Συνοπτικά για το PCI και τις διαφορές με το PCIe και το AGP. Τα λεωφορεία PCI, PCI Express και η αναμφισβήτητη επιτυχία τους

HighPoint RocketRAID 2320: Ο δεύτερος ελεγκτής SATA II RAID στο εργαστήριό μας με διασύνδεση PCIe.

Το PCI Express (PCIe) κυκλοφορεί στην αγορά εδώ και περίπου ενάμιση χρόνο, αλλά εξακολουθεί να θεωρείται σε μεγάλο βαθμό ως μια νέα διεπαφή για κάρτες γραφικών. Οι επιτραπέζιες μητρικές με υποστήριξη PCI Express προσφέρουν επιπλέον υποδοχές με αυτήν τη διεπαφή, αλλά χρησιμοποιούνται σπάνια σήμερα. Στην πραγματικότητα, όπως εκδόσεις με υψηλότερο εύρος ζώνης σε μητρικές πλακέτες για διακομιστές και σταθμούς εργασίας.

Ενώ το PCI Express x16 θα μπορούσε θεωρητικά να παρέχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης από το PCI-X 533 (8 GB/s έναντι 4,26 GB/s), είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι το PCIe δεν προοριζόταν να αντικαταστήσει το PCI-X, αλλά άλλα, παλαιότερα διεπαφές. Το PCIe προοριζόταν να αντικαταστήσει το AGP GUI για λόγους μάρκετινγκ και επίσης να ανοίξει το δρόμο για χρήση διπλής κάρτας γραφικών. Και ο απαρχαιωμένος παράλληλος δίαυλος PCI 32-bit απαιτούσε επίσης αντικατάσταση. Το PCI δύσκολα μπορεί να ονομαστεί καλός δίαυλος με τα σύγχρονα πρότυπα: προσφέρει σχετικά χαμηλό εύρος ζώνης, το οποίο, επιπλέον, μοιράζεται σε όλες τις συσκευές PCI. Οι σύγχρονες τεχνολογίες όπως το gigabit Ethernet, τα περιφερειακά υψηλής ευκρίνειας και οι ελεγκτές αποθήκευσης απαιτούν υψηλότερο εύρος ζώνης.

Ας φτάσουμε στο θέμα του PCI Express: αυτή η διεπαφή δεν είναι απαραίτητα ταχύτερη από το PCI-X, αλλά είναι απλούστερη και παρέχει εύρος ζώνης ανά συσκευή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο όλο και περισσότερα chipset διακομιστών/σταθμών εργασίας με υποστήριξη PCI Express εμφανίζονται σήμερα: είναι πολύ δελεαστικό να εκχωρήσετε εύρος ζώνης σε κάθε συσκευή.

Μία από τις πιθανές εφαρμογές μπορεί να ονομαστεί αμέσως ελεγκτές δικτύου και αποθήκευσης, καθώς έχουν υποφέρει από καιρό από τη «στενότητα» της διεπαφής. Είναι κατανοητό ότι η δημιουργία ενός περιβάλλοντος δοκιμής Ethernet 10 Gbps είναι πιο δύσκολη από τη χρήση ελεγκτών μονάδας δίσκου. Επομένως, επιλέξαμε το RAID για δοκιμή.

Επιλέξαμε τους δύο πιο πρόσφατους ελεγκτές HighPoint Serial ATA II RAID RocketRAID, μοντέλα 2220 και 2320, επειδή είναι κατασκευασμένοι στην ίδια τεχνολογία και διαφέρουν μόνο στη διεπαφή. Το 2220 είναι μοντέλο PCI-X και το 2320 χρησιμοποιεί τη διεπαφή x4 PCI Express.

Το PCI-X είναι μια σημαντικά βελτιωμένη έκδοση του παράλληλου διαύλου Peripheral Components Interconnect (PCI). Είναι χτισμένο σε μια κλασική τοπολογία διαύλου και απαιτεί μεγάλο αριθμό κομματιών/επαφών για σύνδεση. Όπως αναφέραμε παραπάνω, το διαθέσιμο εύρος ζώνης μοιράζεται σε όλες τις συσκευές.

Σε αντίθεση με το κανονικό PCI στον υπολογιστή σας, το οποίο έχει πλάτος 32 bit, το PCI-X είναι ένας δίαυλος 64 bit. Ως αποτέλεσμα, η απόδοση διπλασιάζεται αυτόματα, όπως και ο αριθμός των κομματιών/ακίδων και τα μεγέθη των θυρίδων. Αλλά οτιδήποτε άλλο, συμπεριλαμβανομένων των πρωτοκόλλων μετάδοσης, των σημάτων και των τύπων σύνδεσης, είναι συμβατό προς τα πίσω. Δηλαδή, μια κάρτα PCI 32-bit (3,3 V) μπορεί να εγκατασταθεί στην υποδοχή PCI-X. Επιπλέον, πολλές κάρτες PCI-X 64 bit μπορούν να λειτουργήσουν σε υποδοχές PCI 32 bit, αλλά φυσικά με αισθητά μειωμένη απόδοση.

Αλλά ακόμη και αυτή η επέκταση διαύλου δεν παρείχε επαρκές εύρος ζώνης για επαγγελματικούς ελεγκτές μονάδας δίσκου SCSI, iSCSI, Fiber Channel, 10-Gbps Ethernet, InfiniBand και άλλους. Επομένως, η PCI-SIG (Ομάδα Ειδικού Ενδιαφέροντος) πρόσθεσε αρκετές διαβαθμίσεις ταχύτητας στις προδιαγραφές, που κυμαίνονται από PCI-X 66 (Αναθ. 1.0b) έως PCI-X 533 (Αναθ. 2.0). Ο παρακάτω πίνακας παρέχει αναλυτικές πληροφορίες.

