Что такое pci express? имеют ли значение линии, слоты и версии pcie?

Архитектурная модель PCI Express

Подробности

Родительская категория: PCI Express

Категория: PCI Express

Архитектура PCI Express разделена на три уровня:

1. уровень транзакций (Transaction Layer) — верний уровень архитектуры, отвечающий за сборку и разборку транзакционных пакетов TLP (Transaction Layer Packets). Эти пакеты используются для транзакций чтения и записи, а также сообщения о событиях некоторых типов. Каждый пакет TLP имеет уникальный идентификатор, который позволяет направить ответный пакет его отправителю. В TLP используются различные форматы адресации, зависящие от типов транзакций. Пакет может иметь атрибуты отмены слежения за когерентностью NS (No Snoop) и «расслабленной» упорядоченности RO (Relaxed Ordering). Каждая транзакция, требующая ответа, выполняется в виде расщепленной. Уровень транзакций отвечает и за управление потоком, реализованное на основе механизма кредитов;
2. канальный уровень (Data Link Layer), промежуточный в стеке, первым делом отвечает за управление связью, обнаружение ошибок и организации повторных передач, до успеха или признания отказа соединения. К пакетам, полученным от уровня транзакций, канальный уровень добавляет номера пакетов и контрольные коды. Канальный уровень и сам является генератором и получателем пакетов DLLP (Data Link Layer Packet), используемых для управления соединением;
3. физический уровень изолирует канальный от всех подробностей передачи сигналов. Он состоит из двух субблоков. Логический субблок при передаче выполняет распределение данных по линиям, скремблирование, кодирование по схеме 8B/10B, кадрирование и преобразование в последовательный код. При приеме выполняются обратные действия. Дополнительные символы, обеспечиваемые кодированием 8B/10B, используются для служебной сигнализации. Логический субблок отвечает и за согласование соединения, инициализацию и т. п. Электрический субблок отвечает за электрическое согласование, синхронизацию, обнаружение приемника. Уровневая модель, принятая в PCI Express, позволяет, не затрагивая остальных уровней, заменить физический уровень или его субблоки, когда появятся более эффективные схемы кодирования и сигнализации. Интерфейс между физическим и канальным уровнем зависит от реализации этих компонентов и выбирается их разработчиком. Интерфейс физического уровня четко специфицирован, что обеспечивает возможность соединения устройств разного происхождения. Для тестирования на соответствие электрическим параметрам достаточно подключить устройство PCI Express к специальному тестеру.

Распиновка PCI-Express 4x

Описание протокола[]

Файл:Gigabyte GV-NX62TC256D8 Rev 1.0.jpg

Видеокарта для PCI Express x16

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое линией (Шаблон:Lang-en — полоса, ряд); это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение (Шаблон:Lang-en — связь, соединение) между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (x1) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных линий. Каждое устройство должно поддерживать соединение, по крайней мере, с одной линией (x1).

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
• слот большего физического размера может использовать не все линии (например, к слоту x16 можно подвести проводники передачи информации, соответствующие x1 или x8, и всё это будет нормально функционировать; однако при этом необходимо подключить все проводники питания и заземления, необходимые для слота x16).

В обоих случаях на шине PCI Express будет использоваться максимальное количество линий, доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express. Например, карта x4 физически не поместится в стандартный слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x1 с использованием только одной линии. На некоторых материнских платах можно встретить нестандартные слоты x1 и x4, у которых отсутствует крайняя перегородка, таким образом, в них можно устанавливать карты большей длины, чем разъем. При этом не обеспечивается питание и заземление выступающей части карты, что может привести к различным проблемам.

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

Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, гигабитный Ethernet), информация о Шаблон:D- должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне PCI Express использует метод канального кодирования 8b/10b (8 бит в десяти, избыточность — 20 %) для устранения постоянной составляющей в передаваемом сигнале и для встраивания информации о синхронизации в поток данных. В PCI Express 3.0 используется более экономное кодирование 128b/130b с избыточностью 1,5 %.

Некоторые протоколы (например, SONET/SDH) используют метод, который называется скремблинг (англ. scrambling) для встраивания информации о синхронизации в поток данных и для «размывания» спектра передаваемого сигнала. Спецификация PCI Express также предусматривает функцию скремблинга, но скремблинг PCI Express отличается от такового для SONET.

