Чем отличается pci от. SSD с интерфейсом PCI Express: обзор и тестирование пяти моделей
В настоящее время в сфере сложной электроники наблюдается активное и быстрое внедрение новых технологий, в результате чего некоторые компоненты системы могут устаревать и не подлежать обновлению и т. п.
В связи с этим приходится подключать к ним различные дополнения и , для чего нередко требуются те или иные переходники.
В данной статье мы рассмотрим переходник pci-e pci, то как он работает и какие особенности имеет.
Определение
Что же это за устройство и для чего оно нужно? Строго говоря, это шина ввода и вывода, которая подключается к персонального компьютера.
К самой этой шине, то есть к переходнику, можно подключить некоторое (различающееся в зависимости от конфигурации) количество внешних периферийных устройств.
С помощью последовательного соединения эти периферийные устройства подключаются к компьютеру.
Основной характеристикой такого устройства является его пропускная способность.
Именно она характеризует (в общем случае) качество работы, скорость ее и быстродействие компьютера и подключенных таким образом элементов.
Характеристика пропускной способности выражается в количестве линий соединения (от 1 до 32).
В зависимости от этой основной характеристики может значительно меняться и цена данного устройства. То есть, чем эта характеристика лучше (показатель выше), тем выше и стоимость такого устройства. Кроме того, многое зависит от статуса производителя, надежности оборудования и его долговечности. В среднем цена начинается от 250-500 рублей (за азиатские изделия с низкой пропускной способностью), до 2000 рублей (за европейские и японские устройства с высокой пропускной способностью).
Технические характеристики
С технической точки зрения такое устройство имеет три составные части:
Выше было написано об исключительной важности пропускной способности устройства для его нормального функционирования.
Что же такое пропускная способность? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо понимать принцип действия такого переходника.
Он способен осуществлять одновременное двунаправленное (от карты к периферии и от периферии к карте) соединение оборудования.
При этом передача данных может происходить как по одной, так и по нескольким линиям.
Чем больше таких линий, тем стабильнее работает устройство, тем выше его пропускная способность и тем более быстродейственным будет периферийное оборудование.
Важно! В зависимости от количества линий устройство может иметь различные конфигурации: х1, х2, х4, х8,х12, х16, х32. Цифра указывает непосредственно на количество полос для двусторонней одновременной передачи информации. Каждая из таких полос состоит из двух пар проводов (для передачи в двух направлениях).
Как видно из описания, эта конфигурация значительно влияет на стоимость устройства.
Но какое прикладное значение она имеет, действительно ли есть смысл тратиться дополнительно при покупке устройства?
Это напрямую зависит от того, сколько вы планируете подключить к материнской плате – чем их больше, тем более высокая пропускная способность необходима устройству для поддержания стабильной работы компьютера.
Шифрование
При такой системе передачи информации используется специфическая система защиты ее от искажений и потерь.
Этот метод защиты получил обозначение 8В/10В.
Смысл в том, что для передачи 8 бит необходимой информации должны быть использованы дополнительные 2 служебных бита для осуществления безопасности и защиты от искажений.
При работе такого адаптера, на компьютер постоянно передается 20% служебной информации, не несущей никакой нагрузки и пользователю не нужной. Но именно она, хотя и нагружает (впрочем, совсем незначительно) , обеспечивает стабильность работы шины и периферийных устройств.
История
В начале 2000-х годов активно использовался слот расширения AGP, именно с его помощью устанавливались .
Но, в какой-то момент была достигнута максимальная технически возможная его производительность и появилась необходимость в создании адаптера нового типа.
И скоро появился PCI-E – это был 2002 год.
Сразу же появилась необходимость в адаптере, который позволял бы устанавливать новые графические решения в устаревший слот расширения или наоборот.
Потому в 2002 году многие разработчики и производители всерьез занялись созданием такого адаптера.
На тот момент устройство имело одно важное качество – возможность модернизировать ПК, потратив на это минимальные суммы, ведь вместо замены материнской платы достаточно было относительно недорогого переходника.
Но разработка не увенчалась успехом, так как на тот момент стоили почти так же, как первые переходники, а потому возникла необходимость в разработке более простой конфигурации адаптера.
Интересно, что производители также последовательно увеличивали пропускную способность таких устройств. Если для первых конфигураций она составляла не более 8 Гб/с, то для второй уже 16 Гб/с, а для третьей – 64 Гб/с. Это отвечало требованиям возрастающих нагрузок, появляющихся из-за модернизации периферийных устройств.
При этом, слоты с разной скоростью передачи совместимы с любыми устройствами менее «скоростного» уровня.
То есть, если подключить к слоту третьего поколения графическую платформу второго или первого поколения, то слот автоматически переключится на иной скоростной режим, соответствующий подключенному устройству.
Отличия PCI и PCI-E
Какие специфические отличия имеются у этих двух конфигураций?
По своим техническим и эксплуатационным характеристикам PCI похож на AGP, тогда как PCI-E – принципиально новая разработка.
Тогда как PCI обеспечивает параллельную передачу информации, PCI-E – последовательную, за счет чего достигается значительно более высокая скорость передачи информации и быстродействие даже с учетом применения адаптера.
Зачем нужен?
Зачем нужен такой адаптер и для чего он может применяться, можно ли обойтись без него?
Нужно понимать, что большинство пользователей обходятся без этого оборудования потому, что оно не является необходимым даже на старых, подверженных существенному износу, компьютерах.
Это дополнительное оборудование, которое в ряде случаев улучшить функционал вашего ПК, но без которого вполне может обойтись рядовой пользователь.
По сути, использование такого переходника дает только одно основное преимущество – возможность подключения к карте памяти некоторого количества периферийных устройств, тогда как напрямую столь много их подключить невозможно. Например, таким способом можно подключить дискретную видео- или в дополнение к основной.
Также достаточно удобной возможностью может быть одновременное быстрое отключение всех периферийных устройств при необходимости.
Например, в случае, когда снижается быстродействие компьютера или по иным причинам. В этом случае пользователю не надо длительное время программно отключать компоненты.
Если спросить, какой интерфейс следует использовать для твердотельного накопителя с поддержкой протокола NVMe, то любой человек (вообще знающий, что такое NVMe) ответит: конечно PCIe 3.0 x4! Правда, с обоснованием у него, скорее всего, возникнут сложности. В лучшем случае получим ответ, что такие накопители поддерживают PCIe 3.0 x4, а пропускная способность интерфейса имеет значение. Иметь-то имеет, однако все разговоры об этом начались только тогда, когда некоторым накопителям на некоторых операциях стало тесно в рамках «обычного» SATA. Но ведь между его 600 МБ/с и (столь же теоретическими) 4 ГБ/с интерфейса PCIe 3.0 x4 - просто пропасть, причем заполненная массой вариантов! А вдруг и одной линии PCIe 3.0 хватит, поскольку это уже в полтора раза больше SATA600? Масла в огонь подливают производители контроллеров, грозящиеся в бюджетной продукции перейти на PCIe 3.0 x2, а также тот факт, что у многих пользователей и такого-то нет. Точнее, теоретически есть, но высвободить их можно, лишь переконфигурировав систему или даже что-то в ней поменяв, чего делать не хочется. А вот купить топовый твердотельный накопитель - хочется, но есть опасения, что пользы от этого не будет совсем никакой (даже морального удовлетворения от результатов тестовых утилит).
Но так это или нет? Иными словами, нужно ли действительно ориентироваться исключительно на поддерживаемый режим работы - или все-таки на практике можно поступиться принципами ? Именно это мы сегодня и решили проверить. Пусть проверка будет быстрой и не претендующей на исчерпывающую полноту, однако полученной информации должно оказаться достаточно (как нам кажется) хотя бы для того, чтобы задуматься... А пока вкратце ознакомимся с теорией.
PCI Express: существующие стандарты и их пропускная способность
Начнем с того, что́ представляет собой PCIe и с какой скоростью этот интерфейс работает. Часто его называют «шиной», что несколько неверно идеологически: как таковой шины, с которой соединены все устройства, нет. На деле имеется набор соединений «точка-точка» (похожий на многие другие последовательные интерфейсы) с контроллером в середине и присоединенными к нему устройствами (каждое из которых само по себе может быть и концентратором следующего уровня).