Όπως μπορείτε να δείτε, όταν έφτασε τα 133 MHz με το PCI-X 133, η ταχύτητα του ρολογιού δεν αυξήθηκε περαιτέρω. Για την παροχή υψηλότερου εύρους ζώνης, χρησιμοποιήθηκαν δύο τεχνολογίες που πιθανότατα γνωρίζετε ήδη: λεωφορεία μνήμης και FSB. Το PCI-X 266 βασίζεται στην τεχνολογία Double Data Rate, όπου τα δεδομένα μεταφέρονται με τους παλμούς ρολογιού που πέφτουν και ανεβαίνουν. Το PCI-X 533 προχωρά ακόμη περισσότερο και χρησιμοποιεί Quad Data Rate. Η Intel χρησιμοποιεί αυτήν την τεχνολογία εδώ και πολύ καιρό για το FSB των επεξεργαστών Pentium 4 και Xeon.

Οι φαρδιές υποδοχές στα αριστερά είναι ο δίαυλος PCI-X 64-bit.

Πηγή: Παρουσίαση PCI-SIG PCI-X 2.0.

Όπως αναφέραμε παραπάνω, το συνολικό εύρος ζώνης με μέγιστο 4,26 GB/s μοιράζεται μεταξύ όλων των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο δίαυλο. Επιπλέον, εάν κάποια συσκευή δεν μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλές ταχύτητες ρολογιού, το σύστημα θα μειώσει την ταχύτητα του διαύλου στη χαμηλότερη συνολική τιμή, στα 33 MHz. Ωστόσο, αυτό είναι το τίμημα που πρέπει να πληρώσετε για τη συμβατότητα. Αλλά το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με την εφαρμογή περισσότερων από μία γέφυρων PCI-X στη μητρική πλακέτα. Προϊόντα με αυτή τη δυνατότητα προσφέρονται από όλους τους κατασκευαστές επαγγελματικού επιπέδου, συμπεριλαμβανομένων εταιρειών όπως η Asus, η Supermicro και η Tyan.

Η συμβατότητα προς τα πίσω είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα του PCI-X. Οι διαχειριστές θέλουν να είναι απολύτως βέβαιοι ότι ο νέος εξοπλισμός θα λειτουργήσει σωστά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η εισαγωγή νέων τεχνολογιών στην αγορά διακομιστών και σταθμών εργασίας δεν είναι τόσο γρήγορη. Γιατί να πούμε αντίο σε μια τεχνολογία που είναι συμβατή προς τα πίσω, παρέχει επαρκή απόδοση και έχει μεγάλη βάση υλικού; Αυτή η κατάσταση είναι απίθανο να αλλάξει στο μέλλον, καθώς σήμερα το PCI-SIG εργάζεται ήδη στο πρότυπο PCI-X 1066 Θα διπλασιάσει ξανά την απόδοση και, επιπλέον, θα λάβει νέα χαρακτηριστικά, όπως on-the-fly συμπίεση δεδομένων, αυτόματες διαδρομές δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας και ασφάλεια από αστοχίες. Επιπλέον, μπορεί να εμφανιστεί υποστήριξη για ισόχρονη μεταφορά, αλλά στη συνέχεια θα πρέπει να εγκαταλειφθεί η συμβατότητα με το συμβατικό PCI.

Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για τους λόγους επιτυχίας του διαύλου PCI και θα περιγράψουμε την τεχνολογία υψηλής απόδοσης που τον αντικαθιστά - τον δίαυλο PCI Express. Θα εξετάσουμε επίσης το ιστορικό ανάπτυξης, τα επίπεδα υλικού και λογισμικού του διαύλου PCI Express, τα χαρακτηριστικά της εφαρμογής του και θα απαριθμήσουμε τα πλεονεκτήματά του.

Όταν στις αρχές της δεκαετίας του 1990. φάνηκε, τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ξεπέρασαν σημαντικά όλα τα λεωφορεία που υπήρχαν μέχρι τότε, όπως ISA, EISA, MCA και VL-bus. Εκείνη την εποχή, ο δίαυλος PCI (Peripheral Component Interconnect), που λειτουργούσε στα 33 MHz, ήταν κατάλληλος για τις περισσότερες περιφερειακές συσκευές. Σήμερα όμως η κατάσταση έχει αλλάξει με πολλούς τρόπους. Πρώτα απ 'όλα, οι ταχύτητες του ρολογιού του επεξεργαστή και της μνήμης έχουν αυξηθεί σημαντικά. Για παράδειγμα, οι ταχύτητες ρολογιού του επεξεργαστή αυξήθηκαν από 33 MHz σε αρκετά GHz, ενώ η συχνότητα λειτουργίας PCI αυξήθηκε μόνο στα 66 MHz. Η εμφάνιση τεχνολογιών όπως το Gigabit Ethernet και το IEEE 1394B απείλησε ότι ολόκληρο το εύρος ζώνης του διαύλου PCI θα μπορούσε να δαπανηθεί για την εξυπηρέτηση μιας μεμονωμένης συσκευής που βασίζεται σε αυτές τις τεχνολογίες.

Ταυτόχρονα, η αρχιτεκτονική PCI έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τους προκατόχους της, επομένως ήταν παράλογο να αναθεωρηθεί πλήρως. Πρώτα απ 'όλα, δεν εξαρτάται από τον τύπο του επεξεργαστή, υποστηρίζει απομόνωση buffer, τεχνολογία mastering διαύλου (σύλληψη διαύλου) και τεχνολογία PnP πλήρως. Η απομόνωση buffer σημαίνει ότι ο δίαυλος PCI λειτουργεί ανεξάρτητα από τον εσωτερικό δίαυλο επεξεργαστή, επιτρέποντας στον δίαυλο επεξεργαστή να λειτουργεί ανεξάρτητα από την ταχύτητα και το φορτίο του διαύλου συστήματος. Χάρη στην τεχνολογία λήψης διαύλου, οι περιφερειακές συσκευές μπορούν να ελέγχουν άμεσα τη διαδικασία μεταφοράς δεδομένων στο δίαυλο, αντί να περιμένουν βοήθεια από τον κεντρικό επεξεργαστή, κάτι που θα επηρεάσει την απόδοση του συστήματος. Τέλος, η υποστήριξη Plug and Play σάς επιτρέπει να ρυθμίζετε και να διαμορφώνετε αυτόματα συσκευές χρησιμοποιώντας το και να αποφεύγετε τη φασαρία με τα jumpers και τους διακόπτες, που σχεδόν κατέστρεψαν τη ζωή των κατόχων συσκευών ISA.