Какие периферийные устройства используют какие порты?

Для стандартной версии PCI Express версии 3.0 максимальная скорость передачи данных на полосу составляет восемь гигабайт, что означает «все данные и электронные накладные расходы одновременно». В реальном мире скорость для PCI-E версии 3 составляет чуть меньше одного гигабайта в секунду на полосу.

Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, такое как звуковая карта с низким энергопотреблением или антенна Wi-Fi, может передавать данные на остальную часть компьютера со скоростью примерно 1 Гбит/с. Карта, которая подключается к физически большему слоту x4 или x8, например, карта расширения USB 3.0, может передавать данные в четыре или восемь раз быстрее — и это было бы необходимо, если бы более двух из этих USB-портов использовались с максимальной скоростью. Порты PCI-E x16 с теоретическим максимумом около 15 Гбит/с для версии 3.0 используются почти для всех современных видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.

Большинство дискретных видеокарт используют полный слот PCI-E x16.

Связанная статья: Что такое слот расширения M.2 и как его использовать?

Нет никаких установленных правил, какие карты расширения будут использовать какое количество полос. Видеокарты, как правило, используют x16 только для максимальной передачи данных, но, очевидно, вам не нужна сетевая карта для использования порта x16 и шестнадцати полных линий, когда его порт Ethernet может передавать данные только со скоростью один гигабит в секунду (примерно восьмая часть пропускной способности одной линии PCI-E (помните, восемь бит на байт)). Существует небольшое количество твердотельных накопителей, установленных на PCI-E, которые предпочитают порт x4, но их, похоже, быстро обогнал новый стандарт M.2, который также может использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такое как адаптеры и контроллеры RAID, используют сочетание форматов x4 и x8.

Стандарты PCI-e передачи

PCI Express 1.0a

В 2003 году представили PCIe 1.0a со скоростью передачи данных 250 МБ / с и скоростью передачи 2,5 гигатрансфера в секунду (GT / s). Скорость передачи выражается в передачах в секунду, а не в битах в секунду, поскольку количество передач включает служебные биты, которые не обеспечивают дополнительной пропускной способности; PCIe 1.x использует схему кодирования 8b / 10b, что приводит к 20% (= 2/10) расходам на исходную полосу пропускания канала.

PCI Express 2.0

Объявили о PCI Express Base 2.0 в 2007 году. Стандарт PCIe 2.0 удваивает скорость передачи данных по сравнению с PCIe 1.0 до 5 ГТ / с, а пропускная способность на полосу увеличивается с 250 МБ / с до 500 МБ. / с. Следовательно, 32-полосный разъем PCIe (× 32) может поддерживать совокупную пропускную способность до 16 ГБ / с. Слоты материнской платы PCIe 2.0 полностью обратно совместимы с картами PCIe v1.x. Карты PCIe 2.0 также обычно обратно совместимы с материнскими платами PCIe 1.x, используя доступную пропускную способность PCI Express 1.1. В целом, графические карты или материнские платы, разработанные для версии 2.0, будут работать с другими версиями 1.1 или 1.0a. Как и 1.x, PCIe 2.0 использует схему кодирования 8b / 10b, поэтому обеспечивает эффективную максимальную скорость передачи 4 Гбит / с для каждой полосы по сравнению со скоростью исходных данных 5 ГТ / с.

PCI Express 2.1

PCI Express 2.1 вышла в 2009 году, она поддерживает большую часть систем управления, поддержки и устранения неполадок, которые запланированы для полной реализации в PCI Express 3.0. Однако скорость такая же, как у PCI Express 2.0. Увеличение мощности из слота нарушает обратную совместимость между картами PCI Express 2.1 и некоторыми старыми материнскими платами с 1.0 / 1.0a, но большинство материнских плат с разъемами PCI Express 1.1 поставляются с обновлением BIOS их производителями через служебные программы для поддержки обратной совместимости карт. с PCIe 2.1.

