PCI Express
PCI ExpressабоPCIeабоPCI-E,(також знана як 3GIO for 3rd Generation I/O; не плутати зPCI-XабоPXI) —комп'ютерна шина,що використовує програмну модель шини PCI і високопродуктивний фізичний протокол, заснований на послідовній передачі даних.[1]
Започаткована у липні 2002 року компанією Intel.
Розвитком стандарту PCI Express займається організаціяPCI Special Interest Group (PCI-SIG)[Архівовано6 липня 2008 уWayback Machine.].
На відміну від шиниPCI,що використала для передачі даних спільну шину, PCI Express, в загальному випадку, є пакетною мережею з топологією типузірка,пристрої PCI Express взаємодіють між собою через середовище, утворенекомутаторами,при цьому кожен пристрій безпосередньо зв'язаний з'єднанням типу точка-точка з комутатором.
Крім того, шиною PCI Express підтримується:
- гаряча заміна карт;
- гарантована смуга пропускання (QoS);
- управління енергоспоживанням;
- контроль цілісності передаваних даних.
Розробку стандарту PCI Express почала фірмаAMDпісля відмови від шиниInfiniBand.Офіційно перша базова специфікація PCI Express з'явилася в липні 2002 року[1].
Шина PCI Express націлена на використання тільки як локальна шина. Оскільки програмна модель PCI Express багато в чому успадкована від PCI, то існуючі системи і контролери можуть бути допрацьовані для використання шини PCI Express заміною тільки фізичного рівня, без доопрацювання програмного забезпечення. Висока пікова продуктивність шини PCI Express дозволяє використовувати її замість шинAGPі тим більшеPCIіPCI-X,що призвело до заміни цих шин на PCI Express вперсональних комп'ютерах.
Для підключення пристрою PCI Express використовується двонаправлене послідовне з'єднання типу точка-точка, званеlane;це дуже відрізняється від PCI, в якій всі пристрої підключаються до спільної 32-розрядної паралельної однонаправленої шини.
З'єднання між двома пристроями PCI Express називаєтьсяlink,і складається з одного (званого 1x) або декількох (2x, 4x, 8x, 12x, 16x і 32x) двонаправлених послідовних з'єднаньlane.Кожен пристрій повинен підтримувати з'єднання 1x.
На електричному рівні кожне з'єднання використовує низьковольтну диференціальну передачу сигналу (LVDS)[1],прийом і передача інформації проводиться кожним пристроєм PCI Express по окремих двох провідниках, таким чином, у простому випадку, пристрій підключається до комутатора PCI Express всього чотирма провідниками.
Використання подібного підходу має такі переваги:
- карта PCI Express поміщається і коректно працює в будь-якому слоті тої або ж більшої пропускній спроможності (наприклад, карта x1 працюватиме в слотах x4 і x16);
- слот більшого фізичного розміру може використовувати не всіlane(наприклад, до слоту 16x можна підвести лінії передачі інформації, відповідні 1x або 8x, і все це нормально функціонуватиме; проте, при цьому необхідно підключити всі лінії «живлення» і «земля», необхідні для слота 16x).
В обох випадках, на шині PCI Express використовуватиме максимальну кількістьlane'івдоступних як для карти, так і для слоту. Проте це не дозволяє пристрою працювати в слоті, призначеному для карт з меншою пропускною спроможністю шини PCI Express (наприклад, карта x4 фізично не поміститься в слот x1, не зважаючи на те, що вона могла б працювати в слоті x1 з використанням тільки одного lane).
PCI Express пересилає всю керувальну інформацію, включно з перериваннями, через ті ж лінії, що використовуються дляпередавання даних.Послідовний протокол ніколи не може бути заблокований, таким чином затримки шини PCI Express цілком порівнянні з такими для шини PCI (відмітимо, що шина PCI для передавання сигналу про запит на переривання використовує окремі фізичні лінії IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).
У всіх високошвидкісних послідовних протоколах (наприклад,Gigabit Ethernet), інформація про синхронізацію повинна бути вбудована в передаваний сигнал. На фізичному рівні, PCI Express використовує загальноприйнятий метод кодування 8B/10B (8 бітів даних замінюються на 10 бітів, передаваних по каналу, таким чином 20 % передаваного по каналу трафіку є надмірними), що дозволяє підвищити стійкість до перешкод.
Деякі протоколи (наприклад, SONET/SDH) використовують інший метод перешкодозахисного кодування, який називається скремблінг (англ.scrambling) для вбудовування інформації про синхронізацію в потік даних. Специфікація PCI Express також передбачає алгоритм скремблінгу, але скремблінг PCI Express відрізняється від такого в SONET.