Первая версия PCI Express появилась почти 15 лет назад. Ориентация на использование внутри компьютера (нередко - и в пределах одной платы) позволила сделать стандарт скоростным: 2,5 гигатранзакции в секунду. Поскольку интерфейс последовательный и дуплексный, одна линия PCIe (x1; фактически атомарная единица) обеспечивает передачу данных на скоростях до 5 Гбит/с. Однако в каждом направлении - лишь половина от этого, т. е. 2,5 Гбит/с, причем это полная скорость интерфейса, а не «полезная»: для повышения надежности каждый байт кодируется 10 битами, так что теоретическая пропускная способность одной линии PCIe 1.x составляет примерно 250 МБ/с в каждую сторону. На практике нужно еще передавать служебную информацию, и в итоге правильнее говорить о ≈200 МБ/с передачи пользовательских данных. Что, впрочем, на тот момент времени не только покрывало потребности большинства устройств, но и обеспечивало солидный запас: достаточно вспомнить, что предшественница PCIe в сегменте массовых системных интерфейсов, а именно шина PCI, обеспечивала пропускную способность в 133 МБ/с. И даже если рассматривать не только массовую реализацию, но и все варианты PCI, то максимумом были 533 МБ/с, причем на всю шину, т. е. такая ПС делилась на все подключенные к ней устройства. Здесь же 250 МБ/с (поскольку и для PCI приводится обычно полная, а не полезная пропускная способность) на одну линию - в монопольном использовании. А для устройств, которым нужно больше, изначально была предусмотрена возможность агрегирования нескольких линий в единый интерфейс, по степеням двойки - от 2 до 32, т. е. предусмотренный стандартом вариант х32 в каждую сторону мог передавать уже до 8 ГБ/с. В персональных компьютерах х32 не использовался из-за сложности создания и разведения соответствующих контроллеров и устройств, так что максимумом стал вариант с 16 линиями. Использовался он (да и сейчас используется) в основном видеокартами, поскольку большинству устройств столько не требуется. Вообще, немалому их количеству и одной линии вполне достаточно, но некоторые применяют с успехом и х4, и х8: как раз по накопительной теме - RAID-контроллеры или SSD.
Время на месте не стояло, и около 10 лет назад появилась вторая версия PCIe. Улучшения касались не только скоростей, но и в этом отношении был сделан шаг вперед - интерфейс начал обеспечивать 5 гигатранзакций в секунду с сохранением той же схемы кодирования, т. е. пропускная способность удвоилась. И еще раз она удвоилась в 2010 году: PCIe 3.0 обеспечивает 8 (а не 10) гигатранзакций в секунду, но избыточность уменьшилась - теперь для кодирования 128 бит используется 130, а не 160, как ранее. В принципе, и версия PCIe 4.0 с очередным удвоением скоростей уже готова появиться на бумаге, но в ближайшее время в железе мы ее массово вряд ли увидим. На самом деле и PCIe 3.0 до сих пор в массе платформ используется совместно с PCIe 2.0, потому что и производительность последней для многих сфер применения просто... не нужна. А где нужна - работает старый добрый метод агрегации линий. Только каждая из них стала за прошедшие годы вчетверо быстрее, т. е. PCIe 3.0 х4 - это PCIe 1.0 x16, самый быстрый слот в компьютерах середины нулевых. Именно этот вариант поддерживают топовые контроллеры SSD, и именно его рекомендуется использовать. Понятно, что если такая возможность есть - много не мало. А если ее нет? Будут ли возникать какие-то проблемы, и если да, то какие? Вот с этим-то вопросом нам и предстоит разобраться.
Методика тестирования
Провести тесты с разными версиями стандарта PCIe несложно: практически все контроллеры позволяют использовать не только поддерживаемый ими, но и все более ранние. Вот с количеством линий - сложнее: нам хотелось непосредственно протестировать и варианты с одной-двумя линиями PCIe. Используемая нами обычно плата Asus H97-Pro Gamer на чипсете Intel H97 полного набора не поддерживает, но кроме «процессорного» слота х16 (который обычно и используется) на ней есть еще один, работающий в режимах PCIe 2.0 х2 или х4. Вот этой тройкой мы и воспользовались, добавив к ней еще и режим PCIe 2.0 «процессорного» слота, дабы оценить, есть ли разница. Все-таки в этом случае между процессором и SSD посторонних «посредников» нет, а вот при работе с «чипсетным» слотом - есть: собственно чипсет, фактически соединяющийся с процессором тем же PCIe 2.0 x4. Можно было добавить еще несколько режимов работы, но основную часть исследования мы все равно собирались провести на другой системе.
Дело в том, что мы решили воспользоваться случаем и заодно проверить одну «городскую легенду», а именно поверие о полезности использования топовых процессоров для тестирования накопителей. Вот и взяли восьмиядерный Core i7-5960X - родственника обычно применяемого в тестах Core i3-4170 (это Haswell и Haswell-E), но у которого ядер в четыре раза больше. Кроме того, обнаруженная в закромах плата Asus Sabertooth X99 нам сегодня полезна наличием слота PCIe x4, на деле способного работать как х1 или х2. В этой системе мы протестировали три варианта х4 (PCIe 1.0/2.0/3.0) от процессора и чипсетные PCIe 1.0 х1, PCIe 1.0 х2, PCIe 2.0 х1 и PCIe 2.0 х2 (во всех случаях чипсетные конфигурации отмечены на диаграммах значком (c) ). Есть ли смысл сейчас обращаться к первой версии PCIe, с учетом того, что вряд ли найдется хоть одна плата с поддержкой только этой версии стандарта, способная загрузиться с NVMe-устройства? С практической точки зрения - нет, а вот для проверки априори предполагаемого соотношения PCIe 1.1 х4 = PCIe 2.0 х2 и подобных оно нам пригодится. Если проверка покажет, что масштабируемость шины соответствует теории, значит, и неважно, что нам не удалось пока получить практически значимые способы подключения PCIe 3.0 x1/х2: первый будет идентичен как раз PCIe 1.1 х4 или PCIe 2.0 х2, а второй - PCIe 2.0 х4. А они у нас есть.
В плане ПО мы ограничились только Anvil’s Storage Utilities 1.1.0: разнообразные низкоуровневые характеристики накопителей она измеряет неплохо, а ничего другого нам и не нужно. Даже наоборот: любое влияние других компонентов системы является крайне нежелательным, так что низкоуровневая синтетика для наших целей безальтернативна.
В качестве «рабочего тела» мы использовали Patriot Hellfire емкостью 240 ГБ . Как было установлено при его тестировании, это не рекордсмен по производительности, но его скоростные характеристики вполне соответствуют результатам лучших SSD того же класса и той же емкости. Да и более медленные устройства на рынке уже есть, причем их будет становиться все больше. В принципе, можно будет повторить тесты и с чем-нибудь более быстрым, однако, как нам кажется, необходимости в этом нет - результаты предсказуемы. Но не станем забегать вперед, а посмотрим, что же у нас получилось.
Результаты тестов
Тестируя Hellfire, мы обратили внимание на то, что максимальную скорость на последовательных операциях из него можно «выжать» лишь многопоточной нагрузкой, так что это тоже надо принимать во внимание на будущее: теоретическая пропускная способность на то и теоретическая, что «реальные» данные, полученные в разных программах по разным сценариям, будут больше зависеть не от нее, а от этих самых программ и сценариев - в том случае, конечно, когда не помешают обстоятельства непреодолимой силы:) Как раз такие обстоятельства мы сейчас и наблюдаем: выше уже было сказано, что PCIe 1.x x1 - это ≈200 МБ/с, и именно это мы и видим. Две линии PCIe 1.x или одна PCIe 2.0 - вдвое быстрее, и именно это мы и видим. Четыре линии PCIe 1.x, две PCIe 2.0 или одна PCIe 3.0 - еще вдвое быстрее, что подтвердилось для первых двух вариантов, так что и третий вряд ли будет отличаться. То есть в принципе масштабируемость, как и предполагалось, идеальная: операции линейные, флэш с ними справляется хорошо, так что интерфейс имеет значение. Флэш перестает справляться хорошо на PCIe 2.0 x4 для записи (значит, подойдет и PCIe 3.0 x2). Чтение «может» больше, но последний шаг дает уже полутора-, а не двукратный (каким он потенциально должен быть) прирост. Также отметим, что заметной разницы между чипсетным и процессорным контроллером нет, да и между платформами тоже. Впрочем, LGA2011-3 немного впереди, но на самую малость.
Все ровно и красиво. Но шаблоны не рвет : максимум в этих тестах составляет лишь немногим больше 500 МБ/с, а это вполне по силам даже SATA600 или (в приложении к сегодняшнему тестированию) PCIe 1.0 х4 / PCIe 2.0 х2 / PCIe 3.0 х1 . Именно так: не стоит пугаться выпуску бюджетных контроллеров под PCIe х2 или наличию лишь такого количества линий (причем версии стандарта 2.0) в слотах М.2 на некоторых платах, когда больше-то и не нужно. Иногда и столько не нужно: максимальные результаты достигнуты при очереди в 16 команд, что для массового ПО не типично. Чаще встречается очередь с 1-4 командами, а для этого обойтись можно и одной линией самого первого PCIe и даже самым первым SATA. Впрочем, накладные расходы и прочее имеют место быть, так что быстрый интерфейс полезен. Однако излишне быстрый - разве что не вреден.