Παρά την αναμφισβήτητη επιτυχία του PCI, αυτή τη στιγμή αντιμετωπίζει σοβαρά προβλήματα. Αυτά περιλαμβάνουν περιορισμένο εύρος ζώνης, έλλειψη δυνατοτήτων μεταφοράς δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και έλλειψη υποστήριξης για τεχνολογίες δικτύου επόμενης γενιάς.

Συγκριτικά χαρακτηριστικά διαφόρων προτύπων PCI

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η πραγματική απόδοση μπορεί να είναι μικρότερη από τη θεωρητική λόγω της αρχής λειτουργίας του πρωτοκόλλου και των χαρακτηριστικών της τοπολογίας διαύλου. Επιπλέον, το συνολικό εύρος ζώνης κατανέμεται σε όλες τις συσκευές που είναι συνδεδεμένες σε αυτό, επομένως όσο περισσότερες συσκευές βρίσκονται στο δίαυλο, τόσο μικρότερο εύρος ζώνης αποκτά καθεμία από αυτές.

Οι βελτιώσεις στο πρότυπο, όπως το PCI-X και το AGP, σχεδιάστηκαν για να εξαλείψουν το κύριο μειονέκτημά του - τη χαμηλή ταχύτητα ρολογιού. Ωστόσο, η αύξηση της συχνότητας ρολογιού σε αυτές τις υλοποιήσεις συνεπαγόταν μείωση του πραγματικού μήκους διαύλου και του αριθμού των συνδετήρων.

Η νέα γενιά του λεωφορείου, PCI Express (ή PCI-E για συντομία), παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 2004 και σχεδιάστηκε για να λύνει όλα τα προβλήματα που αντιμετώπισε ο προκάτοχός του. Σήμερα, οι περισσότεροι νέοι υπολογιστές είναι εξοπλισμένοι με δίαυλο PCI Express. Αν και διαθέτουν επίσης τυπικές υποδοχές PCI, δεν είναι μακριά η στιγμή που το λεωφορείο θα γίνει ιστορία.

Αρχιτεκτονική PCI Express

Η αρχιτεκτονική του λεωφορείου έχει δομή πολλαπλών επιπέδων, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Ο δίαυλος υποστηρίζει το μοντέλο διευθύνσεων PCI, το οποίο επιτρέπει σε όλα τα υπάρχοντα προγράμματα οδήγησης και εφαρμογές να λειτουργούν μαζί του. Επιπλέον, ο δίαυλος PCI Express χρησιμοποιεί τον τυπικό μηχανισμό PnP που παρέχεται από το προηγούμενο πρότυπο.

Ας εξετάσουμε τον σκοπό των διαφόρων επιπέδων οργάνωσης PCI-E. Σε επίπεδο λογισμικού διαύλου, δημιουργούνται αιτήματα ανάγνωσης/εγγραφής, τα οποία μεταδίδονται σε επίπεδο μεταφοράς χρησιμοποιώντας ένα ειδικό πρωτόκολλο πακέτων. Το επίπεδο δεδομένων είναι υπεύθυνο για την κωδικοποίηση διόρθωσης σφαλμάτων και διασφαλίζει την ακεραιότητα των δεδομένων. Το βασικό στρώμα υλικού αποτελείται από ένα κανάλι διπλού απλού που αποτελείται από ένα ζεύγος εκπομπής και λήψης, τα οποία μαζί ονομάζονται γραμμή. Η συνολική ταχύτητα διαύλου 2,5 Gb/s σημαίνει ότι η απόδοση για κάθε λωρίδα PCI Express είναι 250 MB/s σε κάθε κατεύθυνση. Αν λάβουμε υπόψη τις απώλειες λόγω επιβάρυνσης πρωτοκόλλου, τότε είναι διαθέσιμα περίπου 200 MB/s για κάθε συσκευή. Αυτή η απόδοση είναι 2-4 φορές υψηλότερη από αυτή που ήταν διαθέσιμη για συσκευές PCI. Και, σε αντίθεση με το PCI, εάν το εύρος ζώνης κατανέμεται σε όλες τις συσκευές, τότε πηγαίνει σε κάθε συσκευή πλήρως.

Σήμερα, υπάρχουν αρκετές εκδόσεις του προτύπου PCI Express, που διαφέρουν ως προς το εύρος ζώνης τους.

Παροχή διαύλου PCI Express x16 για διαφορετικές εκδόσεις PCI-E, Gb/s:

• 32/64
• 64/128
• 128/256

Μορφές διαύλου PCI-E

Επί του παρόντος, είναι διαθέσιμες διάφορες επιλογές για μορφές PCI Express, ανάλογα με το σκοπό της πλατφόρμας - επιτραπέζιος υπολογιστής, φορητός υπολογιστής ή διακομιστής. Οι διακομιστές που απαιτούν περισσότερο εύρος ζώνης έχουν περισσότερες υποδοχές PCI-E και αυτές οι υποδοχές έχουν περισσότερους κορμούς. Αντίθετα, οι φορητοί υπολογιστές μπορεί να έχουν μόνο μία λωρίδα για συσκευές μέσης ταχύτητας.

Κάρτα βίντεο με διασύνδεση PCI Express x16.

Οι κάρτες επέκτασης PCI Express μοιάζουν πολύ με τις κάρτες PCI, αλλά οι υποδοχές PCI-E έχουν αυξημένη πρόσφυση για να εξασφαλίσουν ότι η κάρτα δεν θα γλιστρήσει από την υποδοχή λόγω κραδασμών ή αποστολής. Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες μορφής των υποδοχών PCI Express, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από τον αριθμό των λωρίδων που χρησιμοποιούνται. Για παράδειγμα, ένα λεωφορείο με 16 λωρίδες έχει χαρακτηριστεί PCI Express x16. Αν και ο συνολικός αριθμός λωρίδων μπορεί να είναι έως και 32, στην πράξη οι περισσότερες μητρικές πλακέτες είναι πλέον εξοπλισμένες με δίαυλο PCI Express x16.

