократно было замечено, что, говоря о будущих перспективах, всегда полезно найти исторические аналогии: История PCI

В 1991 году Intel предлагает базовую версию (1.0) проекта стандарта шины PCI (Peripheral Component Interconnect Соединение Периферийных Компонент). PCI призвана заменить ISA (а позже и ее не очень удачную и дорогую серверную расширенную модификацию EISA). Кроме значительно возросшей пропускной способности, новую шину характеризует возможность динамической конфигурации выделяемых присоединенным устройствам ресурсов (прерываний).

Тактовая частота шины 33 МГц, используется синхронная передача данных;
Пиковая пропускная способность 133 МБ в секунду;
Параллельная шина данных шириною 32-бита;
Адресное пространство 32-бита (4 ГБ);
Сигнальный уровень 3,3 или 5 вольт.

PCI 2.2 допускается 64-бит ширина шины и/или тактовая частота 66 МГц, т.е. пиковая пропускная способность до 533 МБ/сек.;
PCI-X, 64-бит версия PCI 2.2 с увеличенной до 133 МГц частотой (пиковая пропускная полоса 1066 МБ/сек.);
PCI-X 266 (PCI-X DDR), DDR версия PCI-X (эффективная частота 266 МГц, реальная 133 МГц с передачей по обоим фронтам тактового сигнала, пиковая пропускная полоса 2.1 ГБ/сек);
PCI-X 533 (PCI-X QDR), QDR версия PCI-X (эффективная частота 533 МГц, пиковая пропускная полоса 4,3 ГБ/сек.);
Mini PCI PCI с разъемом в стиле SO-DIMM, применяется преимущественно для миниатюрных сетевых, модемных и прочих карточек в ноутбуках;
Compact PCI стандарт на форм фактор (модули вставляются с торца в шкаф с общей шиной на задней плоскости) и разъем, предназначенные в первую очередь для промышленных компьютеров и других критических применений;
Accelerated Graphics Port (AGP) высокоскоростная версия PCI оптимизированная для графических ускорителей. Отсутствует арбитраж шины (т.е. допустимо только одно устройство, за исключением последней, 3.0 версии стандарта AGP, где устройств и слотов может быть два). Передачи в сторону ускорителя оптимизированы, есть набор специальных дополнительных возможностей специфических для графики. Впервые данная шина появилась вместе с первыми системными наборами для процессора Pentium II. Существует три базовых версии протокола AGP, дополнительная спецификация на питание (AGP Pro) и 4 скорости передачи данных от 1х (266 МБ/сек) до 8х (2ГБ/сек), в том числе допустим сигнальные уровни 1,5, 1,0 и 0,8 вольт.

Упомянем также CARDBUS 32 разрядную версию шины для PCMCIA карт, с горячим подключением и некоторыми дополнительными возможностями, тем не менее, имеющую много общего с базовой версией PCI.

Создание специализированных модификаций (AGP);
Создание специализированных форм факторов (Mini PCI, Compact PCI, CARDBUS);
Увеличение разрядности;
Увеличение тактовой частоты и применение DDR/QDR схем передачи данных.

Все это вполне логично, учитывая огромный срок жизни подобного всеобщего стандарта. Причем, пункты 1 и 2 не ставят своей целью сохранение совместимости с базовыми PCI картами, а вот пункты 3 и 4 выполняются за счет увеличения оригинального PCI разъема, и допускают установку обычных 32х разрядных PCI карт. Справедливости ради, отметим, что в ходе эволюции шины случались и сознательные потери совместимости со старыми картами, даже для базового варианта разъема PCI например, в спецификации 2.3 исчезло упоминание о поддержке 5 вольт сигнального уровня и питающего напряжения. В результате, серверные платы снабженные этой модификацией шины могут пострадать при установке в них старых, пятивольтовых карт, хотя, с точки зрения геометрии разъема, эти карты к ним подходят.

Однако, как и любая другая технология (например, архитектуры процессорных ядер), шинная технология имеет свои разумные границы масштабирования, при приближении к которым увеличение пропускной полосы дается все большей и большей ценою. Возросшая тактовая частота требует более дорогостоящей разводки и накладывает существенные ограничения на длину сигнальных линий, увеличение разрядности или использование DDR решений также влечет за собою множество проблем, которые в итоге банально выливаются в рост стоимости. И если в серверном сегменте, решения подобные PCI-X 266/533 еще будут некоторое время экономически оправданными, то в потребительских PC мы их не увидели, и не увидим. Почему? Очевидно, что в идеале пропускная способность шин должна расти синхронно с ростом производительности процессора, при этом цена реализации должна не только сохраняться прежней, но и в идеале снижаться. На данный момент это возможно только при использовании новой шинной технологии. О них мы сегодня и поговорим: Эпоха последовательных шин

