Интерфейс PCI в компьютере: виды и назначение. Фото. NVMe-накопители в разных режимах работы интерфейса PCI Express: практическое исследование масштабируемости интерфейса в задачах передачи данных

PCI — Express (PCIe , PCI — E ) – последовательная, универсальная шина впервые обнародованная 22 июля 2002 года.

Является общей , объединяющей шиной для всех узлов системной платы, в которой соседствуют все подключённые к ней устройства. Пришла на замену устаревающей шине PCI и её вариации AGP , по причине возросших требований к пропускной способности шины и невозможности за разумные средства улучшить скоростные показатели последних.

Шина выступает как коммутатор , просто направляя сигнал из одной точки в другую не изменяя его. Это позволяет без явных потерь скорости, с минимальными изменениями и ошибками передать и получить сигнал.

Данные по шине идут симплексно (полный дуплекс), то есть одновременно в обе стороны с одинаковой скоростью, причём сигнал по линиям, течёт непрерывно , даже при отключении устройства (как постоянный ток, или битовый сигнал из нулей).

Синхронизация построена избыточным методом. То есть вместо 8 бит информации, передаётся 10 бит , два из которых являются служебными (20% ) и в определённой последовательности служат маячками для синхронизации тактовых генераторов или выявления ошибок . Поэтому, заявленная скорость для одной линии в 2.5 Гбитс , на самом деле равна примерно 2.0 Гбитс реальных.

Питание каждого устройства по шине, подбирается отдельно и регулируется с помощью технологии ASPM (Active State Power Management ). Она позволяет при простое (без подачи сигнала) устройства занижать его тактовый генератор и переводить шину в режим пониженного энергопотребления . Если сигнал не поступал в течение нескольких микросекунд, устройство считается неактивным и переводится в режим ожидания (время зависит от типа устройства).

Скоростные характеристики в двух направлениях PCI — Express 1.0 :*

1 x PCI —E ~ 500 Мбс

4х PCI —E ~ 2 Гбс

8 x PCI —E ~ 4 Гбс

16х PCI —E ~ 8 Гбс

32х PCI-E ~ 16 Гбс

*Скорость передачи данных в одном направлении в 2 раза ниже данных показателей

15 января 2007 года, PCI —SIG выпустила обновлённую спецификацию именуемую PCI-Express 2.0

Основным улучшением стала в 2 раза увеличенная скорость передачи данных (5.0 Ггц , против 2.5Ггц в старой версии). Усовершенствованию подвергся также двухточечный протокол передачи данных (точка-точка), доработана программная составляющая и добавлена система программного мониторинга за скоростью шины. При этом сохранилась совместимость с версиями протокола PCI —E 1.х

В новой версии стандарта (PCI — Express 3.0 ), главным нововведением будет измененная система кодирования и синхронизации . Вместо 10 битной системы (8 бит информации, 2 бита служебных), будет применяться 130 битная (128 бит информации, 2 бита служебных). Это позволит снизить потери в скорости с 20% до ~1.5% . Будет также переработан алгоритм синхронизации передатчика и приёмника, улучшен PLL (phase-locked loop). Скорость передачи увеличится предположительно в 2 раза (в сравнении с PCI —E 2.0 ), при этом сохранится совместимость с прошлыми версиями PCI —Express .

Когда мы говорим о шине PCI Express(PCI-E), то, пожалуй, первое что выделяет ее среди других аналогичных решений – это эффективность. Благодаря этой современной шине, повышается производительность компьютера, улучшается качество графики.

На протяжении многих лет, для подключения видеокарты к материнской плате, использовалась шина PCI(Peripheral Component Interconnect), помимо этого она использовалась также и для подключения некоторых других устройств, например, сетевой и звуковой карты.

Вот как выглядят эти слоты:

PCI-Express фактически стало следующим поколением шины PCI, предложив улучшенную функциональность и производительность. Она, использует последовательное соединение, в котором имеется несколько линий, каждая из которых ведет к соответствующему устройству, т.е. каждое периферийное устройство получает свою собственную линию, благодаря чему возрастает общая производительность компьютера.

PCI-Express поддерживает «горячее» подключение, потребляет меньшее, чем ее предшественники количество энергии, контролирует целостность передаваемых данных. К тому же она совместима с драйверами PCI – шины. Еще одной замечательной особенностью данной шины, является ее масштабируемость, т.е. pci express card подключается и работает в любом слоте аналогичной или большей пропускной способности. По всей вероятности, эта функция будет обеспечивать ее использование в последующие годы.