PCI Express 3.0

Спецификация PCI Express 3.0 стала доступна в конце 2010 года. Новые функции PCI Express 3.0 включают ряд оптимизаций для улучшенной передачи сигналов и целостности данных, включая выравнивание передатчика и приемника, усовершенствования системы ФАПЧ, восстановление тактовых данных и улучшения каналов для поддерживаемых в настоящее время топологии. PCI Express 3.0 обновляет схему кодирования до 128b / 130b по сравнению с предыдущей кодировкой 8b / 10b, уменьшая накладные расходы на полосу пропускания с 20% от PCI Express 2.0 примерно до 1,54% (= 2/130). Это достигается с помощью операции XOR известного двоичного полинома в качестве скремблера к потоку данных в топологии обратной связи. Скорость передачи данных PCI Express 3.0 8 ГТ / с эффективно обеспечивает 985 МБ / с на полосу, что почти вдвое увеличивает пропускную способность полосы пропускания по сравнению с PCI Express 2.0.

PCI Express 4.0

PCI Express 4.0 был анонсирован в 2017 году, обеспечивая скорость передачи данных 16 ГТ / с, что удваивает пропускную способность, обеспечиваемую PCI Express 3.0, при сохранении обратной и прямой совместимости как в программной поддержке, так и в используемом механическом интерфейсе. Спецификации PCI Express 4.0 также включают OCuLink-2, альтернативу разъему Thunderbolt. OCuLink версии 2 будет иметь скорость до 16 Гб / с (всего 8 ГБ / с для 4 полос), а максимальная пропускная способность разъема Thunderbolt 3 составляет 5 ГБ / с. Кроме того, необходимо изучить оптимизацию активной и неактивной мощности.

Что такое PCI Express 3.0 и 4.0

PCI Express (PCIe, PCI-e) – основный интерфейс для подключения к компьютеру дополнительных комплектующих. Его используют для подключения видеокарт, твердотельных накопителей (SSD), звуковых и сетевых карт, а также других устройств.

Интерфейс PCI Express появился в 2003-м году и с тех пор широко распространился, вытеснив шину PCI, которая ему предшествовала. За первые несколько лет появилось 3 версии данного интерфейса, которые получили названия PCI Express 1.0 (2003-й год), PCI Express 2.0 (2007-й год) и PCI Express 3.0 (2010-й год).

На версии 3.0 развитие интерфейса несколько затормозилось. С 2010-го по 2017-й новых версий не появлялось, и версия 3.0 являлась последней и самой актуальной. Впрочем, скорости передачи данных, которую обеспечивала третья версия было вполне достаточно. При использовании всех 16 линий скорость достигала 15,8 ГБайт/с.

PCI Express версии 4.0 появился в 2017 году и с тех пор выход новых версий ускорился. PCI Express 5.0 был выпущен в 2019-м, а версия 6.0 ожидается в 2021-м.

Реальные устройства с использованием PCI-e 4.0 начали появляться в продаже в 2019-м году. Первыми стали видеокарты AMD Radeon RX 5500 XT, Radeon RX 5700 и Radeon RX 5700 XT, а также материнские платы для процессоров AMD на базе чипсетов TRX40, X570 и B550. С распространением 4-й версии интерфейса возник вопрос, какие преимущества он предоставляет и стоит ли за него переплачивать при сборке компьютера. Поскольку комплектующие с его поддержкой стоят пока заметно дороже.

Конкурирующие протоколы[]

Кроме PCI Express, существует ещё ряд высокоскоростных стандартизованных последовательных интерфейсов, вот только некоторые из них: HyperTransport, InfiniBand, RapidIO, и StarFabric.
Каждый интерфейс имеет своих сторонников среди промышленных компаний, так как на разработку спецификаций протоколов уже ушли значительные суммы, и каждый консорциум стремится подчеркнуть преимущества именно своего интерфейса над другими.

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

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

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

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

PCI Express 2.0[]

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность: ПСП одной линии 500 МБ/с, или 5 ГТ/с (Гигатранзакций/с).
• Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
• Динамическое управление скоростью (для управления скоростью работы связи).
• Оповещение о пропускной способности (для оповещения ПО об изменениях скорости и ширины шины).
• Шаблон:Уточнить 2 — расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом).
• Службы управления доступом — опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
• Управление таймаутом выполнения.
• Сброс на уровне функций — опциональный механизм для сброса функций (Шаблон:Lang-en) внутри устройства (Шаблон:Lang-en).
• Переопределение предела по мощности (для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих бо́льшую мощность).