Κάρτες μικρότερων παραγόντων μορφής μπορούν να συνδεθούν σε υποδοχές για μεγαλύτερες χωρίς συμβιβασμούς στην απόδοση. Για παράδειγμα, μια κάρτα PCI Express x1 μπορεί να συνδεθεί σε μια υποδοχή PCI Express x16. Όπως και με το δίαυλο PCI, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια επέκταση PCI Express για να συνδέσετε συσκευές εάν είναι απαραίτητο.

Εμφάνιση διαφόρων τύπων υποδοχών στη μητρική πλακέτα. Από πάνω προς τα κάτω: υποδοχή PCI-X, υποδοχή PCI Express x8, υποδοχή PCI, υποδοχή PCI Express x16.

Express Card

Το πρότυπο Express Card προσφέρει έναν πολύ απλό τρόπο προσθήκης εξοπλισμού σε ένα σύστημα. Η αγορά-στόχος για μονάδες Express Card είναι οι φορητοί υπολογιστές και οι μικροί υπολογιστές. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές κάρτες επέκτασης επιτραπέζιου υπολογιστή, η κάρτα Express μπορεί να συνδεθεί στο σύστημα οποιαδήποτε στιγμή ενώ ο υπολογιστής βρίσκεται σε λειτουργία.

Μια δημοφιλής ποικιλία Express Card είναι η PCI Express Mini Card, η οποία έχει σχεδιαστεί ως αντικατάσταση των καρτών μορφής Mini PCI. Μια κάρτα που δημιουργήθηκε σε αυτή τη μορφή υποστηρίζει και PCI Express και USB 2.0. Οι διαστάσεις της κάρτας PCI Express Mini Card είναι 30x56 mm. Η κάρτα PCI Express Mini μπορεί να συνδεθεί στο PCI Express x1.

Πλεονεκτήματα του PCI-E

Η τεχνολογία PCI Express παρέχει πλεονεκτήματα έναντι του PCI στους ακόλουθους πέντε τομείς:

1. Υψηλότερη απόδοση. Με μία μόνο λωρίδα, το PCI Express έχει διπλάσια απόδοση από το PCI. Σε αυτή την περίπτωση, η απόδοση αυξάνεται ανάλογα με τον αριθμό των γραμμών στο δίαυλο, ο μέγιστος αριθμός των οποίων μπορεί να φτάσει τις 32. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι οι πληροφορίες στο δίαυλο μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις.
2. Απλοποίηση εισόδου/εξόδου. Το PCI Express εκμεταλλεύεται λεωφορεία όπως τα AGP και PCI-X και έχει λιγότερο περίπλοκη αρχιτεκτονική και συγκριτική ευκολία υλοποίησης.
3. Αρχιτεκτονική πολλαπλών επιπέδων. Το PCI Express προσφέρει μια αρχιτεκτονική που μπορεί να προσαρμοστεί στις νέες τεχνολογίες χωρίς να απαιτεί σημαντικές αναβαθμίσεις λογισμικού.
4. Τεχνολογίες εισόδου/εξόδου νέας γενιάς. Το PCI Express επιτρέπει νέες δυνατότητες απόκτησης δεδομένων με τεχνολογία ταυτόχρονης μεταφοράς δεδομένων που διασφαλίζει ότι οι πληροφορίες λαμβάνονται έγκαιρα.
5. Ευκολία στη χρήση. Το PCI-E διευκολύνει πολύ τον χρήστη να αναβαθμίσει και να επεκτείνει το σύστημα. Πρόσθετες μορφές καρτών Express, όπως η ExpressCard, αυξάνουν σημαντικά τη δυνατότητα προσθήκης περιφερειακών υψηλής ταχύτητας σε διακομιστές και φορητούς υπολογιστές.

Σύναψη

Το PCI Express είναι μια τεχνολογία διαύλου για τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών, η οποία αντικατέστησε τεχνολογίες όπως ISA, AGP και PCI. Η χρήση του αυξάνει σημαντικά την απόδοση του υπολογιστή, καθώς και την ικανότητα του χρήστη να επεκτείνει και να ενημερώσει το σύστημα.

Το πρότυπο PCI Express είναι ένα από τα θεμέλια των σύγχρονων υπολογιστών. Οι υποδοχές PCI Express έχουν από καιρό καταλάβει μια ισχυρή θέση σε οποιαδήποτε μητρική πλακέτα επιτραπέζιου υπολογιστή, αντικαθιστώντας άλλα πρότυπα, όπως το PCI. Αλλά ακόμη και το πρότυπο PCI Express έχει τις δικές του παραλλαγές και μοτίβα σύνδεσης που διαφέρουν μεταξύ τους. Σε νέες μητρικές, ξεκινώντας περίπου το 2010, μπορείτε να δείτε μια ολόκληρη διασπορά θυρών σε μία μητρική πλακέτα, που ορίζεται ως PCIEή PCI-E, οι οποίες μπορεί να διαφέρουν ως προς τον αριθμό των γραμμών: μία x1 ή πολλές x2, x4, x8, x12, x16 και x32.