А еще в этом тесте по-разному ведут себя платформы, причем с единичной очередью команд - принципиально по-разному. «Беда» вовсе не в том, что много ядер - плохо. Они тут все равно не используются, разве что одно, и не настолько, чтоб вовсю развернулся буст-режим. Вот и имеем разницу где-то в 20% по частоте ядер и полтора раза по кэш-памяти - она в Haswell-E работает на более низкой частоте, а не синхронно с ядрами. В общем, топовая платформа может пригодиться разве что для вышибания максимума «йопсов» посредством максимально многопоточного режима с большой глубиной очереди команд. Жаль только, что с точки зрения практической работы это совсем уж сферическая синтетика в вакууме:)
На записи положение дел принципиально не изменилось - во всех смыслах. Но, что забавно, на обеих системах самым быстрым оказался режим PCIe 2.0 х4 в «процессорном» слоте. На обеих! И при многократных проверках/перепроверках. Тут уж поневоле задумаешься, нужны ли эти ваши новые стандарты или лучше вообще никуда не торопиться...
При работе с блоками разного размера теоретическая идиллия разбивается о то, что повышение скорости интерфейса все же имеет смысл. Результирующие цифры такие, что хватило бы пары линий PCIe 2.0, но реально в таком случае производительность ниже, чем у PCIe 3.0 х4, пусть и не в разы. И вообще тут бюджетная платформа топовую «забивает» в куда большей степени. А ведь как раз такого рода операции в основном в прикладном ПО и встречаются, т. е. эта диаграмма - наиболее приближенная к реальности. В итоге нет ничего удивительного, что никакого «вау-эффекта» толстые интерфейсы и модные протоколы не дают. Точнее, переходящему с механики - дадут, но ровно такой же, какой ему обеспечит любой твердотельный накопитель с любым интерфейсом.
Итого
Для облегчения восприятия картины по больнице в целом мы воспользовались выдаваемым программой баллом (суммарным - по чтению и записи), проведя его нормирование по «чипсетному» режиму PCIe 2.0 x4: на данный момент именно он является наиболее массово доступным, поскольку встречается даже на LGA1155 или платформах AMD без необходимости «обижать» видеокарту. Кроме того, он эквивалентен PCIe 3.0 x2, который готовятся освоить бюджетные контроллеры. Да и на новой платформе AMD АМ4, опять же, именно этот режим как раз можно получить без влияния на дискретную видеокарту.
Итак, что мы видим? Применение PCIe 3.0 x4 при наличии возможности является, безусловно, предпочтительным, но не необходимым: NVMe-накопителям среднего класса (в своем изначально топовом сегменте) он приносит буквально 10% дополнительной производительности. Да и то - за счет операций в общем-то не столь уж часто встречающихся на практике. Для чего же в данном случае реализован именно этот вариант? Во-первых, была такая возможность, а запас карман не тянет. Во-вторых, есть накопители и побыстрее, чем наш тестовый Patriot Hellfire. В-третьих, есть такие области деятельности, где «атипичные» для настольной системы нагрузки - как раз вполне типичные. Причем именно там наиболее критично быстродействие системы хранения данных или, по крайней мере, возможность сделать ее часть очень быстрой. Но к обычным персональным компьютерам это все не относится.
В них, как видим, и использование PCIe 2.0 x2 (или, соответственно, PCIe 3.0 х1) не приводит к драматическому снижению производительности - лишь на 15-20%. И это несмотря на то, что потенциальные возможности контроллера в этом случае мы ограничили в четыре раза! Для многих операций и такой пропускной способности достаточно. Вот одной линии PCIe 2.0 уже недостаточно, поэтому контроллерам имеет смысл поддерживать именно PCIe 3.0 - и в условиях жесткой нехватки линий в современной системе это будет работать неплохо. Кроме того, полезна ширина х4 - даже при отсутствии поддержки современных версий PCIe в системе она все равно позволит работать с нормальной скоростью (пусть и медленнее, чем могло бы потенциально), если найдется более-менее широкий слот.
В принципе, большое количество сценариев, в которых узким местом оказывается собственно флэш-память (да, это возможно и присуще не только механике), приводит к тому, что четыре линии третьей версии PCIe на этом накопителе обгоняют одну первой примерно в 3,5 раза - теоретическая же пропускная способность этих двух случаев различается в 16 раз. Из чего, разумеется, не следует, что нужно спешно бежать осваивать совсем медленные интерфейсы - их время ушло безвозвратно. Просто многие возможности быстрых интерфейсов могут быть реализованы лишь в будущем. Или в условиях, с которыми обычный пользователь обычного компьютера никогда в жизни непосредственно не столкнется (за исключением любителей меряться известно чем). Собственно, и всё.
Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельнуrю шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP. Несмотря на похожие наименования, шины PCI и PCI Express имеют мало общего. Протокол параллельной передачи данных, используемый в PCI, накладывает ограничения на ширину полосы пропускания и частоту работы шины; последовательная передача данных, примененная в PCI Express, обеспечивает возможность масштабирования (в спецификациях описываются реализации PCI Express 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x). На данный момент актуальной является версия шины с индексом 3.0
PCI-E 3.0
В ноябре 2010 года организация PCI-SIG, которая занимается стандартизацией технологии PCI Express, объявила о принятии спецификации PCIe Base 3.0.
Ключевым отличием от предыдущих двух версий PCIe можно считать измененную схему кодирования - теперь вместо 8 бит полезной информации из 10 бит переданной (8b/10b), по шине можно передать 128 бит полезной информации из 130 бит отправленной, т.е. коэффициент полезной нагрузки практически приблизился к 100%. Кроме того, увеличилась скорость передачи данных до 8 GT/s. Напомним, что это значение для PCIe 1.x составляло 2.5 GT/s, а для PCIe 2.x - 5 GT/s.
Все вышеперечисленные изменения привели к удвоению пропускной способности шины, по сравнению с шиной PCI-E 2.x. Это значит, что общая пропускная способность шины PCIe 3.0 в конфигурации 16x будет достигать 32 Гб/с. Первыми процессорами, которые были оснащены контроллером PCIe 3.0, стали процессоры Intel, созданные на основе микроархитектуры Ivy Bridge.
Несмотря на увеличившуюся более чем в три раза пропускную способность PCI-E 3.0 по сравнению с PCI-E 1.1, производительность одних и тех же видеокарт при использовании разных интерфейсов отличается не сильно. В таблице ниже представлены результаты тестов GeForce GTX 980 в разных тестах. Измерения проводились при одних графических настройках, в одной конфигурации Версия шины PCI-E изменялась в настройках BIOS.
PCI Express 3.0 по-прежнему сохраняет обратную совместимость с предыдущими версиями PCIe.
PCI-E 2.0
В 2007 году была принята новая спецификация шины PCI Express - 2.0, главное отличие которой заключается в удвоенной пропускной способности каждой линии передачи в каждом направлении, т.е. в случае с самой популярной версии PCI-E 16x, применяемой в видеокартах, пропускная способность составляет 8Гб/cек в каждом направлении. Первым чипсетом с поддержкой PCI-E 2.0 стал Intel X38.
PCI-E 2.0 полностью обратно совместим с PCI-E 1.0, т.е. все существующие устройства с интерфейсом PCI-E 1.0 могут работать в слотах PCI-E 2.0 и наоборот.
PCI-E 1.1
Первая версия интерфейса PCI Express, появившаяся в 2002 году. Обеспечивала пропускную способность 500 МБ/с на одну линию.
Сравнение скорости работы различных поколений PCI-E
Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную способность 133 или 266 Мб/сек, но эта пропускная способность делится между всеми устройствами PCI. Частота, на которой работает шина PCI Express 1.1 - 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек (из-за избыточного кодирования для передачи 8 бит данных реально передается 10 бит информации) для каждого устройства PCI Express 1.1 x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCI Express является двунаправленной шиной.
| Число линий PCI Express 1.1 | Пропускная способность в одном направлении | Суммарная пропускная способность |
| 1 | 250 МБ/сек | 500 МБ/сек |
| 2 | 500 Мб/сек | 1 ГБ/сек |
| 4 | 1 ГБ/сек | 2 ГБ/сек |
| 8 | 2 ГБ/сек | 4 ГБ/сек |
| 16 | 4 ГБ/сек | 8 ГБ/сек |
| 32 | 8 ГБ/сек | 16 ГБ/сек |
Обратите внимание! Не следует пытаться установить плату PCI Express в слот PCI, и, наоборот, платы PCI не устанавливаются в слоты PCI Express. Тем не менее, плата PCI Express 1x, например, может быть установлена и, скорее всего, будет нормально функционировать в слоте PCI Express 8x или 16x, но не наоборот: плата PCI Express 16x в слот PCI Express 1x не влезет.