Пропускна здатність з'єднання lane становить 2,5 Гбіт/с.[1]Для розрахунку пропускної спроможності з'єднання шини (link) необхідно врахувати те, що в кожному з'єднанні передача дуплексна, а також врахувати застосування кодування 8B/10B (8 бітів в 10). Наприклад, дуплексна пропускна спроможність з'єднання 1x (P1x) становить:
- ГБ/сек
де
- 2,5 — пропускна спроможність одного lane, Гбіт/с;
- 2 — врахування того, що з'єднання 1x складається з двох lane;
- 0,8 — коефіцієнт, що враховує використання коду 8B/10B;
- 8 — коефіцієнт перерахунку Гбіт/с в ГБ/с.
Пропускна спроможність, з урахуванням двонаправленої передачі, для шин PCI Express з різною кількістю зв'язків вказана в таблиці:
| Версія інтерфейсу | 1x | 2x | 4x | 8x | 12x | 16x | 32x |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Пропускна здатність PCI Express 1.0, ГБ/c | 0,25 | 0,5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 8 |
| Пропускна здатність PCI Express 2.0, ГБ/c | 0,5 | 1 | 2 | 4 | 6 | 8 | 16 |
| Пропускна здатність PCI Express 3.0, ГБ/c | 1 | 2 | 4 | 8 | 12 | 16 | 32 |
| PCIe 4.0[2] | 2 | 4 | 8 | 16 | 24 | 32 | 64 |
| PCIe 5.0[3][4][5] | 4 | 8 | 16 | 32 | 48 | 64 | 128 |
| PCIe 6.0[6] | 8 | 16 | 32 | 64 | 96 | 128 | 256 |
| PCIe 7.0 | 16 | 32 | 64 | 128 | 192 | 256 | 512 |
Група PCI-SIG випустила специфікацію PCI Express 2.0[1]15 січня2007року.
Основні нововведення в PCI Express 2.0:
- Збільшена пропускна здатність — специфікація PCI Express 2.0 визначає максимальну пропускну здатність одного з'єднання lane як 5 Гбіт/с[1],при цьому збережена сумісність з PCI Express 1.1 таким чином, що плата розширення, що підтримує стандарт PCIE 1.1 може працювати, будучи встановленою в слот PCIe 2.0. Внесені вдосконалення в протокол передачі між пристроями і програмну модель.
- Динамічне управління швидкістю — для управління швидкістю роботи зв'язку.
- Сповіщення про пропускну здатність — для сповіщення ПЗ (операційної системи,драйверів пристроїв тощо) про зміни швидкості і ширину шини.
- Розширення структури можливостей — розширення керувальних регістрів для кращого управління пристроями, слотами і інтерконектом.
- Служби управління доступом — опціональні можливості управління транзакціями точка-точка.
- Управління таймаутом виконання
- Скидання[куди?]на рівні функцій — опціональний механізм для скидання функцій (маються на увазі PCI funcs) усередині пристрою (PCI device).
- Перевизначення межі за потужністю — для перевизначення ліміту потужності слоту при приєднанні пристроїв, які споживають більшу потужність.
7 лютого2007року PCI-SIG випустила специфікацію зовнішньої кабельної системи PCIe. Нова специфікація дозволяє використовувати кабелі завдовжки до 10 метрів, що працюють з пропускною спроможністю 2,5 Гбіт/с[1].
Затверджена у листопаді 2010 року, забезпечує пропускну здатність 8 Гбіт/с на одну лінію.
Специфікація опублікована у жовтні 2017 року й має пропускну здатність 16 Гбіт/с на одну лінію.
В травні 2019 року з'явилася фінальна версія стандарту PCI Express 5.0[5].Швидкість передачі даних по шині PCI Express без врахування дуплексу становить 32 GT/s.[7].Для 4-х ліній швидкість передачі даних становить 16 Гбайт/с, для 16-ти ліній — 64 Гбайт/с[5].
Фінальна специфікація стандарту PCI Express 6.0 планується до публікації в 2021 р. Очікувана швидкість передачі даних без врахування дуплексу - 32 Гбайт/с для 4-х ліній і 128 Гбайт/с для 16-ти ліній[6].
- Низькопрофільні карти
- Mini Card — заміна форм-фактора Mini PCI. На роз'єм Mini Card виведені шини: x1 PCIe, USB 2.0 і SMBus.
- ExpressCard — подібний до форм-фактораPCMCIA.На роз'єм Mini Card виведені шини x1 PCIe і USB 2.0, карти ExpressCard підтримують гаряче підключення.
- AdvancedTCA —форм-фактордля телекомунікаційного устаткування.