PCI Express 2.0 полностью совместим с PCI Express 1.1 (старые видеокарты будут работать в системных платах с новыми разъемами, но только на скорости 2,5 ГТ/с, так как старые чипсеты не могут поддерживать удвоенную скорость передачи данных; новые видеоадаптеры будут без проблем работать в старых разъемах стандарта PCI Express 1.х.).

Внешняя кабельная спецификация PCIe

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

PCI Express 2.1

По физическим характеристикам (скорость, разъём) соответствует 2.0, в программной части добавлены функции, которые в полной мере планируют внедрить в версии 3.0. Так как большинство системных плат продаются с версией 2.0, наличие только видеокарты с 2.1 не даёт задействовать режим 2.1.

Express Card

Стандарт Express Card предлагает очень простой способ добавления оборудования в систему. Целевым рынком для модулей Express Card являются ноутбуки и небольшие ПК.  В отличие от традиционных плат расширения настольных компьютеров, карта Express может подключаться к системе в любой момент во время работы компьютера.

Одной из популярных разновидностей Express Card является карта PCI Express Mini Card, разработанная в качестве замены карт форм-фактора Mini PCI. Карта, созданная в этом формате, поддерживает как PCI Express, так и USB 2.0. Размеры PCI Express Mini Card составляют 30×56 мм. Карта PCI Express Mini Card  может подключаться к PCI Express х1.

Жизнь на быстрых полосах

PCI-E с момента своего создания претерпел множество изменений; в настоящее время новые материнские платы обычно используют версию 3 стандарта, более быстрая версия 4 становится все более и более распространённой, и уже выпущена спецификация версии 5. Но все разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть четырёх основных размеров : x1, x4, x8 и x16. (Порты x32 существуют, но встречаются крайне редко и обычно не встречаются на потребительском оборудовании.)

Карты разного размера поддерживают разное максимальное количество линий PCI-Express.

Различные физические размеры позволяют использовать разное количество одновременных подключений контактов данных к материнской плате: чем больше порт, тем больше максимальное количество подключений к карте и порту. Эти соединения в просторечии известны как «дорожки», при этом каждая дорожка PCI-E состоит из двух сигнальных пар, одна для отправки данных, а другая для приёма данных. Различные версии стандарта PCI-E допускают разную скорость на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос на одном порте PCI-E и подключённой к нему карте, тем быстрее могут передаваться данные между периферийным устройством и остальной частью компьютерной системы.

Возвращаясь к нашей метафоре бара: если вы представите каждого посетителя, сидящего за стойкой, как устройство PCI-E, то дорожка x1 будет одним барменом, обслуживающим одного клиента. Но у посетителя, сидящего на отведённом месте «x4», будет четыре бармена, которые будут приносить ему напитки и еду, а на месте «x8» будет восемь барменов только для её напитков, а на сиденье «x16» будет целых шестнадцать барменов только для него. А теперь мы перестанем говорить о барах и барменах, потому что нашим бедным образным пьющим грозит отравление алкоголем.

Каковы различные форматы PCI Express?

Показаны различные контроллеры на материнской плате

Express x1 … Express 3.0 … Express x16. Что означает «х»? Как узнаете, поддерживает ли ваш пк? Если есть карта
PCI Express x1, и есть только разъем Express x16, совместимо ли это работает? Если нет, каковы ваши варианты?

Часто не совсем понятно, когда вы покупаете карту расширения для своего компьютера, такую ​​как новая видеокарта, какая из различных технологий PCIe работает
с вашим пк лучше, чем другая.
Однако, насколько это сложно, все выглядит довольно просто, как только вы поймете две важные части информации о высокоскоростном порте: часть, описывающую физический размер,
и часть, описывающую технологическую версию, как описано ниже.

Что такое PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express , сокращенно —PCIe илиPCI-e ) — это компьютерная шина, использующая высокопроизводительный протокол последовательной передачи данных. Большинству непосвященных это определение наверняка покажется туманным. Чтобы стало понятней, разберем его более подробно. Компьютерная шина — соединение, служащее для передачи данных между функциональными блоками компьютера. Протокол – в данном случае значит «схема», «алгоритм», «порядок». Последовательная передача данных – понятие более сложное, ему придется уделить больше внимания. Все данные внутри компьютера циркулируют, обрабатываются и хранятся в виде двоичного кода, мельчайшими частичками которого являются биты. Подробнее об этом можно узнать здесь. Передача данных между функциональными блоками компьютера может осуществляться либопараллельным , либопоследовательным способом.