Выгодный перенос все большей части практической реализации шины на кремний, что облегчает отладку, повышает гибкость и сокращает время разработки;
Перспектива органично использовать в будущем иные носители сигнала, например оптические;
Экономия пространства (не бьющая по карману миниатюризация) и снижение сложности монтажа;
Проще реализовывать горячие подключения и динамическую конфигурацию в любом смысле;
Возможность выделять гарантированные и изохронные каналы;
Переход от разделяемых шин с арбитражем и непредсказуемыми прерываниями, неудобными для надежных/критических систем к более предсказуемым соединениям точка-точка;
Лучшая с точки зрения затрат и более гибкая с точки зрения топологии масштабируемость;
Этого еще не достаточно. ;-).

В будущем же следует ожидать перехода на беспроводные шины, технологии подобные UWB (Ultra Wide Band) однако, это дело не ближайшего года и даже не пяти лет.

Как уже неоднократно упоминалось новая шина последовательна, а не параллельна. Основные преимущества снижение стоимости, миниатюризация, лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии);
Спецификация разделена на целый стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен не сказываясь на остальных. Например может быть использован иной носитель сигнала или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства. Могут быть добавлены дополнительные контрольные возможности. Развитие такой шины будет происходить гораздо менее болезненно увеличение пропускной способности не потребует изменять контрольный протокол и наоборот. Быстро и удобно разрабатывать адаптированные варианты специального назначения;
В изначальной спецификации заложены возможности горячей замены карт;
В изначальной спецификации заложены возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service Качество Обслуживания);
В изначальной спецификации заложены возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
В изначальной спецификации заложены возможности управления питанием.

Самый простой вариант перехода на PCI-Express для стандартных по архитектуре настольных систем выглядит так:

Однако в будущем логично ожидать появление некоего разветвителя PCI Express. Тогда вполне оправданным станет и объединение северного южного мостов. Приведем примеры возможных системных топологий. Классический PC с двумя мостами:

Более обобщенная (серверная) архитектура с одним мостом:

Производительный сетевой раутер:

(мысленно отломайте верхнюю и заднюю части, и вы увидите так называемый низкопрофильный вариант). А вот типичная для PC сектора системная плата с тремя х1 и одним х8 (в том числе, для графических карт) разъемами:

Те же разъемы вблизи:

Как уже упоминалось, предусмотрен и стандартизирован Mini PCI Express слот:

И новый слот для внешних заменяемых карт, на подобии CARDBUS, на который вынесена не только PCI Express но и USB 2.0:

Интересно, что предусмотрено два форм фактора карт, но отличаются они не толщиной как ранее, а шириной:

Решение очень удобное во-первых делать двухэтажный монтаж внутри карты гораздо дороже и неудобнее нежели сделать карту с платой большей площади внутри, во-вторых, карта полной ширины получит в итоге вдвое большую пропускную полосу, т.е. второй разъем не будет простаивать без дела. С электрической или протокольной точки зрения шина NewCard не несет ничего нового, все необходимые для горячей замены или энергосбережения функции уже заложены в базовой спецификации PCI Express.PCI Express переход

Посмотрим! Есть подозрение, что ребеночек вышел удачный.
В добрый путь, PCI Express: отправление 2004, прибытие 2014.

Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельнуrю шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP. Несмотря на похожие наименования, шины PCI и PCI Express имеют мало общего. Протокол параллельной передачи данных, используемый в PCI, накладывает ограничения на ширину полосы пропускания и частоту работы шины; последовательная передача данных, примененная в PCI Express, обеспечивает возможность масштабирования (в спецификациях описываются реализации PCI Express 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x). На данный момент актуальной является версия шины с индексом 3.0

PCI-E 3.0

В ноябре 2010 года организация PCI-SIG, которая занимается стандартизацией технологии PCI Express, объявила о принятии спецификации PCIe Base 3.0.
Ключевым отличием от предыдущих двух версий PCIe можно считать измененную схему кодирования - теперь вместо 8 бит полезной информации из 10 бит переданной (8b/10b), по шине можно передать 128 бит полезной информации из 130 бит отправленной, т.е. коэффициент полезной нагрузки практически приблизился к 100%. Кроме того, увеличилась скорость передачи данных до 8 GT/s. Напомним, что это значение для PCIe 1.x составляло 2.5 GT/s, а для PCIe 2.x - 5 GT/s.
Все вышеперечисленные изменения привели к удвоению пропускной способности шины, по сравнению с шиной PCI-E 2.x. Это значит, что общая пропускная способность шины PCIe 3.0 в конфигурации 16x будет достигать 32 Гб/с. Первыми процессорами, которые были оснащены контроллером PCIe 3.0, стали процессоры Intel, созданные на основе микроархитектуры Ivy Bridge.