Λοιπόν, ας μάθουμε γιατί υπάρχει τέτοια σύγχυση μεταξύ της φαινομενικά απλής περιφερειακής θύρας PCI Express. Και ποιος είναι ο σκοπός κάθε προτύπου PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 και x32;

Τι είναι το λεωφορείο PCI Express;

Πίσω στη δεκαετία του 2000, όταν έγινε η μετάβαση από το παλαιό πρότυπο PCI (εκτεταμένη - διασύνδεση περιφερειακών εξαρτημάτων) στο PCI Express, το τελευταίο είχε ένα τεράστιο πλεονέκτημα: αντί για σειριακό δίαυλο, που ήταν PCI, ένα σημείο σε σημείο χρησιμοποιήθηκε λεωφορείο πρόσβασης. Αυτό σήμαινε ότι κάθε μεμονωμένη θύρα PCI και οι κάρτες που ήταν εγκατεστημένες σε αυτήν μπορούσαν να εκμεταλλευτούν πλήρως το μέγιστο εύρος ζώνης χωρίς παρεμβολές μεταξύ τους, όπως συνέβη με μια σύνδεση PCI. Εκείνες τις μέρες, ο αριθμός των περιφερειακών συσκευών που εισήχθησαν σε κάρτες επέκτασης ήταν άφθονο. Οι κάρτες δικτύου, οι κάρτες ήχου, οι δέκτες τηλεόρασης και ούτω καθεξής - όλα απαιτούσαν επαρκή ποσότητα πόρων υπολογιστή. Αλλά σε αντίθεση με το πρότυπο PCI, το οποίο χρησιμοποιούσε έναν κοινό δίαυλο για μεταφορά δεδομένων με πολλαπλές συσκευές συνδεδεμένες παράλληλα, το PCI Express, όταν θεωρηθεί γενικά, είναι ένα δίκτυο πακέτων με τοπολογία αστεριού.

PCI Express x16, PCI Express x1 και PCI σε μία πλακέτα

Με απλούς όρους, φανταστείτε τον επιτραπέζιο υπολογιστή σας ως ένα μικρό κατάστημα με έναν ή δύο πωλητές. Το παλιό πρότυπο PCI έμοιαζε με παντοπωλείο: όλοι περίμεναν σε μια ουρά για να εξυπηρετηθούν, αντιμετωπίζοντας προβλήματα ταχύτητας με τον περιορισμό ενός πωλητή πίσω από τον πάγκο. Το PCI-E μοιάζει περισσότερο με υπερμάρκετ: κάθε πελάτης ακολουθεί τη δική του ξεχωριστή διαδρομή για τα παντοπωλεία και στο ταμείο, πολλοί ταμίες λαμβάνουν την παραγγελία ταυτόχρονα.

Προφανώς, μια υπεραγορά είναι αρκετές φορές ταχύτερη από ένα κανονικό κατάστημα όσον αφορά την ταχύτητα εξυπηρέτησης, λόγω του ότι το κατάστημα δεν μπορεί να αντέξει οικονομικά τη χωρητικότητα περισσότερων του ενός πωλητών με μια ταμειακή μηχανή.

Επίσης, με αποκλειστικές λωρίδες δεδομένων για κάθε κάρτα επέκτασης ή ενσωματωμένα εξαρτήματα μητρικής πλακέτας.

Η επίδραση του αριθμού των γραμμών στην απόδοση

Τώρα, για να επεκτείνουμε την αλληγορία του καταστήματος και της υπεραγοράς μας, φανταστείτε ότι κάθε τμήμα της υπεραγοράς έχει τα δικά του ταμεία που προορίζονται μόνο για αυτά. Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η ιδέα των πολλαπλών λωρίδων δεδομένων.

Το PCI-E έχει υποστεί πολλές αλλαγές από την έναρξή του. Αυτές τις μέρες, οι νέες μητρικές συνήθως χρησιμοποιούν την έκδοση 3 του προτύπου, με την ταχύτερη έκδοση 4 να γίνεται πιο κοινή, με την έκδοση 5 να αναμένεται το 2019. Αλλά διαφορετικές εκδόσεις χρησιμοποιούν τις ίδιες φυσικές συνδέσεις και αυτές οι συνδέσεις μπορούν να γίνουν σε τέσσερα κύρια μεγέθη: x1, x4, x8 και x16. (Υπάρχουν θύρες x32, αλλά είναι εξαιρετικά σπάνιες σε κανονικές μητρικές πλακέτες υπολογιστών).

Τα διαφορετικά φυσικά μεγέθη των θυρών PCI-Express καθιστούν δυνατή τη σαφή διαίρεση τους με τον αριθμό των ταυτόχρονων συνδέσεων στη μητρική πλακέτα: όσο μεγαλύτερη είναι η φυσική θύρα, τόσο περισσότερες μέγιστες συνδέσεις μπορεί να μεταδώσει στην κάρτα ή το αντίστροφο. Αυτές οι συνδέσεις ονομάζονται επίσης γραμμές. Μια γραμμή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κομμάτι που αποτελείται από δύο ζεύγη σημάτων: το ένα για την αποστολή δεδομένων και το άλλο για τη λήψη.

Διαφορετικές εκδόσεις του προτύπου PCI-E επιτρέπουν διαφορετικές ταχύτητες σε κάθε λωρίδα. Αλλά σε γενικές γραμμές, όσο περισσότερες λωρίδες υπάρχουν σε μία μόνο θύρα PCI-E, τόσο πιο γρήγορα δεδομένα μπορούν να ρέουν μεταξύ του περιφερειακού και του υπόλοιπου υπολογιστή.

Επιστρέφοντας στη μεταφορά μας: αν μιλάμε για έναν πωλητή σε ένα κατάστημα, τότε το x1 strip θα είναι αυτός ο μόνος πωλητής που εξυπηρετεί έναν πελάτη. Ένα κατάστημα με 4 ταμίες έχει ήδη 4 γραμμές x4. Και ούτω καθεξής, μπορείτε να εκχωρήσετε ταμίες με τον αριθμό των γραμμών, πολλαπλασιάζοντας επί 2.

Διάφορες κάρτες PCI Express

Τύποι συσκευών που χρησιμοποιούν PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 και x32

Για την έκδοση PCI Express 3.0, η συνολική μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι 8 GT/s Στην πραγματικότητα, η ταχύτητα για την έκδοση PCI-E 3 είναι ελαφρώς μικρότερη από ένα gigabyte ανά δευτερόλεπτο ανά λωρίδα.