Алексей Борзенко
,
к.т.н., доцент РРТА
Интерфейс PCI Express (известный прежде под названием 3GIO) основан на открытых стандартах и выступает как наследник PCI и его вариантов для систем ввода-вывода серверов и клиентских устройств. В отличие от PCI и PCI-X, основанных на 32- и 64-разрядной параллельной шине, PCI Express использует высокоскоростную технологию последовательного соединения, похожую на ту, что используется в Gigabit Ethernet, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS). PCI Express отражает общую для компьютерной индустрии тенденцию замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа "точка-точка" (point-to-point).
Новая технология шины обеспечивает скорость передачи, которая будет достаточной с учетом развития процессоров и подсистем ввода-вывода, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.
По сравнению с PCI технология PCI Express имеет следующие преимущества:
- высокая пропускная способность - в первой версии теоретическая пиковая пропускная способность составит 5-80 Гбит/с, в зависимости от реализации;
- последовательное соединение, обеспечивающее масштабирование производительности;
- отдельное соединение "точка-точка" для каждого устройства вместо общей шины PCI;
- малые задержки для серверной архитектуры;
- меньший размер разъемов и упрощенное проектирование систем;
- расширенные функции.
В течение следующего десятилетия интерфейс PCI Express постепенно заменит параллельные шины PCI, PCI-X и AGP. Сначала он вытеснит шины, которые требуют дополнительной производительности и функций. Например, первоначально PCI Express будет применяться как замена шины передачи графических данных AGP 8X в клиентских системах, обеспечивая высокую полосу пропускания и поддержку мультимедийного трафика. Он будет сосуществовать с шиной PCI-X и постепенно вытеснять ее в серверных системах.
Шина PCI
Шина PCI, появившаяся в 1992 г., стала основой системы ввода-вывода практически для всех компьютерных платформ. Первоначальная 33-МГц, 32-разрядная реализация обеспечивала теоретически возможную пиковую производительность 133 Мбайт/с. В последующие годы архитектура платформы развивалась, различные функции перекладывались на варианты PCI с более высокой пропускной способностью (табл. 1), включая AGP и PCI-X.
Таблица 1. Пропускная способность шин PCI, PCI-X и AGP
| Шина и частота | Пиковая пропускная способность, Мбайт/с | |
| в 32-разрядном режиме | в 64-разрядном режиме | |
| PCI 33 МГц | 133 | 266 |
| PCI 66 МГц | 266 | 532 |
| PCI-X 100 МГц | Не поддерживает | 800 |
| PCI-X 133 МГц | Не поддерживает | 1 Гбайт/с |
| AGP 8X | 2,1 Гбайт/с | Не поддерживает |
Если внимательно изучить применяемую в PCI технологию передачи сигналов, станет ясно, что увеличить производительность этой многоточечной параллельной шины уже невозможно. Дело в том, что для шины PCI трудно реализовать наращивание частоты или уменьшение напряжения. Кроме того, она не поддерживает такие функции, как расширенное управление энергопотреблением, замена и подключение в горячем режиме периферийных устройств и функции качества сервиса - QoS (а проще говоря, доступности) для гарантированной полосы пропускания операций в реальном времени. Наконец, вся имеющаяся полоса пропускания шины PCI не поддерживает одновременную передачу данных в обоих направлениях. Многие сети передачи данных обеспечивают параллельный трафик, благодаря чему задержка при передаче сообщений сводится к минимуму.
Клиентские системы
Первый вариант шины PCI был разработан для поддержки 2D-графики, высокопроизводительных жестких дисков и локальных сетей. Вскоре после появления PCI выросшие требования к пропускной способности графической подсистемы 3D превысили возможности 32-разрядной шины PCI с частотой 33 МГц. Чтобы решить эту проблему, корпорация Intel (http://www.intel.com) вместе с несколькими производителями графических плат разработали спецификацию AGP, описывающую выделенную высокоскоростную шину для работы с графикой. Шина AGP освободила систему PCI от передачи графики, что позволило задействовать ее пропускную способность для других операций передачи данных и ввода-вывода. Кроме того, впоследствии Intel добавила выделенные каналы USB 2.0 и Serial ATA к южному мосту своих наборов микросхем (НМС), что дополнительно уменьшило нагрузку ввода-вывода на шину PCI. На рис. 1 показана внутренняя архитектура типичной клиентской системы ПК и пропускная способность шины ввода-вывода и графики.
Узкие места клиентских систем
Есть несколько шин клиентской системы, способных ограничивать производительность из-за постоянного совершенствования центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода: шина PCI, шина AGP и канал между северным и южным мостами.
PCI Bus. Шина PCI обеспечивает скорость передачи до 133 Мбайт/с для подключенных устройств ввода-вывода. Ряд устройств ввода-вывода способны загрузить значительную часть этой полосы пропускания, так что если подключить несколько таких устройств, то общая шина PCI не сможет справиться с трафиком.
На рис. 2 показаны требования к полосе пропускания разных сетевых протоколов, видеоприложений и внешних устройств, которые обслуживает шина PCI. Как видно, многоточечная общая шина PCI с трудом способна работать с современными устройствами. Проблема обостряется с появлением новых периферийных устройств, использующих еще более высокую скорость передачи.
Например, для Gigabit Ethernet нужна полоса пропускания 125 Мбайт/с, иными словами, этот сетевой протокол фактически полностью загружает шину PCI 133 Мбайт/с. У IEEE 1394b максимальная полоса пропускания составляет 100 Мбайт/с, и он также полностью загружает стандартную PCI-шину.
AGP. В последнее десятилетие требования к производительности видео удваивались каждые два года. За этот период шина передачи графики перешла от PCI к AGP, затем от AGP к AGP 2X, AGP 4X и, наконец, к сегодняшней AGP 8X.
AGP 8X работает на скорости 2,134 Гбайт/с. Несмотря на такую полосу пропускания, постепенный рост требований к производительности шины AGP создает значительные проблемы при проектировании плат и повышает стоимость соединений. Как и в случае шины PCI, расширение возможностей шины AGP становится все сложнее и дороже по мере роста частот.
Канал между северным и южным мостами. Нагрузка на шину PCI влияет и на связь между северным и южным мостами, особенно при использовании дисков SATA и устройств USB. В будущем здесь потребуется канал с большей полосой пропускания.
Серверные системы
В серверах первоначальная 32-разрядная, 33-МГц шина PCI была расширена до 64-разрядной 66-МГц с пропускной способностью 532 Мбайт/с. Частота 64-разрядной шины была увеличена до 100 и до 133 МГц - этот вариант называется PCI-X. Такая шина соединяет НМС серверной системы (или двухпроцессорной рабочей станции класса high-end) со слотами расширения, контроллерами Gigabit Ethernet и Ultra320 SCSI, интегрированными на системной плате. 64-разрядная шина PCI-X с частотой 133 МГц обеспечивает пиковую полосу пропускания 1 Гбайт/с между НМС системы и устройством ввода-вывода. Сейчас этого достаточно для большинства операций ввода-вывода, включая протоколы Gigabit Ethernet, Ultra320 SCSI и Fibre Channel 2 Гбит/с. Однако PCI-X, как и PCI, - это общая шина с присущими ей недостатками.
Группа PCI Special Interest Group (PCI SIG, http://www.psisig.com) разработала спецификацию PCI-X 2.0, описывающую 64-разрядную, 266-МГц шину PCI-X, у которой скорость передачи вдвое больше, чем у 133-МГц PCI-X. Тем не менее при использовании расширенного варианта параллельной шины PCI-X возникают серьезные проблемы с проектированием. Разъемы для нее громоздкие и дорогие, а строгие требования к проектированию значительно повышают стоимость системных плат по мере роста частот. Кроме того, на высоких частотах допускается подключение к шине PCI-X 2.0 только одного устройства ввода-вывода в конфигурации "точка-точка".