Несмотря на увеличившуюся более чем в три раза пропускную способность PCI-E 3.0 по сравнению с PCI-E 1.1, производительность одних и тех же видеокарт при использовании разных интерфейсов отличается не сильно. В таблице ниже представлены результаты тестов GeForce GTX 980 в разных тестах. Измерения проводились при одних графических настройках, в одной конфигурации Версия шины PCI-E изменялась в настройках BIOS.

Тест	PCI-E 1.1	PCI-E 2.0	PCI-E 3.0
3DMark 2013	11839 баллов	11950 баллов	12127 баллов
Thief 2014	54.7 FPS	57.5 FPS	59.6 FPS
BioShock Infinite	84.84 FPS	86.45 FPS	87.79 FPS

PCI Express 3.0 по-прежнему сохраняет обратную совместимость с предыдущими версиями PCIe.

PCI-E 2.0

В 2007 году была принята новая спецификация шины PCI Express - 2.0, главное отличие которой заключается в удвоенной пропускной способности каждой линии передачи в каждом направлении, т.е. в случае с самой популярной версии PCI-E 16x, применяемой в видеокартах, пропускная способность составляет 8Гб/cек в каждом направлении. Первым чипсетом с поддержкой PCI-E 2.0 стал Intel X38.

PCI-E 2.0 полностью обратно совместим с PCI-E 1.0, т.е. все существующие устройства с интерфейсом PCI-E 1.0 могут работать в слотах PCI-E 2.0 и наоборот.

PCI-E 1.1

Первая версия интерфейса PCI Express, появившаяся в 2002 году. Обеспечивала пропускную способность 500 МБ/с на одну линию.

Сравнение скорости работы различных поколений PCI-E

Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную способность 133 или 266 Мб/сек, но эта пропускная способность делится между всеми устройствами PCI. Частота, на которой работает шина PCI Express 1.1 - 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек (из-за избыточного кодирования для передачи 8 бит данных реально передается 10 бит информации) для каждого устройства PCI Express 1.1 x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCI Express является двунаправленной шиной.

PCI Express является популярной технологией в наши дни, и многие спрашивают, что это такое, для чего он нужен и почему так много суеты по поводу видеокарт, твердотельных накопителей и материнских плат, поддерживающих PCI Express 4.0. В этой статье мы собираемся ответить на эти вопросы. Мы также попытаемся пролить свет на то, что такое линии PCIe, какие типы слотов PCIe есть, и что нового в PCI Express 4.0. Если вам интересно узнать больше, читайте дальше

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.

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.

Широко ли доступна последняя версия PCI Express 4.0?

На данный момент PCI Express 4.0 является самой быстрой спецификацией, доступной для домашних компьютеров. Однако PCI Express 4.0 поддерживается только AMD на своих последних материнских платах, основанных на чипсете X570 в сочетании с процессорами AMD Ryzen третьего поколения. Если у вас их нет, нет смысла покупать видеокарты или твердотельные накопители, поддерживающие PCIe 4.0.

Говоря об этом, хотя уже есть много SSD, поддерживающих PCIe 4.0, единственными видеокартами, которые работают на PCIe 4.0, являются Radeon RX 5000 от AMD, такие как Radeon RX 5700 XT и Radeon RX 5700 . Intel пока не предлагает поддержку PCI Express 4.0 на любом своем оборудовании.

Как PCI Express 4.0 влияет на скорость вашей видеокарты?

Некоторые задают интересный вопрос: влияет ли более быстрая и новая спецификация PCI Express 4.0 на скорость видеокарты? Быстрый ответ — нет , это не так, и вы не получаете больше кадров в секунду! Вот почему:

Когда вы играете в игру, видеокарта использует выделенную память (GDDR) для хранения текстур, используемых для рендеринга кадров на экране. Помимо тактовой частоты графического процессора, эта графическая память является наиболее важной для того, сколько кадров вы получаете каждую секунду.

Графическая карта должна использовать интерфейс PCI Express, который соединяет ее с материнской платой только тогда, когда ей нужно обмениваться данными с процессором или загружать текстуры из системной памяти (ОЗУ компьютера). Это не должно случаться часто, поскольку современные видеокарты имеют много собственной оперативной памяти. И даже если / когда это произойдет, после того, как текстуры были переданы через интерфейс PCI Express из системного ОЗУ и загружены в память видеокарты, они остаются там. Причина в том, что графическая память во много раз быстрее системной памяти.