Параллельная передача данных

Параллельный способ подразумевает использование физического соединения из значительного количества проводников. Передача данных осуществляется «порциями», в которых количество битов соответствует количеству проводников в соединении. Каждая такая порция перед передачей как бы «развертывается в пространстве», разделяясь на биты, каждый из которых проходит к принимающему устройству по отдельному проводнику. Таким образом, каждую единицу времени каждый бит двоичного кода передается по отдельному проводу этого соединения, одновременно (параллельно) с другими битами, передающимися по остальным его проводам. Поэтому схема и называется параллельной. Например, компьютерная шина PATA (IDE), которая в домашних компьютерах не так давно была основным способом подключения жестких дисков, состоит из 40 проводников (на изображении ниже). Из них только 16 используются непосредственно для параллельной передачи данных. За каждую передачу (такт) по такой шине проходит 16 битов информации. Частота шины — 33 МГц, то есть каждую секунду происходит 33 млн. передач. Таким образом, максимальная пропускная способность такого соединения равна 528 млн. битов в секунду (16 х 33 млн.), или, если перевести в мегабайты — 66 Мегабайт / с.

Несмотря на простоту, параллельная передача данных изжила себя и уже почти не используется в компьютерной технике. Главные ее недостатки: • высокие затраты на создание каналов (нужно много проводников); • высокая помеховосприимчивость из-за взаимного влияния передаваемых сигналов друг на друга (особенно, на длинные расстояния); • необходимость обеспечения синхронного прохождения данных одновременно по всех проводниках соединения, из-за чего достижение высокой частоты отправки сигналов (частоты шины) является слишком сложной задачей.

Последовательная передача данных

Влиянию указаных выше негативных факторов в значительно меньшей степени подвержены схемы последовательной передачи данных. Сегодня они являются очень распространенными. Все USB-устройства, современные жесткие диски, SSD, видеокарты, сетевые карты и т.д. взаимодействуют с другим оборудованием с использованием последовательной передачи данных. Способ ее реализации в каждом из этих видов устройств, конечно же, отличается, но принцип везде одинаков. Для последовательной схемы не нужно много проводников. Передача данных осуществляется через один коммуникационный канал по одному биту за каждую передачу, последовательно, один за одним (что-то на подобие азбуки Морзе). На первый взгляд, такая схема кажется менее эффективной, чем в случае с параллельной передачей. Но это далеко не так. Высокая скорость здесь достигается за счет огромной частоты передачи данных (несколько миллиардов в секунду). А для устройств, требующих особо высоких скоростей обмена данными, одновременно используется несколько таких каналов (линий). Например, современные игровые видеокарты подключаются к компьютеру через 16 линий PCIe (PCIe x16).

Какие типы карт PCI Express существуют?

Благодаря требованию более быстрых, реалистичных видеоигр и инструментов редактирования видео, видеокарты были первыми типами компьютерной периферии,
чтобы воспользоваться преимуществами, предлагаемыми непосредственно PCIe.

В то время как видеокарты по-прежнему остаются наиболее распространенным типом PCIe-карты, вы обнаружите, что другие девайсы, которые значительно
быстрее подключаются к системной плате, процессору и ОЗУ. Также все чаще производятся PCIe-соединения вместо обычного PCI.
Например, многие высококачественные звуковые карты теперь используют высокоскоростной порт, а также повышают количество проводных и беспроводных сетевых
интерфейсных карт.

Карты контроллера жесткого диска могут быть наиболее полезными для PCI-E после видеокарты. Подключение высокоскоростного PCIe SSD-накопителя к этому
высокоскоростному интерфейсу позволяет значительно быстрее считывать, потом записывать диск. Некоторые контроллеры жестких дисков PCIe даже включают
встроенный SSD, сильно изменяя, как устройства хранения традиционно подключены внутри пк.

Конечно, замена PCIe на PCI и AGP полностью на более новые системные платы, почти каждый тип внутренней карты расширения, основанной на старых
интерфейсах, перестраивается для возможности использования шины PCI Express. Это включает в себя такие вещи, как карты расширения USB, карты Bluetooth и т.д.