Традиционный тип слота PCI был достаточно хорош для основных аудио/видео функций. С шиной AGP, схема работы с мультимедийными данными улучшилась, соответственно возросло и качество аудио/видео данных. Это было незадолго до того момента, когда достижения в области микроархитектуры процессоров стали еще нагляднее демонстрировать медлительность шины PCI, которая заставляла самые быстрые и новейшие на тот момент времени модели компьютеров буквально еле-еле тащиться.

Характеристики и пропускная способность шины PCI-E

Она может иметь от одной двунаправленной линии соединения x1, до x32 (32 линий). Линия функционирует по принципу точка к точке. Современные версии предоставляют гораздо большую пропускную способность, по сравнению со своими предшественниками. x16 можно использовать для подключения видеокарты, а x1 и x2 могут использоваться для подключения обычных карт.

Вот как выглядят слоты х1 и pci express x16 на :

PCI-E
Количество линий x1 x2 x4 x8 x16 x32
Ширина полосы 500 Мб /с 1000 МБ /с 2000 Мб /с 4000 МБ /с 8000 МБ / с 16000 Мб / с

Версии PCI-E и совместимость

Когда речь идет о компьютерах, то любое упоминание о версиях ассоциируется с проблемами совместимости. И, как любая другая современная технология, PCI-E постоянно развивается и модернизируется. Последний доступный вариант pci express 3.0, но уже ведется развитие шины PCI-E версии 4.0., которая должна появиться примерно в 2015 году(pci express 2.0 практически устарела).
Взгляните на следующую таблицу совместимости PCI-E.
Версии PCI-E 3,0 2,0 1,1
Общая пропускная способность
(X16) 32 Гб / с 16 Гб / с 8 Гб / с
Скорость передачи данных 8,0 ГТ / с 5,0 ГТ / с 2,5 ГТ / с

Версия PCI-E не имеет никакого влияния на функциональность карты. Наиболее отличительной чертой данного интерфейса является его прямая и обратная совместимость, что делает его безопасным и способным к синхронизации со многими вариантами карт, независимо от интерфейса версии. То есть вы можете в слот PCI-Express первой версии, вставить карту второй или третьей версии и она будет работать, хотя и с некоторой потерей производительности. Точно так же и в слот PCI-E третьей версии можно устанавливать карту первой версии PCI-Express. В настоящее время все современные модели видеокарт от NVIDIA и AMD совместимы с такой шиной.

А это на закуску:

И PCI-X представляют собой щелевые разъемы, имеющие контакты с шагом 0,05 дюйма. Слоты расположены несколько дальше от задней панели, чем ISA/EISA или MCA. Компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно совместно использует посадочное место адаптера (прорезь на задней стенке корпуса) с соседним ISA-слотом. Такой слот называют разделяемым (shared slot), в него может устанавливаться либо карта ISA, либо PCI.

Карты PCI могут предназначаться для интерфейсных сигналов уровня 5 В и 3,3 В, а также быть универсальными. Слоты PCI имеют уровни сигналов, соответствующие питанию микросхем PCI-устройств системной платы (включая главный мост): либо 5 В, либо 3,3 В. Во избежание ошибочного подключения слоты имеют ключи, определяющие номинал напряжения. Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и/или 50, 51:

• для слота на 5 В ключ (перегородка) расположен на месте контактов 50, 51 (ближе к передней стенке корпуса); такие слоты отменены в PCI 3.0;
• для слота на 3,3 В перегородка находится на месте контактов 12, 13 (ближе к задней стенке корпуса);
• на универсальных слотах перегородок нет;
• на краевых разъемах карт 5 В имеются ответные прорези только на месте контактов 50, 51; такие карты отменены в PCI 2.3;
• на картах 3,3 В прорези только на месте контактов 12, 13;
• на универсальных картах имеется оба ключа (две прорези).

Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. Карты и слоты различаются лишь питанием буферных схем, которое поступает с линий +V I/O:

• на слоте «5 В» на линии +V I/O подается + 5 В;
• на слоте «3,3 В» на линии +V I/O подается + (3,3–3,6) В;
• на карте «5 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание + 5 В;
• на карте «3,3 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание + (3,3– 3,6) В;
• на универсальной карте буферные микросхемы допускают оба варианта питания и будут нормально формировать и воспринимать сигналы по спецификациям 5 или 3,3 В, в зависимости от типа слота, в который установлена карта (то есть от напряжения на контактах + V I/O).

