PCI Express ( англ. Peripheral Component Interconnect Express ), или PCIe , или PCI-e ; также известная как 3GIO ( 3rd Generation I/O ) — компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа «точка-точка»), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол , основанный на последовательной передаче данных .

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand . Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года . Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group .

Описание

В отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда .

Устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается :

• горячая замена карт;
• гарантированная полоса пропускания ( QoS );
• управление энергопотреблением;
• контроль целостности передаваемых данных.

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

Протокол

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

Соединение ( англ. link — связь, соединение) между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (×1) или нескольких (×2, ×4, ×8, ×16 и ×32) двунаправленных последовательных линий . Каждое устройство должно поддерживать соединение, по крайней мере, с одной линией (×1).

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 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 ×1 будет работать в слотах ×4 и ×16);
• слот большего физического размера может использовать не все линии (например, к слоту ×16 можно подвести проводники передачи информации, соответствующие ×1 или ×8, и всё это будет нормально функционировать; однако при этом необходимо подключить все проводники питания и заземления, необходимые для слота ×16).

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 ×4 физически не поместится в стандартный слот ×1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте ×1 с использованием только одной линии. На некоторых материнских платах можно встретить нестандартные слоты ×1 и ×4, у которых отсутствует крайняя перегородка, таким образом, в них можно устанавливать карты большей длины, чем разъём. 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 синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне PCI Express использует метод канального кодирования (8 бит в десяти, избыточность — 20 %) для устранения постоянной составляющей в передаваемом сигнале и для встраивания информации о синхронизации в поток данных. Начиная с версии PCI Express 3.0 используется более экономное кодирование 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 .

Спецификации стандарта

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).
• Расширения структуры возможностей ^{[ уточнить ]} — 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 ( англ. PCI functions ) внутри устройства ( англ. PCI device ).
• 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 разъёмами, 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 разъёмах 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 продаётся с версией 2.0, наличие только видеокарты с 2.1 не даёт задействовать режим 2.1.

PCI-Express 3.0

В ноябре 2010 года были утверждены спецификации версии PCI Express 3.0. Интерфейс обладает скоростью передачи данных 8 GT/s ( Гигатранзакций/с ). Но, несмотря на это, его реальная пропускная способность всё равно была увеличена вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Этого удалось достигнуть благодаря более агрессивной схеме кодирования 128b/130b, когда 128 бит данных, пересылаемых по шине, кодируются 130 битами. При этом сохранилась полная совместимость с предыдущими версиями PCI Express. Карты PCI Express 1.x и 2.x будут работать в разъёме 3.0 и, наоборот, карта PCI Express 3.0 будет работать в разъёмах 1.х и 2.х (хотя и не сможет раскрыть весь свой скоростной потенциал). Для 4 линий скорость передачи данных составляет 4 Гбайт/с, для 16 линий — 16 Гбайт/с .

По данным PCI-SIG, первые тесты PCI-Express 3.0 начались в 2011 году, средства для проверки совместимости для партнёров появились лишь в середине 2011 года, а реальные устройства ― только в 2012 году.

PCI-Express 4.0

PCI-SIG заявила, что PCI-Express 4.0 может быть стандартизирован до конца 2016 года , однако на середину 2016 года, когда ряд чипов уже готовился к изготовлению, СМИ сообщали, что стандартизация ожидается в начале 2017 . Позднее сроки стандартизации были перенесены, и спецификация была опубликована только 5 октября 2017 года .

По сравнению со спецификацией PCI Express 3.0 максимальная скорость передачи данных по шине PCI Express удвоена — с 8 до 16 GT/s. Кроме того, уменьшены задержки, улучшена масштабируемость и поддержка виртуализации . Для 4 линий скорость передачи данных составляет 8 Гбайт/с, для 16 линий — 32 Гбайт/с .

7 ноября 2018 года AMD объявила о планах выпуска в продажу в четвёртом квартале 2018 года первого GPU с поддержкой PCI-Express 4.0 x16 . 27 мая 2019 года компания Gigabyte объявила о выпуске системных плат серии X570 Aorus. По словам производителя, эти платы «открывают эру PCIe 4.0» .

PCI-Express 5.0

В мае 2019 года появилась окончательная спецификация стандарта PCI Express 5.0 . Скорость передачи данных по шине PCI-Express составила 32 GT/s. Ожидается, что подобная скорость положительно повлияет на проекты, связанные с виртуальной реальностью . Для 4 линий скорость передачи данных составляет 16 ГБайт/с, для 16 линий — 64 ГБайт/с .

PCI-Express 6.0

11 января 2022 года PCI-SIG официально объявила о выпуске окончательной спецификации PCI Express 6.0. По сравнению с PCIe 5.0 произошло удвоение пропускной способности. Так, скорость передачи данных составляет 64 ГТ/с, а для 16 линий 256 Гбайт/с. Кроме того, посредством ( англ. Flit ), использовано кодирование, позволяющее применять упрощённую систему коррекции ошибок Low-latency Forward Error Correction (FEC), передачу по схеме с амплитудно-импульсной модуляцией ( PAM4 ) и алгоритма CRC ( англ. Cyclic redundancy check ), проверяющий без задержек целостность данных .