Узкие места серверных систем
На рис. 3 показаны внутренние системные межсоединения в типичной двухпроцессорной серверной системе. В этой архитектуре расширение полосы пропускания обеспечивается с помощью фирменного интерфейса между микросхемами северного моста и моста PCI-X. Несколько шин PCI-X подключаются к высокоскоростным слотам расширения, 10-Гбит Ethernet и дискам SAS/SATA. Но эта архитектура имеет несколько недостатков. Специальные кристаллы мостов PCI-X соединяют несколько параллельных шин PCI-X со специальным последовательным межсоединением НМС. Такой подход связан с высокими затратами, неэффективен и приводит к задержке передачи между устройствами ввода-вывода и северным мостом. Например, этот подход предусматривает соединение последовательной фабрики 10 Гбит/с с 64-разрядной параллельной шиной, которая, в свою очередь, подключается через фирменный кристалл моста PCI-X к последовательному межсоединению в северном мосте.
 |
Рис. 3. Современная двухпроцессорная архитектура процессора. |
Кроме того, технология внешнего ввода-вывода в серверах нового поколения требует намного более широкой полосы пропускания, чем способна обеспечить 133-МГц шина PCI-X. Эти технологии включают такие фабрики, как 10-Гбит Ethernet, Fibre Channel 10 Гбит/с и 4x Infiniband, а также будущие высокоскоростные интерфейсы жестких дисков - SATA и SAS 3 Гбит/с. В случае фабрики 10 Гбит/с каждый порт с пропускной способностью 10 Гбит/с может передавать данные в обоих направлениях с пиковой скоростью 2 Гбайт/с, а 133-МГц шина PCI-X обеспечивает максимальную скорость 1 Гбайт/с в одном направлении в один момент времени. Это означает, что 133-МГц шина PCI-X способна обработать пиковую пропускную способность таких фабрик не более чем на 50%.
Хотя PCI-X 2.0 с частотой 266 МГц удвоит ширину пиковой полосы пропускания PCI-X - до 2 Гбайт/с, ее все же будет недостаточно для суммарных 4 Гбайт/с, которые нужны двухпортовому контроллеру фабрики 10 Гбит/с. Ясно, что клиентским системам и серверам требуется замена параллельной шины PCI и ее вариантов.
PCI Express
PCI Express предоставляет масштабируемую высокоскоростную последовательную шину ввода-вывода. Многоуровневая архитектура PCI Express поддерживает существующие приложения PCI и драйверы за счет обратной совместимости с существующей моделью PCI. В частности, архитектура PCI Express определяет высокопроизводительную масштабируемую последовательную шину "точка-точка". Канал PCI Express состоит из двух однонаправленных каналов, каждый из которых реализован как пара передачи и пара приема для одновременной передачи в обоих направлениях. Каждая пара состоит из двух низковольтных пар дифференциальных сигналов. Таймер синхронизации встроен в каждую пару и использует схему кодировки для синхронизации 8b/10b, позволяя достичь высокой скорости передачи данных. На рис. 4 представлены каналы PCI в сравнении с PCI Express.
 |
| Рис. 4. PCI в сравнении с PCI Express. |
Многоуровневая архитектура PCI ExpressУровень Конфигурация/ОС определяет стандартный механизм (в соответствии со спецификацией PCI Plug-and-Play) инициализации устройств, их нумерацию и конфигурирование. Этот уровень общается с уровнем ПО, инициирующего передачу данных между периферийными устройствами или получение данных от подключенной периферии. Интерфейс PCI Express разрабатывался как совместимый с существующими ОС, но для поддержки мощных функций технологии потребуются ОС будущего времени. Уровень Программное обеспечение генерирует запросы чтения и записи к периферийным устройствам. PCI Express обеспечивает инициализацию и совместимость с ПО PCI. Как и в PCI, модель инициализации PCI Express позволяет ОС обнаруживать новые аппаратные устройства и распределять ресурсы системы. PCI Express сохраняет пространство конфигурирования PCI и программирование устройств ввода-вывода, и все ОС будут загружаться, не требуя модификации, в системах с использованием PCI Express. Сохраняется и модель выполнения ПО PCI, что позволяет запускать существующее ПО без всякой модификации. Уровень Транзакций читает и записывает запросы от уровня ПО к канальному уровню с помощью протокола на основе пакетов и обеспечивает соответствие ответных пакетов запросам ПО. Этот уровень поддерживает 32-разрядную и расширенную 64-разрядную адресацию памяти, адресное пространство PCI памяти, ввода-вывода и конфигурации, а также новое пространство сообщений для таких сообщений, как прерывания и сбросы. Канальный уровень добавляет последовательность пакетов и обнаружение ошибок на основе циклических кодов избыточности (CRC) к пакетам данных, создавая надежный механизм передачи данных между системным НМС и контроллером ввода-вывода. Физический уровень базируется на двойных однонаправленных каналах PCI Express. Это обеспечивает гибкость и позволяет использовать разные технологии и частоты. Благодаря такому подходу первоначальную кремниевую технологию можно будет со временем заменить инновациями, которые сохранят обратную совместимость. Например, для повышения скорости передачи данных можно использовать оптоволоконную технологию. Механический уровень определяет форм-факторы периферийных устройств.
|
Ширину пропускания канала PCI Express можно масштабировать за счет добавления сигнальных пар для формирования нескольких линий между двумя устройствами. Спецификация поддерживает ширину линии x1, x4, x8 и x16 и соответственно расщепляет байты данных по линиям. После того, как два агента на обоих концах канала PCI Express договорятся о ширине линии и частоте передачи, байты данных передаются расщепленными по линиям с кодировкой.
Базовый канал x1 имеет пиковую "сырую" полосу пропускания на уровне 2,5 Гбит/с. Поскольку шина работает в двух направлениях (данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях), эффективная "сырая" скорость передачи равна 5 Гбит/с. В табл. 2 приведены скорости передачи данных с кодированием и без кодирования при реализации линий x1, x4, x8 и x16, которые определены в первой версии PCI Express.
Таблица 2. Полоса пропускания PCI Express
В будущих реализациях PCI Express частота передачи данных по каналу еще больше увеличится. Например, после появления второго поколения PCI Express частота передачи вырастет не менее чем вдвое. Благодаря архитектуре "точка-точка" вся полоса пропускания каждой шины PCI Express выделяется устройству на конце канала. Несколько устройств PCI могут работать одновременно, не мешая друг другу.
PCI Express, в отличие от PCI, имеет минимальные сигналы боковой полосы, а временные метки и информация об адресе встроены в данные. Именно поэтому данная технология обеспечивает высокую полосу пропускания на один контакт разъема ввода-вывода по сравнению с PCI (рис. 5). В результате соединители становятся более эффективными, компактными и дешевыми.
Технология PCI Express надежно обеспечивает более высокие скорости передачи данных за счет низковольтных дифференциальных сигналов. При таком подходе сигнал идет от источника к получателю по двум линиям: по одной посылается "позитивный" образ, по другой - "негативный", или "перевернутый" образ сигнала. Из-за строгих правил маршрутизации шум, влияющий на одну линию, влияет и на другую. Приемник получает оба сигнала, инвертирует негативную версию обратно в позитивную и суммирует два собранных сигнала, в результате шумы эффективно удаляются.
В первоначальной спецификации PCI Express определены графические платы мощностью до 75 Вт. Сейчас разрабатывается новая спецификация графики PCI Express для карт мощностью до 150 Вт. Эти характеристики соответствуют требованиям графических адаптеров, для которых сейчас предел мощности составляет 41 Вт для массовых карт AGP и 110 Вт для карт AGP Pro 110.
Полоса пропускания PCI ExpressПолоса пропускания PCI Express обычно обозначается как "кодированная" полоса пропускания. PCI Express использует кодировку 8b/10b, которая транслирует 8-разрядные данные в 10-битную последовательность передаваемых символов. Этот подход улучшает физический сигнал, что облегчает синхронизацию битов, упрощает проектирование приемников и передатчиков, совершенствует обнаружение ошибок и позволяет отличить управляющие символы от символов данных. Ширина "кодированной" полосы пропускания базовой линии x1 PCI Express равна 5 Гбит/с. Однако более точную цифру дает полоса пропускания "без кодировки", ширина которой составляет 80% "кодированной", т. е. 4 Гбит/с. В табл. 2 приведена полоса пропускания PCI Express с кодировкой и без нее. |
Расширенные функции PCI Express
В PCI Express предусмотрены расширенные функции, которые будут постепенно реализовываться по мере их поддержки ОС и устройствами, а также по мере их использования приложениями. В список этих функций входят:
- расширенное управление энергопотреблением;
- поддержка трафика данных в реальном времени;
- горячая замена;
- целостность данных и обработка ошибок.
Расширенное управление энергопотреблением
Управление в PCI Express позволяет уменьшить энергопотребление, если шина не активна (т. е. данные не пересылаются между компонентами и периферийными устройствами). Интерфейс PCI Express должен быть активным все время, чтобы передатчик и получатель работали синхронно. Для этого, если нет данных для передачи, непрерывно посылаются пустые символы, получатель декодирует их и отбрасывает. Этот процесс потребляет дополнительную энергию, что, в частности, уменьшает время работы от батарей ноутбуков и карманных компьютеров.
