PCI-Express

Sběrnice (jak je velmi často a špatně označována - ve skutečnosti se jedná o dvoubodový spoj, jelikož se po datové cestě přenáší pouze data bez adresy) PCI-Express, oficiálně zkracována jako PCIe (známá též jako 3GIO = 3rd Generation I/O, či PCI-E) je standard systémové sběrnice, který byl vytvořen jako náhrada za starší standardy PCI, PCI-X a AGP.

Sběrníce PCI-Express komunikuje (oproti svým předchůdcům) sériově, pomocí paketů. To přineslo řadu výhod, mimo jiné možnost dále zvyšovat frekvenci, na které sběrnice pracuje (paralelní komunikace nezvládá vyšší frekvence kvůli problémům se synchronizací, tzv. "clock skew").

Historie

Původní návrh PCIe přinesla skupina AWG (Arapaho Work Group), zpočátku složená pouze ze zaměstnanců firmy Intel, ovšem konečný standard (verze 1.0 z roku 2004) byl výsledkem spolupráce již několika hardwarových korporací, včetně firem Dell, IBM a Hewlett-Packard. V říjnu 2004 se PCI-Express stává novým standardem pro osobní počítače. High-end grafické karty obou hlavních výrobců (ATI Technologies a nVidia) byly pomalu a postupně předělávány z AGP na PCI-Express.

V lednu 2007 se prodávala většina grafických karet pro PCI-E, a to ve variantě pro PCI-E 16×. PCI-E 1× a 4× se zatím používají pouze pro zvukové karty, řadiče pevných disků a další zařízení, která nepotřebují přenášet tak vysoký objem dat jako grafické karty. PCI-Express je technologie v neustálém vývoji a zlepšování. Aktuální verzí je dnes 3.0.

Přehled verzí

PCI-Express 1.0a

V roce 2003 byla představena PCIe 1.0a s rychlostí 250 MB/s na jedné lince a přenosovou rychlostí 2.5 GT/s (gigatransfer za vteřinu = 10⁹/s). PCIe 1.x používá 8b/10b kódování, které ale vyžaduje 20% režiji při přenosu dat ((10-8/10).

Přenosová rychlost je uvedena v gigatransferech, protože takové číslo zahrnuje i režijní bity.

Propustnost PCI-Express 1.x:

1× - 250 MB/s (obousměrně 500 MB/s)

4× - 1 GB/s (obousměrně 2 GB/s)

8× - 2 GB/s (obousměrně 4 GB/s)

16× - 4 GB/s (obousměrně 8 GB/s)

PCI-Express 1.1

O dva roky pozdějí, v roce 2005, byl představen update na 1.1. Ten se týkal pouze několika málo úprav při zachování stejné rychlosti a plné zpětné kompatibility.

Ani PCI-Express 1.1 není tak dost rychlá na to, aby byla použita jako paměťová sběrnice.

PCI-Express 2.0

PCI-Express 2.0 zvyšovala přenosovou rychlost jedné linky z 250 MB/s na 500 MB/s. To znamená, že například u slotu s šestnácti linkami (PCIe 16×) vzrostla rychlost ze 4 GB/s na 8 GB/s. Tato verze je zpětně i dopředně kompatibilní, lze tedy karty s podporou PCI-Express 2.0 zapojit do základní desky, která obsahuje pouze podporu verze 1.1 a naopak. Díky tomu například nejsou grafické karty v zapojení SLI a CF limitované propustností slotu při režimu 8x.

Propustnost PCI-Express 2.0:

1× - 500 MB/s (obousměrně 1 GB/s)

4× - 2 GB/s (obousměrně 4 GB/s)

8× - 4 GB/s (obousměrně 8 GB/s)

16× - 8 GB/s (obousměrně 16 GB/s)

PCI-Express 2.1

PCI Express 2.1 podporuje velkou část systémů správy, podpory a řešení potíží, u kterých se s plnou podporou plánovalo až v následující verzi. Nekonalo se však žádné navýšení rychlosti, která tak zůstává stejná. Navýšilo se ale napájení slotu, což znamenalo přerušení zpětné kompatibility mezi verzemi 2.1 a 1.0a. Pro většinu základních desek s PCIe 1.1 ale existují BIOS updaty od výrobců, díky kterým je zpětná kompatibilita zajištěna.