PCI-Express 7.0

В июне 2022 PCI-SIG анонсировал разработку спецификации PCI-E 7.0. Она будет обеспечивать скорость передачи данных до 128 ГТ/с и до 512 ГБ/с в каждом направлении в конфигурации ×16 с использованием той же сигнализации PAM4 , что и в версии PCI-E 6.0. Удвоение скорости передачи данных будет достигнуто за счет точной настройки параметров канала для уменьшения потерь сигнала и повышения энергоэффективности. Ожидается, что спецификация будет окончательна принята в 2025 году .

Пропускная способность

PCIe является полнодуплексным протоколом, то есть потоки приёма и передачи имеют независимые каналы и одинаковые максимальные скорости. Скорость компьютерных шин принято выражать в гигатранзакциях в секунду . За 1 транзакцию передаётся одно кодовое слово. Для расчёта пропускной способности 1 линии шины необходимо учесть ( англ. ) (для PCI-E 3.0 и выше — ( англ. ). Например, пропускная способность линии PCIe 1.0 составляет:

2,5 ГТ/с · 8/10 бит/Т = 2 Гбит/с = 0,25 ГБайт/с

Несмотря на то, что стандарт допускает 32 линии на порт, такие решения физически достаточно громоздки для прямой реализации и выпускаются только в проприетарных разъёмах.

Пропускная способность PCI Express в дуплексе (в обе стороны), Гбайт/с

Год выпуска	Версия PCI Express	Кодирование	Скорость передачи одной линии	Пропускная способность на x линий в дуплексе (в обе стороны)
				×1	×2	×4	×8	×16
2002	1.0-1.1	8b/10b	2,5 ГТ/с	500 МБайт/с = 0,5 ГБайт/с	1 ГБайт/с	2 ГБайт/с	4 ГБайт/с	8 ГБайт/с
2007	2.0-2.1	8b/10b	5 ГТ/с	1 ГБайт/с	2 ГБайт/с	4 ГБайт/с	8 ГБайт/с	16 ГБайт/с
2010	3.0-3.1	128b/130b	8 ГТ/с	2 ГБайт/с	4 ГБайт/с	8 ГБайт/с	16 ГБайт/с	32 ГБайт/с (256 Gbit/s)
2017	4.0	128b/130b	16 ГТ/с	4 ГБайт/с	8 ГБайт/с	16 ГБайт/с	32 ГБайт/с	64 ГБайт/с (512 Gbit/s)
2019	5.0	128b/130b	32 ГТ/с	8 ГБайт/с	16 ГБайт/с	32 ГБайт/с	64 ГБайт/с	128 ГБайт/с (1024 Gbit/s)
2022	6.0	242B/256B, PAM-4 , FEC ,	64 ГТ/с	16 ГБайт/с	32 ГБайт/с	64 ГБайт/с	128 ГБайт/с	256 ГБайт/с (2048 Gbit/s)
2025	7.0	242B/256B, PAM-4, FEC, FLIT	128 ГТ/с	32 ГБайт/с	64 ГБайт/с	128 ГБайт/с	256 ГБайт/с	512 ГБайт/с ( 4096 Gbit/s )

Интерфейсы

• ( ) — замена форм-фактора Mini PCI . На разъём Mini Card выведены шины: ×1 PCIe, USB 2.0 и SMBus.
  • M.2 — вторая версия Mini PCIe, до ×4 PCIe и SATA.
• ExpressCard — подобен форм-фактору PCMCIA . На разъём ExpressCard выведены шины ×1 PCIe и USB 2.0, карты ExpressCard поддерживают горячее подключение.
• AdvancedTCA , MicroTCA — форм-фактор для модульного телекоммуникационного оборудования .
• Mobile PCI Express Module (MXM) — промышленный форм-фактор, созданный для ноутбуков фирмой NVIDIA . Его используют для подключения графических ускорителей.
• Кабельные спецификации PCI Express позволяют доводить длину одного соединения до десятков метров, что делает возможным создание ЭВМ, периферийные устройства которой находятся на значительном удалении .
• — спецификация для построения наращиваемых компьютерных систем. Данная спецификация описывает разъёмы расширения , FPE и их взаимное расположение.

PCI Express ×1

Выводы PCI Express ×1
№ вывода	Назначение	№ вывода	Назначение
B1	+12V	A1	PRSNT1#
B2	+12V	A2	+12V
B3	+12V	A3	+12V
B4	GND	A4	GND
B5	SMCLK	A5	JTAG2
B6	SMDAT	A6	JTAG3
B7	GND	A7	JTAG4
B8	+3.3V	A8	JTAG5
B9	JTAG1	A9	+3.3V
B10	3.3V__AUX	A10	3.3V
B11	WAKE#	A11	PERST#
Перегородка
B12	RSVD	A12	GND_A12
B13	GND	A13	REFCLK+
B14	PETP0	A14	REFCLK-
B15	PETN0	A15	GND
B16	GND	A16	PERP0
B17	PRSNT2#	A17	PERN0
B18	GND	A18	GND

Mini PCI-E

См. также M.2

Mini PCI Express — формат шины PCI Express для портативных устройств.

Для этого стандарта разъёма выпускается много периферийных устройств:

• WiFi-карты
• WiMax-карты
• GSM-модемы
• GPS-приёмники
• SSD-накопители — использует нестандартную распиновку разъёма Mini PCI-E (SSD Mini PCI Express)
• Контроллеры USB (2.0 или 3.0), SATA (I, II или III)
• Контроллер COM-портов (RS232)
• SMBus
• Выводы для индикаторных светодиодов
• Выводы подключения SIM-карт (для GSM WCDMA)
• Имеет зарезервированные контакты (для будущих устройств)
• Питание 1,5 В и 3,3 В

Выводы Mini PCI-E
№ вывода	Назначение	№ вывода	Назначение
51	Зарезервировано	52	+3.3 V
49	Зарезервировано	50	GND
47	Зарезервировано	48	+1.5 V
45	Зарезервировано	46	LED_WPAN#
43	Зарезервировано	44	LED_WLAN#
41	Зарезервировано (+3.3 V)	42	LED_WWAN#
39	Зарезервировано (+3.3 V)	40	GND
37	Зарезервировано (GND)	38	USB_D+
35	GND	36	USB_D-
33	PETp0	34	GND
31	PETn0	32	SMB_DATA
29	GND	30	SMB_CLK
27	GND	28	+1.5 V
25	PERp0	26	GND
23	PERn0	24	+3.3 Vaux
21	GND	22	PERST#
19	Зарезервировано (UIM_C4)	20	W_DISABLE#
17	Зарезервировано (UIM_C8)	18	GND
Перегородка
15	GND	16	UIM_VPP
13	REFCLK+	14	UIM_RESET
11	REFCLK-	12	UIM_CLK
9	GND	10	UIM_DATA
7	CLKREQ#	8	UIM_PWR
5	Зарезервировано (COEX2)	6	1.5 V
3	Зарезервировано (COEX1)	4	GND
1	WAKE#	2	3.3 V

SSD Mini PCI Express

• PATA
• SATA
• USB
• Питание 3.3 В

Контакты SSD Mini PCI Express [ источник не указан 3766 дней ]
33	Sata TX+	34	GND
31	Sata TX-	32	IDE_DMARQ
29	GND	30	IDE_DMACK
27	GND	28	IDE_IOREAD
25	Sata RX+	26	GND
23	Sata RX-	24	IDE_IOWR
21	GND	22	IDE_RESET
19	IDE_D7	20	IDE_D8
17	IDE_D6	18	GND
Перегородка		Перегородка
15	GND	16	IDE_D9
13	IDE_D5	14	IDE_D10
11	IDE_D4	12	IDE_D11
9	GND	10	IDE_D12
7	IDE_D3	8	IDE_D13
5	IDE_D2	6	IDE_D14
3	IDE_D1	4	GND
1	IDE_D0	2	IDE_D15

ExpressCard

Слоты ExpressCard применяются в ноутбуках для подключения:

• Плат SSD накопителей
• Видеокарт
• Контроллеров 1394/FireWire (iLINK)
• Док-станций
• Измерительных приборов
• Адаптеров карт памяти (CF, MS, SD, xD, и т. д.)
• Сетевых адаптеров
• Контроллеров параллельных и последовательных портов
• Адаптеров PC Card/PCMCIA
• Дистанционного управления
• Контроллеров SATA
• Адаптеров SmartCard
• ТВ-тюнеров
• Контроллеров USB
• Беспроводных сетевых адаптеров Wi-Fi
• Беспроводных широкополосных интернет-адаптеров (3G, CDMA, EVDO, GPRS, UMTS, и т. д.)
• Звуковых карт для домашнего мультимедиа и профессиональных аудиоинтерфейсов.

Оптический

В 2023 году комитет по стандартизации PCI-SIG начал изучать возможность использования в PCIe 8.0 или 9.0 оптических соединений вместо электрических. Это позволит сэкономить энергию, снизить тепловыделение и повысит скорость передачи данных .

Конкурирующие протоколы

Кроме PCI Express, существует ещё ряд высокоскоростных стандартизованных последовательных интерфейсов, вот некоторые из них: HyperTransport , InfiniBand , RapidIO , и . 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, подключённые 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.

Также существуют специализированные шины для подключения чипсетов (между северным и южным мостом ), созданные на базе физического протокола PCI Express (обычно ×4), но с иными логическими протоколами. Например, в платформах Intel используется шина DMI , а в системах AMD с чипсетом AMD Fusion — шина .

См. также

Примечания

Литература

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

Ссылки

• One Stop Systems , Inc
• С. Озеров, А. Карабуто. // Sec.Ru
• // techlabs.by, 26.11.2008
• // IXBT.com , 4 сентября 2003
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.) ( PDF )
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• от 7 июня 2023г (рус.)