Для решения этой проблемы спецификация PCI Express определяет два состояния канала с низким энергопотреблением и протокол Active-State Power Management (ASPM). Когда канал PCI Express не используется, он может перейти в одно из двух состояний с низким энергопотреблением. Эти состояния экономят энергию, но требуют времени на восстановление для ресинхронизации передатчика и получателя, когда нужно передать данные. Чем дольше время восстановления (или запаздывания), тем ниже энергопотребление.
Поддержка трафика реального времени
PCI Express, в отличие от PCI, поддерживает изохронную (или зависимую от времени) передачу данных и разные уровни QoS. Эти функции реализованы с помощью "виртуальных каналов", которые гарантируют, что конкретные пакеты данных прибудут по своему конечному адресу в определенный момент времени. PCI Express поддерживает несколько изохронных виртуальных каналов (каждый с независимым сеансом связи) на одну линию. Все эти каналы могут иметь разную доступность. Данное законченное решение предназначено для приложений, требующих доставки данных в реальном времени (такова, например, работа с аудио и видео в реальном времени).
Горячая замена
Системы на базе PCI не имеют встроенной поддержки горячей замены плат ввода-вывода. Уже после выпуска стандарта PCI как дополнение к нему была разработана функция горячей замены серверных карт и PC Card с ограниченными возможностями. Эти решения рассчитаны на растущие требования серверов и портативных компьютеров. Во-первых, часто трудно или невозможно запланировать отключение сервера для замены или установки периферийных карт. Возможность горячей замены устройств ввода-вывода сводит к минимуму простои. Во-вторых, пользователям ноутбуков нужно заменять в горячем режиме карты, обеспечивающие такие функции ввода-вывода, как мобильный диск и работа в сети.
В PCI Express реализована оригинальная поддержка для горячей замены периферии ввода-вывода. Единая программная модель может использоваться для всех форм-факторов PCI Express.
Целостность данных и обработка ошибок
Интерфейс PCI Express поддерживает целостность данных на уровне каналов для всех типов пакетов транзакций и каналов данных. Благодаря этому обеспечивается целостность данных при их передаче для приложений высокой доступности, особенно для выполняющихся на серверных системах. PCI Express также поддерживает обработку ошибок PCI и использует усовершенствованный механизм оповещения об ошибках и их обработки, что расширяет возможности решений для изоляции сбоев и восстановления работоспособности.
Форм-факторы PCI Express
Разработаны различные форм-факторы PCI Express, предназначенные для клиентских систем, серверов и портативных компьютеров. В их числе стандартные и низкопрофильные карты - для настольных ПК, рабочих станций и серверов, Mini Card - для портативных компьютеров, ExpressCard - для портативных и настольных ПК, а также модули Server I/O Module (SIOM).
Стандартные и низкопрофильные карты
Выпускаемые сейчас стандартные и низкопрофильные карты PCI используются на различных платформах, включая серверы, рабочие станции и настольные ПК. PCI Express также определяет стандартные и низкопрофильные карты, которые могут заменить устаревшие карты PCI и сосуществовать с ними. Эти карты имеют те же размеры, что и карты PCI, и оборудованы задними скобами для внешних кабельных соединений.
Карты PCI и PCI Express отличаются соединителями ввода-вывода - разъем x1 PCI Express имеет 36 контактов, а у стандартного соединителя PCI их 120.
Коннектор x1 PCI Express намного меньше, чем у карты PCI Card. Рядом с разъемом PCI Express расположена маленькая заглушка, которая не позволяет вставить его в слот PCI. Стандартные и низкопрофильные форм-факторы также поддерживают реализации x4, x8 и x16. На рис. 6 показаны размеры соединителей PCI в сравнении с разъемами PCI, AGP 8X и PCI-X, которые они заменят на системной плате.
В табл. 3 приведены требования к совместимости для стандартных и низкопрофильных карт PCI Express. Карта x1 может использоваться во всех четырех слотах системной платы: x1, x4, x8 и x16. Когда карта x1 вставляется в слот с более высокой скоростью, канальный уровень снижает скорость канала до x1.
Таблица 3. Совместимость карт PCI Express Card
| Реализация PCI Express | Слот x1 | Слот x4 | Слот x8 | Слот x16 |
| Карта x1 | Нужна | Нужна | Нужна | Нужна |
| Карта x4 | Нет | Нужна | Допускается | Допускается |
| Карта x8 | Нет | Допускается* | Нужна | Допускается |
| Карта x16 | Нет | Нет | Нет | Нужна |
| *Эта реализация будет иметь коннектор x8 на слоте x4, т. е.
в такой слот можно вставлять карты x8, которые, однако, будут работать на скорости x4. |
||||
Переход на карты PCI Express
Платы клиентских систем будут постепенно переходить от соединителей PCI к соединителям x1 PCI Express. Рабочие станции соответственно будут переходить от PCI на разъемы x1 PCI Express и от PCI-X - к x4 PCI Express. Соединитель AGP 8X будет заменяться разъемом x16 PCI Express. В отличие от AGP, он может использоваться для других карт PCI Express, если не требуется графическая карта PCI Express.
Серверы будут постепенно переходить от соединителей PCI-X в основном на x4 и x8. Использование в серверных системах комбинации слотов PCI Express и PCI/PCI-X позволит покупателям адаптироваться к новой технологии при сохранении поддержки унаследованных систем.
Рассмотрим пример типичной современной клиентской системы и переходной системной платы PCI Express. Системная плата PCI содержит пять стандартных слотов PCI и один слот AGP. Системная плата PCI Express также имеет шесть слотов ввода-вывода, но только три из них - слоты PCI, а еще два - это соединители x1 PCI Express и один - разъем x16 PCI Express, заменяющий слот AGP 8X. Соединители PCI Express на системной плате иногда делают черными, чтобы отличить их от белых слотов PCI и коричневых AGP.
Конечно, первыми устройствами, которые перейдут на карты PCI Express, станут платы с повышенными требованиями к полосе пропускания. В клиентских системах это графические адаптеры, адаптеры стандарта IEEE 1394, Gigabit Ethernet и ТВ-тюнеры, а в серверных системах - карты Ultra320 SCSI RAID, HBA-адаптеры Fibre Channel и карты Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet. Ожидается, что стоимость этих плат будет сравнима с ценой аналогичных PCI-X, а в некоторых случаях даже меньше. Другие карты также постепенно перейдут на PCI Express, но может потребоваться несколько лет, прежде чем недорогие карты, работающие с низкой пропускной способностью (например, модемы), начнут использовать эту технологию. Таким образом, как это было и с переходом от ISA к шине PCI, еще долгие годы PCI и PCI Express будут сосуществовать.
PCI Express Mini Card
PCI Express Mini Card заменят Mini PCI, представляющие собой маленькую внутреннюю плату, по своей функциональности аналогичную картам PCI для настольных ПК. Карты Mini PCI используются в основном для реализации сетевых функций в портативных компьютерах, выпускаемых серийно или на заказ. По размерам PCI Express Mini Card вдвое меньше Mini PCI, что позволяет проектировщикам ноутбуков предусмотреть место для одной или двух карт в зависимости от размера компьютера.
PCI Express Mini Card может использовать PCI Express и/или USB 2.0. Разъем PCI Express Mini Card на системной плате должен поддерживать как канал x1 PCI Express, так и USB 2.0. Поддержка USB 2.0 облегчит переход на PCI Express, потому что производителям периферии нужно определенное время для реализации поддержки PCI Express в своих наборах микросхем. В переходный период PCI Express Mini Card можно будет легко подключать с помощью USB 2.0.
ExpressCard
ExpressCard - это маленькая модульная дополнительная карта, которая в течение следующих лет должна заменить PC Card. Спецификация ExpressCard была разработана ассоциацией Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA, http://www.pcmcia.org). Форм-фактор ExpressCard обеспечивает замену PC Card с меньшими размерами и стоимостью и более высокой производительностью. Как и PCI Express Mini Card, модуль ExpressCard поддерживает каналы x1 PCI Express и USB 2.0. Низкая цена делает его оптимальным для настольных систем с уменьшенным форм-фактором. Модуль ExpressCard также имеет пониженное энергопотребление, и его можно вставлять в горячем режиме. Скорее всего, ExpressCard будут использоваться в сетевых платах, жестких дисках и будущих технологиях ввода-вывода.
PCI Express Server I/O Module
Массовое появление модулей SIOM ожидается после выхода второго поколения PCI Express. PCI Express SIOM обеспечивает форм-фактор, который легко установить и заменить. Он будет модульным, что позволит устанавливать и обслуживать карты ввода-вывода без прерывания работы системы и не открывая корпус компьютера.