На слотах обоих типов присутствуют питающие напряжения + 3,3, + 5, + 12 и –12 В на одноименных линиях. В PCI 2.2 определена дополнительная линия 3.3Vaux - «дежурное» питание + 3,3 В для устройств, формирующих сигнал PME# при отключенном основном питании.

ПРИМЕЧАНИЕ!

Выше приведены положения из официальных спецификаций PCI. На современных системных платах пока чаще всего встречаются слоты, по ключу являющиеся 5вольтовыми. Однако при этом напряжение на линиях +V I/O и уровни сигналов интерфейса являются 3,3-вольтовыми. В этих слотах нормально работают все современные карты с 5-вольтовыми ключами - их интерфейсные схемы работают при питании как 3,3, так и 5 В. Интерфейс с 5-вольтовым питанием может работать только на частоте до 33 МГц. «Настоящие» 5-вольтовые системные платы были только для процессоров 486 и первых моделей Pentium.

Наибольшее распространение получили 32-битные слоты, заканчивающиеся контактами A62/B62. 64-битные слоты встречаются реже, они длиннее и заканчиваются контактами A94/B94. Конструкция разъемов и протокол позволяют устанавливать 64-битные карты как в 64-битные, так и в 32-битные разъемы, и наоборот, 34-битные карты как в 32-битные, так и в 64-битные разъемы. При этом разрядность обмена будет соответствовать слабейшему компоненту.

Для сигнализации об установке карты и потребляемой ею мощности на разъемах PCI предусмотрено два контакта - PRSNT1# и PRSNT2#, из которых хотя бы один соединяется на карте с шиной GND. С их помощью система может определить присутствие карты в слоте и ее энергопотребление. Кодирование потребляемой мощности приведено в таблице; здесь приведены значения и для малогабаритных карт Small PCI.

Карты и слоты PCI-X по механическим ключам соответствуют 3,3-вольтовым картам и слотам; напряжение питания + V I/O для PCI-X Mode 2 устанавливается 1,5 В.

На рисунке изображены карты PCI в конструктиве PC/AT-совместимых компьютеров. Полноразмерные карты (Long Card, 107×312 мм) используются редко, чаще применяются укороченные платы (Short Card, 107×175 мм), но многие карты имеют и меньшие размеры. Карта имеет обрамление (скобку), стандартное для конструктива ISA (раньше встречались карты и с обрамлением в стиле MCA IBM PS/2). У низкопрофильных карт (Low Profile) высота не превышает 64,4 мм; их скобки также имеют меньшую высоту. Такие карты могут устанавливаться вертикально в 19-дюймовые корпуса высотой 2U (около 9 см).

Назначение выводов разъема карт PCI/PCI-X приведено в таблице ниже.

Примечание!

1 - Сигнал M66EN определен в PCI 2.1 только для слотов на 3,3 В.
2 - Сигнал введен в PCI-X 2.0 (прежде был резерв).
3 - Сигнал введен в PCI 2.2 (прежде был резерв).
4 - Сигнал введен в PCI-X (в PCI - GND).
5 - Сигналы введены в PCI 2.3. В PCI 2.0 и 2.1 контакты A40 (SDONE#) и A41 (SBOFF#) использовались для слежения за кэшем; в PCI 2.2 они были освобождены (для совместимости на системной плате эти цепи подтягивались к высокому уровню резисторами 5 кОм).

На слотах PCI имеются контакты для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS и TRST#). На системной плате эти сигналы задействованы не всегда, но они могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров, к которой можно подключить внешнее тестовое оборудование. Для непрерывности цепочки на карте, не использующей JTAG, должна быть связь TDI–TDO.

На некоторых старых системных платах позади одного из слотов PCI встречается разъем Media Bus, на который выводятся сигналы ISA. Он предназначен для размещения на карте PCI звукового чипсета, предназначенного для шины ISA. Большинство сигналов PCI соединяются по чистой шинной топологии, то есть одноименные контакты слотов одной шины PCI электрически соединяются друг с другом. Из этого правила есть несколько исключений:

• сигналы REQ# и GNT# индивидуальны для каждого слота, они соединяют слот с арбитром (обычно - мостом, подключающим эту шину к вышестоящей);
• сигнал IDSEL для каждого слота соединяется (возможно, через резистор) с одной из линий AD, задавая номер устройства на шине;
• сигналы INTA#, INTB#, INTC#, INTD# циклически сдвигаются по контактам, обеспечивая распределение запросов прерываний;
• сигнал CLK заводится на каждый слот индивидуально от своего выхода буфера синхронизации; длина подводящих проводников выравнивается, обеспечивая синхронность сигнала на всех слотах (для 33 МГц допуск ± 2 нс, для 66 МГц - ± 1 нс).

PCI Express это шина, которая используется для подключения разнообразных комплектующих к настольному ПК. С ее помощью подключают видеокарты, сетевые карты, звуковые карты, WiFi модули и другие подобные устройства. Разработку данной шины начала компания Intel в 2002 году. Сейчас разработку новых версий данной шины занимается некоммерческая организация PCI Special Interest Group.

На данный момент шина PCI Express полностью заменила такие устаревшие шины как AGP, PCI и PCI-X. Шина PCI Express размещается в нижней части материнской платы в горизонтальном положении.

В чем отличия PCI Express от PCI

PCI Express это шина, которая была разработана на основе шины PCI. Основные отличия между PCI Express и PCI лежат на физическом уровне. В то время как PCI использует общую шину, в PCI Express используется топология типа звезда. Каждое PCI Express устройство подключается к общему коммутатору отдельным соединением.

Программная модель PCI Express во многом повторяет модель PCI. Поэтому большинство существующих CI контроллеров могут быть легко доработаны для использования шины PCI Express.

Кроме этого, шина PCI Express поддерживает такие новые возможности как:

• Горячее подключение устройств;
• Гарантированная скорость обмена данными;
• Управление потреблением энергии;
• Контроль целостности передаваемой информации;

Как работает шина PCI Express

Для подключения устройств шина PCI Express использует двунаправленное последовательное соединение. При этом такое соединение может иметь одну (x1) или несколько (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) отдельных линий. Чем больше таких линий используется, тем большую скорость передачи данных может обеспечить шина PCI Express. В зависимости от количества поддерживаемых линий размер сорта на материнской плате будет отличаться. Существуют слоты с одной (x1), четырьмя (x4) и шестнадцатью (x16) линиями.

Наглядная демонстрация размеров слота PCI Express и PCI

При этом любое PCI Express устройство может работать в любом слоте, если слот имеет такое же или большее количество линий. Это позволяет установить PCI Express карту с разъемом x1 в слот x16 на материнской плате.

Пропускная способность PCI Express зависит от количества линий и версии шины.

Если Вам нужна в выборе видеокарты или , звоните и мы поможем!

Когда речь заходит о каких-либо интерфейсах в контексте компьютерных систем, нужно быть очень внимательным, дабы не «нарваться» на несовместимые интерфейсы для одних и тех же комплектующих в рамках системы.

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).

Данный высокопроизводительный протокол используется, как уже было отмечено выше, для подключения видеокарты в систему. Соответственно, на материнской плате присутствует соответствующий слот PCI-Express, куда и устанавливается видеоадаптер. Ранее, видеокарты, подключались по интерфейсу AGP, но когда данного интерфейса, попросту говоря: «перестало хватать», на помощь пришёл PCI-E, о подробных характеристиках которого мы сейчас и поговорим.

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

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

Несмотря на то, что названия PCI и PCI-Express очень похожи, принципы соединения (взаимодействия) у них кардинально отличаются. В случае PCI-Express используется линия – двунаправленное последовательное соединение, типа «точка-точка», данных линий может быть несколько. В случае с видеокартами и материнскими платами (не учитываем Cross Fire и SLI), которые поддерживают PCI-Express x16 (то есть большинство), можно запросто догадаться, что таких линий 16 (рис.3), довольно часто на материнских платах с PCI-E 1.0, можно было наблюдать второй слот x8, для работы в режиме SLI или Cross Fire.

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

Далее, версия 1.0 эволюционировала в PCI-E 2.0 . В результате данного преображения, мы получили в два раза большую пропускную способность, то есть 5 Гбит/c, но хотелось бы отметить, что в производительности графические адаптеры, особо не выиграли, так как это просто версия интерфейса. Большая часть производительности зависит от самой видеокарты, версия интерфейса может только незначительно улучшать или тормозить передачу данных (в данном случае «торможения» нет, и присутствует неплохой запас).

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.