Ни одна из видеокарт, доступных сегодня, не нуждается в полной полосе пропускания, предлагаемой слотами PCI Express 4.0 x16. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашим анализом влияния PCI Express 4.0 по сравнению с PCI Express 3.0 на современные настольные компьютеры: PCI Express 4 по сравнению с PCIe 3: есть ли улучшение производительности?

Как насчет совместимости версий PCI Express?

Все версии PCI Express совместимы друг с другом. Например, видеокарта PCI Express 4.0 работает, даже если вы подключаете ее к материнской плате, которая поддерживает только PCI Express 3.0 или даже 2.0. Однако пропускная способность интерфейса PCI Express ограничена наименьшим фактором. Например, если вы подключаете SSD PCI Express 4.0 к материнской плате, которая поддерживает только PCI Express 3.0, этот SSD работает на PCIe 3.0. Вместо доступа к пропускной способности 7,88 ГБ / с он может использовать только 3,94 ГБ / с, поэтому его максимальная теоретическая скорость уменьшается вдвое.

У вас есть еще вопросы по PCI Express?

Теперь вы должны лучше понять, что такое PCI Express, и больше узнать о различных типах слотов PCIe, дорожках и версиях. У вас есть другие вопросы, на которые мы могли бы ответить? Если у вас есть, или если у вас есть, что добавить в эту статью, не стесняйтесь оставить комментарий ниже.

К счастью, когда речь заходит относительно интерфейса PCI-Express для подключения видеокарты, проблем с несовместимостью практически не будет. В данной статье мы это более подробно разберем, а также поговорим относительно того, что же такое этот самый PCI-Express.

Для чего необходим PCI-Express и что это такое?

Начнем, как обычно, с самых азов. Интерфейс PCI-Express (PCI-E) – это средство взаимодействия, в данном контексте, состоящее из контролера шины и соответствующего слота (рис.2) на материнской плате (если обобщить).

Рис.2 (Слоты PCI-Express 3.0 на материнской плате)

Основные характеристики PCI–Express (1.0, 2.0 и 3.0)

Ну, а в PCI, устройство подключается к общей 32- х разрядной параллельной шине.

Рис. 3. Пример слотов с различным количеством линий

(как уже говорилось ранее, наиболее часто используется х16)

Для интерфейса PCI-Express 1.0 пропускная способность составляет 2,5 Гбит/c. Эти данные нужны нам, чтобы отслеживать изменения этого параметра в различных версиях PCI-E.

Точно так же в 2010 году, с запасом, был разработан интерфейс PCI-E 3.0, на данный момент он используется во всех новых системах, но если у Вас все ещё 1.0 или 2.0, то не горюйте – ниже мы поговорим о относительно обратной совместимости различных версий.

В версии PCI-E 3.0, пропускная способность была увеличена в два раза по сравнению с версией 2.0. Также там было произведено немало технических изменений.

К 2015 году ожидается появление на свет PCI-E 4.0, что для динамической IT-индустрии абсолютно неудивительно.

Ну да ладно, будем заканчивать с этими версиями и цифрами пропускной способности, и затронем очень важный вопрос обратной совместимости различных версий PCI-Express.

Обратная совместимость версий PCI-Express 1.0, 2.0 и 3.0

Данный вопрос волнует многих, особенно при выборе видеокарты для текущей системы. Так как довольствуясь системой с материнской платой, которая поддерживает PCI-Express 1.0, возникают сомнения, будет ли корректно работать видеокарта с PCI-Express 2.0 или 3.0? Да, будет, по крайней мере так обещают разработчики, которые обеспечили эту самую совместимость. Единственное то, что видеокарта, не сможет полностью раскрыться во всей красе, но потери производительности, в большинстве случаев, будут незначительны.

С точностью наоборот, можно преспокойно устанавливать видеокарты с интерфейсом PCI-E 1.0, в материнские платы, которые поддерживают PCI-E 3.0 или 2.0, тут вообще ничего не ограничивается, так что будьте спокойны по поводу совместимости. Если, конечно же, с другими факторами все в порядке, к таковым можно отнести недостаточно мощный блок питания и т.д.

В общем, мы довольно подробно поговорили относительно PCI-Express, что позволит вам избавиться от множества неясностей и сомнений по поводу совместимости и понимания различий в версиях PCI-E.

Читайте также: