Pci express разрядность шины бит
Эмблема PCI Conventional
Вот уже более десяти лет PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, даже несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает (пока ещё) оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее она неуклонно сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express, о которой чуть ниже.
В далёком 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI – Peripheral Component Interconnect (дословно: взаимосвязь периферийных компонентов ). А в 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на неё продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.
Причины успеха PCI – это гораздо большая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключённых к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.
Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:
- частота шины – 33,33 МГц, передача синхронная
- разрядность шины – 32 бит
- пиковая пропускная способность – 133 Мбит/с
- адресное пространство памяти – 32 бит (4 Гбайт)
- адресное пространство портов ввода-вывода – 32 бит (4 Гбайт)
- количество подключаемых устройств – до четырёх (для увеличения их количества используется мост PCI-to-PCI)
- конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт
- напряжение 3,3 или 5 В
Вскоре PCI «взяли на вооружение» также платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и другие.
Ещё большее распространение получил стандарт 2.2.
- возможность одновременной работы нескольких устройств bus-master (так называемый конкурентный режим)
- появление универсальных карт расширения, способных работать как в слотах 5 В, так и в 3,3 В
- появились расширения PCI66 и PCI64 (ширина шины может быть увеличена до 64 бит, а также допускается разгон тактовой частоты до 66 МГц – вдвое по сравнению с PCI 2.0)
- сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный разъём и способны работать практически во всех более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах 2.1
Со времён анонса PCI 2.0 разработкой и продвижением стандарта занимается специальная организация – консорциум PCI-SIG (Special Interest Group), она же занимается продвижением PCI Express.
Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее распространённые из которых:
- AGP – разработана на базе PCI 2.1 и предназначена для использования с графическими адаптерами, характеризуется отсутствием арбитража интерфейса, то есть допускается подключение к этой шине только одного устройства, также устранена мультиплексированность
- PCI-X – ускоренная до 133 МГц (также выпускались варианты с 266 и 533 МГц) шина PCI 2.2 с обязательно 64-битной разрядностью интерфейса
- Compact-PCI – системная шина, широко используемая в промышленной автоматике. Электрически шина соответствует обычной PCI и обычно использует тот же набор микросхем, но физически разъём выполнен по-другому, что позволяет использовать «горячее» подключение плат
- mini-PCI – применяется в портативных компьютерах
- Card Bus (32-разрядная версия стандарта PCMCIA, допускающая «горячее» подключение)
Сводная таблица конструктивов карт и слотов в зависимости от версии стандарта
| Стандарт | Макс. Скорость, Мб/с | Тип слота | Тип карты |
|---|---|---|---|
| PCI 1.x-2.0 | 133 | 32 бит, 5 В | 32 бит, 5 В |
| PCI 2.1-2.3 33 MГц | 133 | 32 бит, 5 В | 32 бит, 5 В / универсальный |
| PCI 2.2-2.3 66 MГц | 266 | 32 бит, 3,3 В | 32 бит, 3,3 В / универсальный |
| PCI64 33 МГц (v 2.1) | 266 | 64 бит, 5 В | 64 бит, 5 В / универсальный |
| PCI64 33 МГц (v 2.2) | 266 | 64 бит, 3,3 В | 64 бит, 3,3 В / универсальный |
| PCI64 66 МГц | 533 | 64 бит, 3,3 В | 64 бит, 3,3 В / универсальный |
| PCI-X 1.0 | 1024 | 64 бит, 3,3 В | 64 бит, 3,3 В / универсальный |
| PCI-X 1.0 | 4096 | 64 бит, 3,3 В | 64 бит, 3,3 В |
Однако, как и многие параллельные шинные решения (те же Parallel ATA, SCSI), шина PCI в данное время находится на границе разумного масштабирования производительности, после которого «гонка частот и разрядности» приведёт к непозволительно высоким технологическим усложнениям и, соответственно, к затратам. Но на данный момент проблема эффективной масштабируемости и наращивания уже решена, ведь в компьютерной индустрии уже полным ходом идёт переезд с PCI на новую последовательную шину PCI-Express.
Различия топологий PCI и PCI-Express
PCI-Express
Разработка рабочей группой Arapahoe, основанной компаниями Compaq, Dell, IBM, Intel и Microsoft при участии организации PCI-SIG, нового межкомпонентного интерфейса была начата фирмой Intel еще тогда, когда только ожидался выход в свет AGP 3.0 (он же AGP 8х). Так, программную модель PCI планировали унаследовать и в новом интерфейсе, чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Сам же интерфейс должен был быть последовательным. Это означало, во-первых, однозначное подключение «точка-точка», исключающее арбитраж шины и перетасовку ресурсов (как частный случай – прерываний). Во-вторых, упрощалась схемотехника, разводка и монтаж. В-третьих, экономилось место.
Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.
Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.
Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane . Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.
| Число линий PCI Express lane count) | Пропускная способность соединения (link) в одном направлении | Суммарная пропускная способность соединения (link) |
|---|---|---|
| 1 | 250 Мбайт/с | 500 Мбайт/с |
| 2 | 500 Мбайт/с | 1 Гбайт/с |
| 4 | 1 Гбайт/с | 2 Гбайт/с |
| 8 | 2 Гбайт/с | 4 Гбайт/с |
| 16 | 4 Гбайт/с | 8 Гбайт/с |
| 32 | 8 Гбайт/с | 16 Гбайт/с |
Таблица. Пропускная способность шины PCI Express с разным количеством связей
В спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express 1.1.
Использование шин и устройств PCI Express.
Шины ( links ) PCI Express показаны оранжевым цветом
Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:
- стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощён или заменён, не влияя на остальные. Например: может быть использован иной носитель сигнала – или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства (как в случае PCI Express x16 для графики)
- возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации, опционально реализуются в серверных системах)
- возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service – качество обслуживания) 8
- возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC) 8
- поддержка технологий энергосбережения (ACPI) 8
Итоги
Как мы видим, последовательные интерфейсы пришли в компьютерную индустрию всерьёз и надолго. Не за горами времена, когда такие почётные долгожители, как PCI, IDE(PATA), SCSI, совсем уйдут со сцены, ибо преемники – PCI Express, Serial ATA, Serial Attached SCSI – уже агрессивно отвоёвывают позиции у «старичков». В стане процессорных шин пока паритет – архитектура K8 компании AMD c организацией процессорной шины на основе HyperTransport уже зарекомендовала себя как удачное решение, но и компания Intel с «последней редакцией» параллельной шины FSB (QPB) чувствует себя довольно уверенно и не собирается от неё отказываться.
Что касается возможной войны технологий PCI Express и HyperTransport, то здесь не тот случай – уж слишком разные сферы применения уготованы разработчиками этим решениям. Для вторжения в сферу сверхбыстрых передач у PCI Express недостаточно пропускной способности (максимум 8 ГБ/с для х16 против 41 ГБ/с у HyperTransport). Что касается работы HyperTransport с периферийными контроллерами, то данная шина не обладает для этого достаточными возможностями протоколов в силу своего изначального предназначения – замены процессорной шины, первое упоминание о «горячем» подключении появилось лишь в спецификации HyperTransport 3.0, да и стандартом пока что не предусмотрено внешних разъёмов.
В чем отличия PCI Express x16, x8, x4 и x1?
Стандарт PCI Express является одной из основ современных компьютеров. Слоты PCI Express уже давно занимают прочное место на любой материнской плате декстопного компьютера, вытесняя другие стандарты, например, такие как PCI. Но даже стандарт PCI Express имеет свои разновидности и отличающийся друг от друга характер подключения. На новых материнских платах, начиная примерно с 2010 года, можно увидеть на одной материнской плате целую россыпь портов, обозначенных как PCIE или PCI-E, которые могут отличаться по количеству линий: одной x1 или нескольких x2, x4, x8, x12, x16 и x32.
Итак, давайте выясним почему такая путаница среди казалось бы простого периферийного порта PCI Express. И какое предназначение у каждого стандарта PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32?
Что такое шина PCI Express?
В далеких 2000-х, когда состоялся переход с устаревающего стандарта PCI (расш. — взаимосвязь периферийных компонентов) на PCI Express, у последнего было одно огромное преимущество: вместо последовательной шины, которой и была PCI, использовалась двухточечная шина доступа. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные в него карты, могли в полной мере использовать максимальную пропускную способность не мешая друг другу, как это происходило при подключении к PCI. В те времена количество периферийных устройств, вставляемых в карты расширения, было предостаточно. Сетевые карты, аудио карты, ТВ-тюнеры и так далее — все требовали достаточное количество ресурсов ПК. Но в отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, если рассматривать в общем, является пакетной сетью с топологией типа звезда.
С точки зрения непрофессионала, представьте свой настольный ПК в качестве небольшого магазина с одним, двумя продавцами. Старый стандарт PCI был как гастроном: все ожидали в одной очереди, чтобы их обслужили, испытывая проблемы со скоростью обслуживания с ограничением в лице одного продавца за прилавком. PCI-E больше похож на гипермаркет: каждый покупатель движется за продуктами по своему индивидуальному маршруту, а на кассе сразу несколько кассиров принимают заказ.
Очевидно, что гипермаркет по скорости обслуживания выигрывает в несколько раз у обычного магазина, благодаря тому, что магазин не может себе позволить пропускную способность больше чем один продавец с одной кассой.
Также и с выделенными полосами передачи данных для каждой карты расширения или встроенными компонентами материнской платы.