Έτσι, μια συσκευή που χρησιμοποιεί τη θύρα PCI-E x1, για παράδειγμα, μια κάρτα ήχου χαμηλής κατανάλωσης ή μια κεραία Wi-Fi, θα μπορεί να μεταφέρει δεδομένα με μέγιστη ταχύτητα 1 Gbps.

Μια κάρτα που χωράει φυσικά σε μια μεγαλύτερη υποδοχή - x4ή x8, για παράδειγμα, μια κάρτα επέκτασης USB 3.0 θα μπορεί να μεταφέρει δεδομένα τέσσερις ή οκτώ φορές πιο γρήγορα, αντίστοιχα.

Η ταχύτητα μεταφοράς των θυρών PCI-E x16 περιορίζεται θεωρητικά σε μέγιστο εύρος ζώνης περίπου 15 Gbps. Αυτό είναι υπεραρκετό το 2017 για όλες τις σύγχρονες κάρτες γραφικών που αναπτύχθηκαν από την NVIDIA και την AMD.

Οι περισσότερες διακριτές κάρτες γραφικών χρησιμοποιούν υποδοχή PCI-E x16

Το πρωτόκολλο PCI Express 4.0 επιτρέπει τη χρήση 16 GT/s και το PCI Express 5.0 θα χρησιμοποιεί 32 GT/s.

Αλλά επί του παρόντος δεν υπάρχουν εξαρτήματα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτόν τον αριθμό λωρίδων με μέγιστη απόδοση. Οι σύγχρονες κάρτες γραφικών προηγμένης τεχνολογίας χρησιμοποιούν συνήθως x16 PCI Express 3.0. Δεν έχει νόημα να χρησιμοποιείτε τις ίδιες λωρίδες για μια κάρτα δικτύου που θα χρησιμοποιεί μόνο μία λωρίδα στη θύρα x16, καθώς η θύρα Ethernet μπορεί να μεταφέρει δεδομένα μόνο έως ένα gigabit ανά δευτερόλεπτο (που είναι περίπου το ένα όγδοο της απόδοσης μία λωρίδα PCI-E - θυμηθείτε: οκτώ bit σε ένα byte).

Στην αγορά υπάρχουν SSD PCI-E που υποστηρίζουν τη θύρα x4, αλλά φαίνεται ότι θα αντικατασταθούν από το ταχέως εξελισσόμενο νέο πρότυπο M.2. για SSD που μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν το δίαυλο PCI-E. Οι κάρτες δικτύου υψηλής τεχνολογίας και το ενθουσιώδες υλικό, όπως οι ελεγκτές RAID, χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό μορφών x4 και x8.

Τα μεγέθη της θύρας PCI-E και της λωρίδας ενδέχεται να διαφέρουν

Αυτό είναι ένα από τα πιο συγκεχυμένα προβλήματα με το PCI-E: μια θύρα μπορεί να κατασκευαστεί με τον παράγοντα μορφής x16, αλλά να μην έχει αρκετές λωρίδες για τη μεταφορά δεδομένων μέσω, για παράδειγμα, μόνο x4. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι παρόλο που το PCI-E μπορεί να μεταφέρει απεριόριστο αριθμό μεμονωμένων συνδέσεων, εξακολουθεί να υπάρχει ένα πρακτικό όριο στη χωρητικότητα εύρους ζώνης του chipset. Οι φθηνότερες μητρικές πλακέτες με chipset κατώτερης τεχνολογίας ενδέχεται να έχουν μόνο μία υποδοχή x8, ακόμα κι αν αυτή η υποδοχή μπορεί να φιλοξενήσει φυσικά μια κάρτα μορφής x16.

Επιπλέον, οι μητρικές που απευθύνονται σε παίκτες περιλαμβάνουν έως και τέσσερις πλήρεις υποδοχές PCI-E με x16 και τον ίδιο αριθμό λωρίδων για μέγιστο εύρος ζώνης.

Προφανώς αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα. Εάν η μητρική έχει δύο υποδοχές x16, αλλά η μία από αυτές έχει μόνο λωρίδες x4, τότε η προσθήκη μιας νέας κάρτας γραφικών θα μειώσει την απόδοση της πρώτης έως και 75%. Αυτό είναι, φυσικά, μόνο ένα θεωρητικό αποτέλεσμα. Η αρχιτεκτονική των μητρικών είναι τέτοια που δεν θα δείτε απότομη πτώση στην απόδοση.

Η σωστή διαμόρφωση δύο καρτών γραφικών θα πρέπει να χρησιμοποιεί ακριβώς δύο υποδοχές x16, εάν θέλετε μέγιστη άνεση από τη σειρά δύο καρτών γραφικών. Το εγχειρίδιο στο γραφείο θα σας βοηθήσει να μάθετε πόσες γραμμές έχει μια συγκεκριμένη υποδοχή στη μητρική σας πλακέτα. ιστοσελίδα του κατασκευαστή.

Μερικές φορές οι κατασκευαστές σημειώνουν ακόμη και τον αριθμό των γραμμών στο PCB της μητρικής πλακέτας δίπλα στην υποδοχή

Πρέπει να γνωρίζετε ότι μια πιο κοντή κάρτα x1 ή x4 μπορεί να χωρέσει φυσικά σε μια μεγαλύτερη υποδοχή x8 ή x16. Η διαμόρφωση των ακίδων των ηλεκτρικών επαφών το καθιστά δυνατό. Φυσικά, εάν η κάρτα είναι φυσικά μεγαλύτερη από την υποδοχή, τότε δεν θα μπορείτε να την τοποθετήσετε.

Επομένως, θυμηθείτε, όταν αγοράζετε κάρτες επέκτασης ή αναβαθμίζετε τις τρέχουσες, πρέπει πάντα να θυμάστε τόσο το μέγεθος της υποδοχής PCI Express όσο και τον αριθμό των απαιτούμενων λωρίδων.

Σχεδόν όλες οι σύγχρονες μητρικές είναι εξοπλισμένες με υποδοχή επέκτασης PCI-E x16. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη: είναι εγκατεστημένος σε αυτό ένας διακριτός επιταχυντής γραφικών, χωρίς τον οποίο είναι γενικά αδύνατη η δημιουργία ενός παραγωγικού προσωπικού υπολογιστή. Είναι το ιστορικό του ιστορικού, οι τεχνικές προδιαγραφές και οι πιθανοί τρόποι λειτουργίας που θα συζητηθούν στο μέλλον.

Ιστορικό για την εμφάνιση της υποδοχής επέκτασης

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, με την υποδοχή επέκτασης AGP, η οποία χρησιμοποιήθηκε εκείνη την εποχή για εγκατάσταση, δημιουργήθηκε μια κατάσταση όταν επιτεύχθηκε το μέγιστο επίπεδο απόδοσης και οι δυνατότητές του δεν ήταν πλέον επαρκείς. Ως αποτέλεσμα αυτού, δημιουργήθηκε η κοινοπραξία PCI-SIG, η οποία άρχισε να αναπτύσσει τα στοιχεία λογισμικού και υλικού της μελλοντικής υποδοχής για την εγκατάσταση επιταχυντών γραφικών. Ο καρπός της δημιουργικότητάς του ήταν η πρώτη προδιαγραφή PCI Express 16x 1.0 το 2002.

Για να διασφαλιστεί η συμβατότητα μεταξύ των δύο διακριτών θυρών εγκατάστασης προσαρμογέων γραφικών που υπήρχαν εκείνη την εποχή, ορισμένες εταιρείες ανέπτυξαν ειδικές συσκευές που επέτρεψαν την εγκατάσταση ξεπερασμένων λύσεων γραφικών σε μια νέα υποδοχή επέκτασης. Στη γλώσσα των επαγγελματιών, αυτή η εξέλιξη είχε το δικό της όνομα - προσαρμογέας PCI-E x16/AGP. Ο κύριος σκοπός του είναι να ελαχιστοποιήσει το κόστος αναβάθμισης ενός υπολογιστή χρησιμοποιώντας στοιχεία από την προηγούμενη διαμόρφωση της μονάδας συστήματος. Αλλά αυτή η πρακτική δεν έγινε ευρέως διαδεδομένη λόγω του γεγονότος ότι οι κάρτες γραφικών εισαγωγικού επιπέδου στη νέα διεπαφή είχαν κόστος σχεδόν ίσο με την τιμή του προσαρμογέα.

Παράλληλα με αυτό, δημιουργήθηκαν απλούστερες τροποποιήσεις αυτής της υποδοχής επέκτασης για εξωτερικούς ελεγκτές, οι οποίοι αντικατέστησαν τις γνωστές τότε θύρες PCI. Παρά την εξωτερική τους ομοιότητα, αυτές οι συσκευές ήταν σημαντικά διαφορετικές. Εάν το AGP και το PCI μπορούσαν να καυχηθούν για παράλληλη μεταφορά πληροφοριών, τότε το PCI Express ήταν μια σειριακή διεπαφή. Η υψηλότερη απόδοσή του εξασφαλίστηκε από έναν σημαντικά αυξημένο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων σε λειτουργία διπλής όψης (οι πληροφορίες σε αυτήν την περίπτωση μπορούσαν να μεταδοθούν σε δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα).

Ρυθμός μεταφοράς και μέθοδος κρυπτογράφησης

Στην ονομασία της διεπαφής PCI-E x16, ο αριθμός υποδεικνύει τον αριθμό των λωρίδων που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά δεδομένων. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχουν 16 από αυτά, καθένα από αυτά, με τη σειρά του, αποτελείται από 2 ζεύγη καλωδίων για τη μετάδοση πληροφοριών. Όπως σημειώθηκε, μεγαλύτερη ταχύτητα εξασφαλίζεται από το γεγονός ότι αυτά τα ζεύγη λειτουργούν σε λειτουργία full duplex. Δηλαδή, η μεταφορά πληροφοριών μπορεί να γίνει σε δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

Για προστασία από πιθανή απώλεια ή παραμόρφωση των μεταδιδόμενων δεδομένων, αυτή η διεπαφή χρησιμοποιεί ένα ειδικό σύστημα προστασίας πληροφοριών που ονομάζεται 8V/10V. Αυτή η ονομασία αποκρυπτογραφείται ως εξής: για τη σωστή και σωστή μετάδοση 8 bit δεδομένων, πρέπει να συμπληρωθούν με 2 bit υπηρεσίας για να πραγματοποιηθεί έλεγχος ορθότητας. Σε αυτήν την περίπτωση, το σύστημα αναγκάζεται να μεταδώσει το 20 τοις εκατό των πληροφοριών υπηρεσίας, οι οποίες δεν φέρουν χρήσιμο φορτίο για τον χρήστη του υπολογιστή. Αλλά αυτό είναι το τίμημα για την αξιόπιστη και σταθερή λειτουργία του υποσυστήματος γραφικών ενός προσωπικού υπολογιστή και σίγουρα δεν υπάρχει τρόπος να το κάνετε χωρίς αυτό.

Εκδόσεις PCI-E

Η υποδοχή PCI-E x16 είναι εξωτερικά η ίδια σε όλες τις μητρικές πλακέτες. Μόνο η ταχύτητα μεταφοράς πληροφοριών σε κάθε περίπτωση μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Ως αποτέλεσμα, η απόδοση της συσκευής είναι επίσης διαφορετική. Και οι τροποποιήσεις για αυτήν τη γραφική διεπαφή είναι οι εξής:

• 1η τροποποίηση PCI - Express x16 v. Το 1.0 είχε θεωρητική απόδοση 8 Gb/s.
• 2ης γενιάς PCI - Express x16 v. Το 2.0 είχε ήδη διπλάσια απόδοση των 16 Gb/s.
• Μια παρόμοια τάση έχει ήδη συνεχιστεί για την τρίτη έκδοση αυτής της διεπαφής. Σε αυτήν την περίπτωση, ο αριθμός αυτός ορίστηκε στα 64 Gb/s.