SIOM предусматривает более радикальное изменение форм-фактора, чем другие варианты PCI Express. Он решит многие проблемы с серверными картами PCI и PCI-X. Конструкция SIOM делает карты более надежными, что особенно важно в центрах обработки данных. Модуль также разрабатывался с расчетом на принудительную вентиляцию, поскольку мощным серверам свойственно высокое тепловыделение. Потоки охлаждающего воздуха могут идти сзади, сверху или снизу модуля. Такая гибкость дает проектировщикам систем больше свободы при оценке вариантов охлаждения стоечных систем, оборудованных SIOM.
Модули SIOM с самым большим форм-фактором способны выполнять сравнительно сложные функции и использовать весь диапазон каналов PCI Express.
Примеры систем с PCI Express
Рассмотрим, как технология PCI Express может быть реализована в клиентской и серверной системах. Первоначально канал x16 PCI Express заменит шину AGP между графической подсистемой и северным мостом. Вариант PCI Express может заменить и канал между обоими мостами НМС. Предусмотрено также несколько каналов PCI Express от южного моста к контроллеру сетевого интерфейса (NIC), устройствам IEEE 1394 и другой периферии. Южный мост будет по-прежнему поддерживать устаревшие слоты PCI.
Такая архитектура дает покупателям несколько важных преимуществ. Настольные системы еще долго будут оснащаться шинами как PCI, так и PCI Express. Первые поколения серверов PCI Express также будут иметь слоты PCI-X для устаревших карт PCI-X. Чтобы упростить переход, предусмотрена защита от ошибочной установки PCI в слоты PCI Express и карт PCI Express - в слоты PCI. Кроме того, PCI Express обеспечивает широкое применение карт Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, 1394b и других высокоскоростных устройств в клиентских системах. Он также поддерживает растущие требования к полосе пропускания графических подсистем.
PCI Express может применяться в двухпроцессорной серверной архитектуре, значительно упрощая систему. Каналы PCI Express для устройств ввода-вывода и слотов подключаются непосредственно к северному мосту. Такой подход дает ряд преимуществ. Во-первых, это высокая полоса пропускания для ввода-вывода следующего поколения, например, 10 Gigabit Ethernet и фабрики x4 Infiniband. Например, канал x8 PCI Express способен обеспечить пиковую полосу пропускания, которая требуется двухпортовому контроллеру 10 Гбит/с.
Во-вторых, меньше становятся расходы на внедрение. Удается подключить к системному набору микросхем больше слотов и встроенных устройств ввода-вывода, что уменьшает число микросхем моста и снижает требования к маршрутизации сигналов на системной плате. И наконец, за счет отказа от использования микросхемы моста PCI-X уменьшается запаздывание передачи между устройствами ввода-вывода и центральным процессором и памятью.
Таким образом, технология PCI Express обеспечивает надежное и масштабируемое последовательное соединение, обратно совместимое с PCI. Как и PCI, она будет использоваться в широком спектре существующих платформ, включая серверы, портативные компьютеры, настольные системы и рабочие станции. Она также позволит реализовать новаторскую конструкцию модульных компьютерных систем.
При смене одной только видеокарты обязательно нужно учитывать, что новые модели могут просто не подходить к вашей материнской плате, так как существует не просто несколько разных типов слотов расширения, но и несколько разных их версий (применительно и к AGP, и к PCI Express). Если вы не уверены в своих знаниях по этой теме, внимательно ознакомьтесь с разделом.
Как мы уже отметили выше, видеокарта вставляется в специальный разъем расширения на системной плате компьютера, через этот слот видеочип обменивается информацией с центральным процессором системы. На системных платах чаще всего есть слоты расширения одного-двух разных типов, отличающихся пропускной способностью, параметрами электропитания и другими характеристиками, и не все из них подходят для установки видеокарт. Важно знать имеющиеся в системе разъемы и покупать только ту видеокарту, которая им соответствует. Разные разъемы расширения несовместимы физически и логически, и видеокарта, предназначенная для одного типа, в другой не вставится и работать не будет.
К счастью, за прошедшее время успели кануть в лету не только слоты расширения ISA и VESA Local Bus (которые интересны лишь будущим археологам) и соответствующие им видеокарты, но практически исчезли и видеокарты для слотов PCI, а все AGP-модели безнадежно устарели. И все современные графические процессоры используют только один тип интерфейса — PCI Express. Ранее был широко распространён стандарт AGP, эти интерфейсы значительно отличаются друг от друга, в том числе пропускной способностью, предоставляемыми возможностями для питания видеокарты, а также другими менее важными характеристиками.
Лишь очень малая часть современных системных плат не имеет слотов PCI Express, и если ваша система настолько древняя, что использует AGP видеокарту, то заняться её апгрейдом не получится — нужно менять всю систему. Рассмотрим эти интерфейсы подробнее, именно эти слоты вам нужно искать на своих системных платах. Смотрите фотографии и сравнивайте.
AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) — это высокоскоростной интерфейс, основанный на спецификации PCI, но созданный специально для соединения видеокарт и системных плат. Шина AGP хотя и лучше подходит для видеоадаптеров по сравнению с PCI (не Express!), предоставляет прямую связь между центральным процессором и видеочипом, а также некоторые другие возможности, увеличивающие производительность в некоторых случаях, например, GART — возможность чтения текстур напрямую из оперативной памяти, без их копирования в видеопамять; более высокую тактовую частоту, упрощенные протоколы передачи данных и др., но этот тип слотов безнадёжно устарел и новых изделий с ним давно не выпускают.
Но всё же, для порядка упомянем и об этом типе. Спецификации AGP появились в 1997 году, тогда Intel выпустил первую версию описания, включающую две скорости: 1x и 2x. Во второй версии (2.0) появился AGP 4x, а в 3.0 — 8x. Рассмотрим все варианты подробнее:
AGP 1x — это 32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI (133 Мбайт/с, 33 МГц и 32 бит).
AGP 2x — 32-битный канал, работающий с удвоенной пропускной способностью 533 Мбайт/с на той же частоте 66 МГц за счет передачи данных по двум фронтам, аналогично DDR памяти (только для направления
«к видеокарте»).
AGP 4x — такой же 32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная
«эффективная» частота 266 МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с.
AGP 8x — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить пропускную способность уже до 2,1 ГБ/с.
Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1,5 В, не работают в слотах 3,3 В, и наоборот. Впрочем, существуют и универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. Видеокарты, рассчитанные на морально и физически устаревший слот AGP, давно не рассматриваются, поэтому чтобы узнать о старых AGP-системах, лучше будет ознакомиться со статьей:
PCI Express (PCIe или PCI-E, не путать с PCI-X), ранее известная как Arapahoe или 3GIO, отличается от PCI и AGP тем, что это последовательный, а не параллельный интерфейс, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность. PCIe — это лишь один из примеров перехода от параллельных шин к последовательным, вот другие примеры этого движения: HyperTransport, Serial ATA, USB и FireWire. Важное преимущество PCI Express в том, что он позволяет складывать несколько одиночных линий в один канал для увеличения пропускной способности. Многоканальность последовательного дизайна увеличивает гибкость, медленным устройствам можно выделять меньшее количество линий с малым числом контактов, а быстрым — большее.
Интерфейс PCIe 1.0 пропускает данные на скорости 250 Мбайт/с на одну линию, что почти вдвое превышает возможности обычных слотов PCI. Максимально поддерживаемое слотами PCI Express 1.0 количество линий — 32, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с. А слот PCIe с восемью рабочими линиями примерно сопоставим по этому параметру с быстрейшей из версий AGP — 8x. Что еще больше впечатляет при учете возможности одновременной передачи в обоих направлениях на высокой скорости. Наиболее распространенные слоты PCI Express x1 дают пропускную способность одной линии (250 Мбайт/с) в каждом направлении, а PCI Express x16, который применяется для видеокарт и в котором сочетается 16 линий, обеспечивает пропускную способность до 4 ГБ/с в каждом направлении.
Несмотря на то, что соединение между двумя PCIe-устройствами иногда собирается из нескольких линий, все устройства поддерживают одиночную линию, как минимум, но опционально могут работать с большим их количеством. Физически, карты расширения PCIe входят и работают нормально в любых слотах с равным или большим количеством линий, так, карта PCI Express x1 будет спокойно работать в разъемах x4 и x16. Также, слот физически большего размера может работать с логически меньшим количеством линий (например, на вид обычный разъем x16, но разведены лишь 8 линий). В любом из приведенных вариантов PCIe сам выберет максимально возможный режим, и будет нормально работать.
Чаще всего для видеоадаптеров используются разъемы x16, но есть платы и с разъемами x1. А большая часть системных плат с двумя слотами PCI Express x16 работает в режиме x8 для создания SLI- и CrossFire-систем. Физически другие варианты слотов, такие как x4, для видеокарт не используются. Напоминаю, что всё это относится только к физическому уровню, попадаются и системные платы с физическими разъемами PCI-E x16, но в реальности с разведенными 8, 4 или даже 1 каналами. И любые видеокарты, рассчитанные на 16 каналов, работать в таких слотах будут, но с меньшей производительностью. Кстати, на фотографии выше показаны слоты x16, x4 и x1, а для сравнения оставлен и PCI (снизу).
Хотя разница в играх получается не такой уж и большой. Вот, например, обзор двух системных плат на нашем сайте, в котором исследуется разница в скорости трехмерных игр на двух системных платах, пара тестовых видеокарт в которых работает в режимах 8 каналов и 1 канала соответственно:
Интересующее нас сравнение — в конце статьи, обратите внимание на две последние таблицы. Как видите, разница при средних настройках весьма небольшая, но в тяжелых режимах начинает увеличиваться, причем, большая разница отмечена в случае менее мощной видеоплаты. Примите это к сведению.
PCI Express отличается не только пропускной способностью, но и новыми возможностями по энергопотреблению. Эта необходимость возникла потому, что по слоту AGP 8x (версия 3.0) можно передать лишь не более 40 с небольшим ватт суммарно, чего уже не хватало видеокартам тогдашних поколений, рассчитанных для AGP, на которых устанавливали по одному или двум стандартным четырехконтактным разъемам питания. По разъему PCI Express можно передавать до 75 Вт, а дополнительные 75 Вт получают по стандартному шестиконтактному разъему питания (см. последний раздел этой части). В последнее время появились видеокарты с двумя такими разъемами, что в сумме даёт до 225 Вт.
В дальнейшем группа PCI-SIG, которая занимается разработкой соответствующих стандартов, представила основные спецификации PCI Express 2.0. Вторая версия PCIe вдвое увеличила стандартную пропускную способность, с 2,5 Гбит/с до 5 Гбит/с, так что разъем x16 позволяет передавать данные на скорости до 8 ГБ/с в каждом направлении. При этом PCIe 2.0 совместим с PCIe 1.1, старые карты расширения обычно нормально работают в новых системных платах.
Спецификация PCIe 2.0 поддерживает скорости передачи как 2,5 Гбит/с, так и 5 Гбит/с, это сделано для обеспечения обратной совместимости с существующими решениями PCIe 1.0 и 1.1. Обратная совместимость PCI Express 2.0 позволяет использовать устаревшие решения с 2,5 Гбит/с в слотах 5,0 Гбит/с, которые просто будут в таком случае работать на меньшей скорости. А устройства, разработанные по спецификациям версии 2.0, могут поддерживать скорости 2,5 Гбит/с и/или 5 Гбит/с.
Хотя основное нововведение в PCI Express 2.0 — это удвоенная до 5 Гбит/с скорость, но это не единственное изменение, есть и другие модификации для увеличения гибкости, новые механизмы для программного управления скоростью соединений и т. п. Нас больше всего интересуют изменения, связанные с электропитанием устройств, так как требования видеокарт к питанию неуклонно растут. В PCI-SIG разработали новую спецификацию для обеспечения увеличивающегося энергопотребления графических карт, она расширяет текущие возможности энергоснабжения до 225/300 Вт на видеокарту. Для поддержки этой спецификации используется новый 2×4-штырьковый разъем питания, предназначенный для обеспечения питанием топовых моделей видеокарт.
Видеокарты и системные платы с поддержкой PCI Express 2.0 появились в широкой продаже уже в 2007 году, а теперь на рынке других и не встретить. Оба основных производителя видеочипов, AMD и NVIDIA, выпустили новые линейки GPU и видеокарт на их основе, поддерживающие увеличенную пропускную способность второй версии PCI Express и пользующиеся новыми возможностями по электрическому питанию для карт расширения. Все они обратно совместимы с системными платами, имеющими на борту слоты PCI Express 1.x, хотя в некоторых редких случаях наблюдается несовместимость, так что нужно быть осторожным.
Собственно, появление третьей версии PCIe было очевидным событием. В ноябре 2010 года спецификации третьей версии PCI Express окончательно утвердили. Хотя этот интерфейс обладает скоростью передачи 8 гигатранзакций/с вместо 5 Гт/с у версии 2.0, его пропускная способность снова возросла ровно вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Для этого применили иную схему кодирования пересылаемых по шине данных, но совместимость с предыдущими версиями PCI Express при этом сохранилась. Первые продукты версии PCI Express 3.0 были представлены летом 2011-го, а реальные устройства только-только начали появляться на рынке.
Среди производителей системных плат разгорелась целая война за право первым представить продукт с поддержкой PCI Express 3.0 (в основном, на базе чипсета Intel Z68), и соответствующие пресс-релизы представили сразу несколько компаний. Хотя на момент обновления путеводителя видеокарт с такой поддержкой просто нет, так что это просто неинтересно. К тому времени, когда поддержка PCIe 3.0 будет нужна, появятся совершенно иные платы. Скорее всего, это произойдёт не ранее 2012 года.
К слову, можно предполагать, что PCI Express 4.0 будет представлена в течение ещё нескольких следующих лет, и новая версия также будет иметь ещё раз удвоенную пропускную способность, востребованную к тому времени. Но это произойдёт совсем нескоро, и нам пока неинтересно.
External PCI Express
В 2007 году группа PCI-SIG, занимающаяся официальной стандартизацией решений PCI Express, объявила о принятии спецификации PCI Express External Cabling 1.0, описывающей стандарт передачи данных по внешнему интерфейсу PCI Express 1.1. Эта версия позволяет передавать данные со скоростью 2,5 Гбит/с, а следующая должна увеличить пропускную способность до 5 Гбит/с. В рамках стандарта представлены четыре внешних разъема: PCI Express x1, x4, x8 и x16. Старшие разъемы оснащены специальным язычком, облегчающим подключение.
Внешний вариант интерфейса PCI Express может использоваться не только для подключения внешних видеокарт, но и для внешних накопителей и других плат расширения. Максимальная рекомендованная длина кабеля при этом равна 10 метров, но её можно увеличить при помощи соединения кабелей через повторитель.
Теоретически, это могло облегчить жизнь любителей ноутбуков, когда при работе от батарей используется маломощное встроенное видеоядро, а при подключении к настольному монитору — мощная внешняя видеокарта. Значительно облегчается апгрейд подобных видеокарт, не нужно вскрывать корпус ПК. Производители могут делать совершенно новые системы охлаждения, не ограниченные особенностями карт расширения, да и с питанием должно быть меньше проблем — скорее всего, будут использоваться внешние блоки питания, рассчитанные специально на определенную видеокарту, их можно встроить в один внешний корпус с видеокартой, используя одну систему охлаждения. Может облегчиться сборка систем на нескольких видеокартах (SLI/CrossFire), да и с учётом постоянного роста популярности мобильных решений такие внешние PCI Express должны были завоевать определенную популярность.
Должны были, но не завоевали. По состоянию на осень 2011 года внешних вариантов видеокарт на рынке практически нет. Их круг ограничен устаревшими моделями видеочипов и узким выбором совместимых ноутбуков. К сожалению, дело внешних видеокарт дальше не пошло, и потихоньку заглохло. Не слышно уже даже победных рекламных заявлений от производителей ноутбуков… Возможно, мощностей современных мобильных видеокарт просто стало хватать даже для требовательных 3D-приложений, в т. ч. и многих игр.
Остаётся надежда на развитие внешних решений в перспективном интерфейсе для подключения периферийных устройств Thunderbolt, ранее известном как Light Peak. Его разработала корпорация Intel на базе технологии DisplayPort, и первые решения уже выпущены компанией Apple. Thunderbolt объединяет возможности DisplayPort и PCI Express и позволяет подключать внешние устройства. Впрочем, пока таковых просто не существует, хотя кабели уже есть:
В статье мы не трогаем устаревшие интерфейсы, абсолютное большинство современных видеоплат рассчитано на интерфейс PCI Express 2.0, поэтому при выборе видеокарты мы предлагаем рассматривать только его, все данные о AGP приведены лишь для справки. Новые платы используют интерфейс PCI Express 2.0, объединяющий скорость 16 линий PCI Express, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с в каждом направлении, это в несколько раз больше по сравнению с той же характеристикой лучшего из AGP. Кроме того, PCI Express работает с такой скоростью в каждом из направлений, в отличие от AGP.
С другой стороны, продукты с поддержкой PCI-E 3.0 ещё толком не вышли, поэтому рассматривать их тоже не имеет особого смысла. Если речь идёт об апгрейде старой или покупке новой платы или одновременной смене системной и видеоплаты, то просто нужно приобретать платы с интерфейсом PCI Express 2.0, который будет вполне достаточен и наиболее распространен еще несколько лет, тем более что продукты разных версий PCI Express совместимы между собой.
Загрузка...