Влияние количества линий на пропускную способность
Теперь, чтобы расширить нашу метафору с магазином и гипермаркетом, представьте, что каждый отдел гипремаркета имеет своих кассиров, зарезервированных только для них. Вот тут-то и возникает идея нескольких полос передачи данных.
PCI-E прошел множество изменений со времени своего создания. В настоящее время новые материнские платы обычно используют уже 3 версию стандарта, причем более быстрая 4 версия становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах : x1, x4, x8 и x16. (x32-порты существуют, но крайне редко встречаются на материнских платах обычных компьютерах).
Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их по количеству одновременных соединений с материнской платой: чем больше порт физически, тем больше максимальных подключений он способен передать на карту или обратно. Эти соединения еще называют линиями. Одну линию можно представить как дорожку, состоящею из двух сигнальных пар: одна для отправки данных, а другая для приема.
Различные версии стандарта PCI-E позволяют использовать разные скорости на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос находится на одном PCI-E-порту, тем быстрее данные могут перетекать между периферийной и остальной частью компьютера.
Возвращаясь к нашей метафоре: если речь идёт об одном продавце в магазине, то полоса x1 и будет этим единственным продавцом, обслуживающим одного клиента. У магазина с 4-мя кассирами — уже 4 линии х4. И так далее можно расписать кассиров по количеству линий, умножая на 2.
Типы устройств, использующих PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32
Для версии PCI Express 3.0 общая максимальная скорость передачи данных составляет 8 ГТ/с (Гигатранзакций/с), В реальности же скорость для версии PCI-E 3 чуть меньше одного гигабайта в секунду на одну полосу.
Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, например, маломощная звуковая карта или Wi-Fi-антенна смогут передавать данные с максимальной скоростью в 1 Гбит/с.
Карта, которая физически подходит в более крупный слот — x4 или x8, например, карта расширения USB 3.0, сможет передавать данные в четыре или восемь раз быстрее соответственно.
Скорость передачи портов PCI-E x16 теоретически ограничивается максимальной полосой пропуская в размере около 15 Гбит/с. Этого более чем достаточно в 2017 года для всех современных графических видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.
Протокол PCI Express 4.0 позволяет использовать уже 16 ГТ/с(Гигатранзакций/с), а PCI Express 5.0 будет задействовать 32 ГТ/с (Гигатранзакций/с).
Но в настоящее время не существует компонентов, которые смогли бы использовать такое количество полос с максимальной пропускной способностью. Современные топовые графические карты обычно используют x16 стандарта PCI Express 3.0. Нет смысла использовать те же полосы и для сетевой карты, которая на порту x16 будет использовать только одну линию, так как порт Ethernet способен передавать данные только до одного гигабита в секунду (что, около одной восьмой пропускной способности одной PCI-E полосы — помните: восемь бит в одном байте).
На рынке можно найти твердотельные накопители PCI-E, которые поддерживают порт x4, но они, похоже, скоро будут вытеснены быстро развивающимся новым стандартом M.2. для твердотельных накопителей, которые также могут использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такие как RAID-контроллеры, используют сочетание форматов x4 и x8.
Размеры портов и линий PCI-E могут различаться
Это одна из наиболее запутанных задач по PCI-E: порт может быть выполнен размером в форм-факторе x16, но иметь недостаточное количество полос для пропуска данных, например, всего например x4. Это связано с тем, что даже если PCI-E может нести на себе неограниченное количество отдельных соединений, все же существует практический предел пропускной способности полосы пропускания чипсета. Более дешевые материнские платы с более бюджетными чипсетами могут иметь только один слот x8, даже если этот слот может физически разместить карту форм-фактора x16.
Кроме того, материнские платы, ориентированные на геймеров, включают до четырех полных слотов PCI-E с x16 и столько же линий для максимальной пропускной способности.
Очевидно, это может вызывать проблемы. Если материнская плата имеет два слота размером x16, но один из них имеет только полосы x4, то подключение новой графической карты снизит производительность первой аж на 75%. Это, конечно, только теоретический результат. Архитектура материнских плат такова, что Вы не увидите резкого снижения производительности.
Правильная конфигурация двух графических видео карт должна задействовать именно два слота x16, если Вы хотите максимального комфорта от тандема двух видеокарт. Выяснить сколько линий на Вашей материнской плате имеет тот или иной слот поможет руководство на оф. сайте производителя.
Иногда производители даже помечают на текстолите материнской платы рядом со слотом количество линий
Нужно знать, что более короткая карта x1 или x4 может физически вписаться в более длинный слот x8 или x16. Конфигурация контактов электрических контактов делает это возможным. Естественно, если карта физически больше, чем слот, то вставить ее не получится.
Поэтому помните, при покупке карт расширения или обновления текущих необходимо всегда помнить как размер слота PCI Express, так и количество необходимых полос.
Источник