Είναι αδύνατο να γίνει διάκριση οπτικά από τη θέση των επαφών. Ταυτόχρονα, είναι συμβατά μεταξύ τους. Για παράδειγμα, εάν εγκαταστήσετε μια κάρτα προσαρμογέα γραφικών σε μια υποδοχή έκδοσης 3.0 που πληροί τις προδιαγραφές 2.0 σε φυσικό επίπεδο, τότε ολόκληρο το σύστημα επεξεργασίας θα μεταβεί αυτόματα στη λειτουργία χαμηλότερης ταχύτητας (δηλαδή, 2.0) και θα συνεχίσει να λειτουργεί με απόδοση 64 Gb/s.

Πρώτης γενιάς PCI Express

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το PCI Express εισήχθη για πρώτη φορά το 2002. Η κυκλοφορία του σηματοδότησε την εμφάνιση προσωπικών υπολογιστών με πολλαπλούς προσαρμογείς γραφικών, οι οποίοι, επιπλέον, μπορούσαν να υπερηφανεύονται για αυξημένη απόδοση ακόμη και με έναν επιταχυντή εγκατεστημένο. Το πρότυπο AGP 8X επέτρεπε απόδοση 2,1 Gb/s και η πρώτη αναθεώρηση του PCI Express - 8 Gb/s.

Φυσικά, δεν χρειάζεται να μιλάμε για οκταπλασιασμό. Το 20 τοις εκατό της αύξησης χρησιμοποιήθηκε για τη μεταφορά πληροφοριών υπηρεσίας, γεγονός που επέτρεψε την εύρεση σφαλμάτων.

Δεύτερη τροποποίηση του PCI-E

Η πρώτη γενιά αυτού αντικαταστάθηκε το 2007 από το PCI-E 2.0 x16. Οι κάρτες γραφικών 2ης γενιάς, όπως σημειώθηκε νωρίτερα, ήταν φυσικά και λογισμικό συμβατές με την πρώτη τροποποίηση αυτής της διεπαφής. Μόνο σε αυτή την περίπτωση η απόδοση του συστήματος γραφικών μειώθηκε σημαντικά στο επίπεδο της έκδοσης διασύνδεσης PCI Express 1.0 16x.

Θεωρητικά, το όριο μεταφοράς πληροφοριών σε αυτή την περίπτωση ήταν ίσο με 16 Gb/s. Αλλά το 20 τοις εκατό της αύξησης που προέκυψε δαπανήθηκε σε ιδιοκτησιακές πληροφορίες. Ως αποτέλεσμα, στην πρώτη περίπτωση, η πραγματική μεταφορά ήταν ίση με: 8 Gb/s - (8 Gb/s x 20%: 100%) = 6,4 Gb/s. Και για τη δεύτερη εκτέλεση της γραφικής διεπαφής, αυτή η τιμή ήταν ήδη αυτή: 16 Gb/s - (16 Gb/s x 20%: 100%) = 12,8 Gb/s. Διαιρώντας τα 12,8 Gb/s με 6,4 Gb/s, έχουμε μια πραγματική πρακτική αύξηση της απόδοσης κατά 2 φορές μεταξύ της 1ης και της 2ης έκδοσης του PCI Express.

Τρίτη γενιά

Η τελευταία και πιο πρόσφατη ενημέρωση αυτής της διεπαφής κυκλοφόρησε το 2010. Η μέγιστη ταχύτητα του PCI-E x16 σε αυτήν την περίπτωση έχει αυξηθεί στα 64 Gb/s και η μέγιστη ισχύς του προσαρμογέα γραφικών χωρίς πρόσθετη ισχύ σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να είναι ίση με 75 W.

Επιλογές διαμόρφωσης με πολλαπλούς επιταχυντές γραφικών σε έναν υπολογιστή. Τα υπέρ και τα κατά τους

Μία από τις πιο σημαντικές καινοτομίες αυτής της διεπαφής είναι η δυνατότητα να διαθέτει πολλαπλούς προσαρμογείς γραφικών x16 ταυτόχρονα. Σε αυτή την περίπτωση, οι κάρτες γραφικών συνδυάζονται μεταξύ τους και σχηματίζουν, ουσιαστικά, μια ενιαία συσκευή. Η συνολική τους απόδοση συνοψίζεται και αυτό σας επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά την απόδοση του υπολογιστή σας όσον αφορά την επεξεργασία της εικόνας εξόδου. Για λύσεις από την NVidia, αυτή η λειτουργία ονομάζεται SLI και για επεξεργαστές γραφικών από την AMD - CrossFire.

Το μέλλον αυτού του προτύπου

Η υποδοχή PCI-E x16 σίγουρα δεν θα αλλάξει στο άμεσο μέλλον. Αυτό θα επιτρέψει τη χρήση πιο ισχυρών καρτών γραφικών ως τμήμα παλιών υπολογιστών και, ως εκ τούτου, θα πραγματοποιήσει μια σταδιακή αναβάθμιση του συστήματος του υπολογιστή. Τώρα οι προδιαγραφές για την 4η έκδοση αυτής της μεθόδου μεταφοράς δεδομένων επεξεργάζονται. Για προσαρμογείς γραφικών σε αυτήν την περίπτωση, θα παρέχονται το πολύ 128 GB/s. Αυτό θα σας επιτρέψει να εμφανίσετε την εικόνα στην οθόνη της οθόνης σε ποιότητα "4K" ή μεγαλύτερη.

Αποτελέσματα

Όπως και να έχει, το PCI-E x16 είναι προς το παρόν η μοναδική υποδοχή γραφικών και διεπαφή. Θα είναι σχετικό για αρκετό καιρό. Οι παράμετροί του σάς επιτρέπουν να δημιουργείτε συστήματα υπολογιστών εισαγωγικού επιπέδου και υπολογιστές υψηλής απόδοσης με πολλούς επιταχυντές. Ακριβώς λόγω αυτής της ευελιξίας δεν αναμένονται σημαντικές αλλαγές σε αυτή τη θέση.