PCI-Express 3.0

Po několikátém odložení byly specifikace verze 3.0 částečně zveřejněny v listopadu 2010. Již předtím však bylo známo, že bit rate oproti verzi 2.0 vzroste na 8 GT/s (gigatransferů za vteřinu) a že bude zpětně kompatibilní s předešlou verzí. Taktéž bylo oznámeno, že podrobnější detaily budou zveřejněny až v roce 2011. Nové změny se pak týkaly několika optimalizací signálové a datové integrity, zahrnující vyladění přijímače i vysílače, vylepšení PLL, obnovu hodinového signálu a vylepšení podpory stávajících topologií.

Analýza PCI-SIG (PCI Special Interest Group) ukázala, že další zvýšení rychlosti bude možné se stávající technologií za použití dostupných nízko nákladových materiálů a infrastruktury při zachování plné kompatibility s PCIe protokolem.

PCIe 3.0 oproti předešlé verzi odstraňuje 8b/10b kódování a namísto toho používá techniku nazývanou "scrambling" (změna posloupnosti bitů), která aplikuje známý binární polynom do datového toku v topologii zpětné vazby. V důsledku toho mohou být data obnoveny za použití obráceného, inverzního polynomu. Namísto odstraněného 8b/10b je zde použito 128b/130b kódovací schéma čímž režie při přenosu dat klesla z původních 20% u PCIe 2.0 přibližně na 1,5% ((130-128)/130). Rychlost 8 GT/s také zajišťuje až dvojnásobnou datovou propustnost na rozdíl od 2.0.

18. listopadu 2010 byli členové PCI-SIG oficiálně obeznámeni s finálními parametry PCIe 3.0, aby mohli začít s výrobou zařízení pro novou verzi.

První grafickou kartou s přímou podporou PCIe 3.0 byla vlajková loď společnosti AMD, Radeon 7970. Následné recenze se však domnívají, že samotný grafický výkon prakticky nevzrostl oproti starší PCIe 2.0. Nicméně se ukázalo, že je nová verze výhodná pro technologie jako OpenCL, CUDA a C++ AMP.

Propustnost PCI-Express 3.0:

1× - 1 GB/s (obousměrně 2 GB/s)

4× - 4 GB/s (obousměrně 8 GB/s)

8× - 8 GB/s (obousměrně 16 GB/s)

16× - 16 GB/s (obousměrně 32 GB/s)

Typ	Počet pinů	Použitelné piny	Celková délka	Délka vnitřku slotu
×1	2×18 = 36	2×7 = 14	25 mm	7,65 mm
×4	2×32 = 64	2×21 = 42	39 mm	21,65 mm
×8	2×49 = 98	2×38 = 76	56 mm	38,65 mm
×16	2×82 = 164	2×71 = 142	89 mm	71,65 mm

PCI-Express 4.0

Na konci roku 2011 byl oznámen začátek prací na PCI Express 4.0 s cílem dosáhnout rychlosti 16 GT/s (dvojnásobek 3.0), stále se starou technologií. Mimojiné se také chystá optimalizace napájení jak v aktivním módu, tak v nečinném. Zveřejnění finálních informací se očekává předběžne v roce 2014/2015.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku PCI Express na anglické Wikipedii.

Externí odkazy

• Implementace Linkové vrstvy PCIe - Bakalářská práce 2007 (pdf-cz)
• PCI Express - Svět hardware
• Creating a Third Generation I/O Interconnect (PDF, anglicky)
• Intel Developer Network for PCI Express Architecture (anglicky)
• Ars Technica introduction to PCI Express (anglicky)