Шина PCI Express

На фотографии 4 слота PCI Express: x4, x16, x1, опять x16, внизу стандартный 32-разрядный слот PCI, на материнской плате DFI LanParty nForce4 SLI-DR

PCI Express или PCIe или PCI-E, (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X или PXI) — компьютерная шина, использующая программную модель шины

Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group (http://www.pcisig.com/).

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;
• гарантированная полоса пропускания (
• контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин PCI и PCI-X, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Описание протокола

Видеокарта для PCI Express

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

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.

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
• слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).

Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, GigabitEthernet), информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует ставший общепринятым метод кодирования 8B/10B (8 бит данных заменяются на 10 бит, передаваемых по каналу, таким образом 20% передаваемого по каналу трафика является избыточными), который позволяет поднять помехозащищённость.

Некоторые протоколы (например, SONET/англ. scrambling) для встраивания информации о синхронизации в поток данных. Спецификация PCI Express также предусматривает алгоритм скремблинга, но скремблинг PCI Express отличается от такового для SONET.

Пропускная способность шины PCI Express

Пропускная способность соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для расчета пропускной способности соединения link необходимо учесть то, что в каждом соединении передача дуплексная, а также учесть применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10). Например, дуплексная пропускная способность соединения 1x (P_1x) составляет:

$P_{1x} = {2,5 \cdot 2 \cdot 0,8 \over 8} = 0,5$ ГБ/с

где 2,5 — пропускная способность одного lane, Гбит/с;

2 — учёт того, что соединение 1x состоит из двух lane;

0,8 — коэффициент, учитывающий использование кода 8B/10B;

${1 \over 8}$ — коэффициент для перевода Гбит/с в ГБ/с.

Пропускная способность, с учётом двунаправленной передачи, для шин PCI Express с разным количеством связей указана в таблице:

Используется связей	1x	2x	4x	8x	12x	16x	32x
Пропускная способность PCI Express 1.0, ГБ/c	0,5	1	2	4	6	8	16
Пропускная способность PCI Express 2.0, ГБ/c	1	2	4	8	12	16	32

Форм-факторы

• Низкопрофильные карты
• Mini Card — замена форм-фактора Mini PCI. На разъём Mini Card выведены шины: x1 PCIe, USB 2.0 и SMBus.
• ExpressCard — подобен форм-фактору
• Кабельные спецификации PCI Express позволяют доводить длину одного соединения до десятков, а то и сотен метров, что делает возможным создание «разобранных» ЭВМ.
• Mobile PCI Express Module — промышленный форм-фактор, созданный для ноутбуков фирмой NVIDIA.

Конкурирующие протоколы

Кроме PCI Express существует ещё ряд высокоскоростных стандартизованных последовательных интерфейсов, вот только некоторые из них: InfiniBand,

Стандартизированный высокоскоростной интерфейс с одной стороны должен обладать гибкостью и расширяемостью, а с другой стороны должен обеспечивать низкое время задержки и невысокие накладные расходы (т.е. доля служебной информации пакета не должна быть велика). В сущности, различия между интерфейсами заключаются именно в выбранном разработчиками конкретного интерфейса компромиссе между этими двумя конфликтующими требованиями.

К примеру, дополнительная служебная маршрутная информация в пакете позволяет организовать сложную и гибкую маршрутизацию пакета, но увеличивает накладные расходы на обработку пакета, также снижается пропускная способность интерфейса, усложняется программное обеспечение, которое инициализирует и настраивает устройства, подключенные к интерфейсу. При необходимости обеспечения горячего подключения устройств необходимо специальное программное обеспечение, которое бы отслеживало изменение в топологии сети. Примерами интерфейсов, которые приспособлены для этого являются RapidIO, InfiniBand и StarFabric.

В то же время, укорачивая пакеты можно уменьшить задержку при передаче данных, что является важным требованием к интерфейсу памяти. Но небольшой размер пакетов приводит к тому, что доля служебных полей пакета увеличивается, что снижает эффективную пропускную способность интерфейса. Примером интерфейса такого типа является HyperTransport.

Положение PCI Express — между описанными подходами, так как шина PCI Express предназначена для работы в качестве локальной шины, нежели шины процессор-память или сложной маршрутизируемой сети. Кроме того, PCI Express изначально задумывалась как шина, логически совместимая с шиной PCI, что также внесло свои ограничения.

PCI Express 2.0

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года.

Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность. — cпецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCIE 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCIE 2.0. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
• Динамическое управление скоростью — для управления скоростью работы связи.
• Оповещение о пропускной способности — для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.
• Расширения структуры возможностей — расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом.
• Службы управления доступом — опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
• Управление таймаутом выполнения
• Сброс на уровне функций — опциональный механизм для сброса функций (имеются в виду PCI funcs) внутри устройства (PCI device).
• Переопределение предела по мощности — для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих бо́льшую мощность.

Внешняя кабельная спецификация PCIe.

7 февраля 2007 года PCI-SIG выпустила спецификацию внешней кабельной системы PCIE. Новая спецификация позволяет использовать кабели длиной до 10 метров, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.

PCI Express 3.0

Идет работа над PCI-Express 3.0. Он будет обладать пропускной способностью в 8 Гбит/с.

Планы на PCI-Express 3.0: утверждение в 2009 году, а первые продукты на основе нового интерфейса — в 2010 году.

См. также

• AGP
• RapidIO
• VLB
• Мобильный модуль на шине PCI Express

Источники

• Ravi Budruk, Don Anderson, Tom Shanley PCI Express System Architecture. — Addison-Wesley Professional, 1999. — С. 832. — (PC System Architecture Series). — ISBN 978-0201309744
• Doug Abbott PCI Bus Demystified. — 2-е. — Newnes, 2004. — С. 250. — (Demystifying Technology Series). — ISBN 978-0750677394

Ссылки

• PCI Special Interest Group(англ.)
• PCI Express Specifications and White Papers(англ.)
• Creating a Third Generation I/O Interconnect (PDF)(англ.)(Intel Developer Network for PCI Express Architecture(англ.)
• PCI Express пункт прибытия 2014 год(рус.)
• С. Озеров, А. Карабуто. Новые шины. Часть 1. PCI Express — общая концепция и возможности. / Публикации на Sec.Ru(рус.)
• Северо-Американский Express: технология новой шины PCI Express(рус.)