- Кабельні специфікації PCI Express дозволяють доводити довжину одного з'єднання до десятків, а то і сотень метрів, що робить можливим створення «розібраних» ЕОМ.
- Mobile PCI Express Module — промисловий форм-фактор, створений для ноутбуків фірмоюNVIDIA.
Окрім PCI Express існує ще ряд високошвидкісних стандартизованих послідовних інтерфейсів, ось деякі з них:HyperTransport,InfiniBand,RapidIO,StarFabric.Кожен інтерфейс має своїх прихильників серед промислових компаній, оскільки на розробку специфікацій протоколів вже пішли значні суми, і кожен консорціум прагне підкреслити переваги саме свого інтерфейсу.
Стандартизований високошвидкісний інтерфейс з одного боку повинен мати гнучкість і розширюваність, а з іншого боку має забезпечувати низький час затримки і невисокі накладні витрати (тобто частка службової інформації пакету не повинна бути велика). По суті, відмінності між інтерфейсами полягають саме у вибраному компромісі між цими двома суперечливими напрямами.
Наприклад, додаткова службова маршрутна інформація в пакеті дозволяє організувати складну і гнучку маршрутизацію пакету, але збільшує накладні витрати на обробку пакету, також знижується пропускна спроможність інтерфейсу, ускладнюється програмне забезпечення, яке ініціалізує і настроює пристрої, підключені до інтерфейсу. При необхідності забезпечення гарячого підключення пристроїв необхідне спеціальне програмне забезпечення, яке б відстежувало зміну топології мережі. Прикладами інтерфейсів, які пристосовані для цього є RapidIO, InfiniBand і StarFabric.
Водночас, укоротивши пакети можна зменшити затримку при передачі даних, що є важливою вимогою до інтерфейсу пам'яті. Але невеликий розмір пакетів приводить до того, що частка службових полів пакету збільшується, що знижує ефективну пропускну здатність інтерфейсу. Прикладом інтерфейсу такого типу є HyperTransport.
Положення PCI Express — PCI Express потрапляє десь посередині між описаними підходами, шина призначена для роботи як системне з'єднання (локальна шина), а не з'єднання процесор-пам'ять або у складній маршрутизованій мережі. Крім того, PCI Express від початку замислювалася як шина, логічно сумісна з шиною PCI, що також внесло свої обмеження.
- ↑абвгдежСлюсар В.И. PCI Express. Лицо стандарта.// Мир автоматизации. – 2006. - № 1. - C. 38 – 41.[1][Архівовано27 серпня 2018 уWayback Machine.]
- ↑Maximum PC | PCIe 4.0 to Double the Speed of PCIe 3.0.Архіворигіналуза 14 липня 2014.Процитовано 1 липня 2014.
- ↑Review Zone | PCI-SIG(англ.).pcisig. Архіворигіналуза 17 липня 2019.Процитовано 9 червня 2017.
- ↑PCIe 5.0 Arriving in 2019 With 4x More Bandwidth Than PCIe 3.0[Архівовано3 жовтня 2019 уWayback Machine.]/ Joel Hruska, June 9, 2017(англ.)
- ↑абвАндрей Шиллинг (30 травня 2019).PCI Express 5.0 - представлены финальные спецификации.«Hardwareluxx». Архіворигіналуза 28 червня 2019.Процитовано 28 червня 2019.
- ↑абСтандарт PCI Express 6.0 будет утверждён в 2021 году.Overclockers.ru. 19 червня 2019. Архіворигіналуза 19 червня 2019.Процитовано 28 червня 2019.
- ↑Hot Chips 2017: We'll See PCIe 4.0 This Year, PCIe 5.0 In 2019.Tom's Hardware(англ.).29 серпня 2017.Процитовано 18 січня 2018.
- PCI Special Interest Group[Архівовано26 квітня 2006 уWayback Machine.](англ.)
- PCI Express Specifications and White Papers[Архівовано2 березня 2008 уWayback Machine.](англ.)
- Creating a Third Generation I/O Interconnect (PDF)[Архівовано16 жовтня 2006 уWayback Machine.](англ.)(PDF)
- Intel Developer Network for PCI Express Architecture[Архівовано10 квітня 2008 уWayback Machine.](англ.)
- PCI Express пункт прибытия 2014 год[Архівовано2 березня 2008 уWayback Machine.](рос.)
- Maximum PC | PCIe 4.0 to Double the Speed of PCIe 3.0[Архівовано14 липня 2014 уWayback Machine.]
- Інтерфейс PCI-Express. Основні характеристики і зворотна сумісність[Архівовано14 липня 2014 уWayback Machine.]
 |