Pci express 3.0 и 4.0: в чем разница

Содержимое пакетов уровня транзакций

Рисунок 3 — Пример запроса на запись в память длиной в 1 DWРисунок 4 — Пример запроса на чтение из памяти длиной в 1 DWРисунок 5 — Пример успешного ответа на чтениеРисунок 6— Пример ответа о неподдерживаемом запросеРисунок 7 — Пример заголовка запроса на запись 128 байтТаблица 4 — Перечень сокращений для полей заголовков

• унаследованные прерывания (Legacy Interrupts или INT);
• прерывания в виде сообщений (Message Signaled Interrupts или MSI);
• расширенные прерывания в виде сообщения (Message Signaled Interrupts Extended или MSI-X).

Рисунок 8 — Таблица векторов прерываний MSI-XРисунок 9 — Таблица флагов ожидающих прерываний

Описание протокола

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

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

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 lane’ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane’ов 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 слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

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, GigabitEthernet), информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует ставший общепринятым метод кодирования 8B/10B (8 бит данных заменяются на 10 бит, передаваемых по каналу, таким образом 20% передаваемого по каналу трафика является избыточными), который позволяет поднять помехозащищённость.

В чем разница между PCI Express 3.0 и 4.0

Основная разница между PCI Express 3.0 и 4.0 заключается в скорости передачи данных. Каждая версия PCI Express получает удвоение пропускной способности и 4-я версия не исключение. При использовании 16 линий через PCI-e 4.0 можно передавать данные со скоростью31,5 ГБайт/с, что в два раза больше, чем при использовании версии 3.0.

Разница в пропускной способности выглядит впечатляюще, но многим устройствам такая большая скорость на данный момент не нужна. Поэтому реальный прирост производительности может быть намного меньше.

Например, в таблице внизу приведены результаты видеокарты Radeon RX 5700 XT при ее подключении с помощью PCI-e 3.0 и PCI-e 4.0. Как видно, более высокая пропускная способность PCI-e 4.0 практически не влияет на производительность видеокарты в играх.

С другой стороны, твердотельные диски (SSD) очень чувствительны к скорости подключения и в этом случае разница между PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0 более заметна.

Например, в таблице внизу приведены результаты двух похожих SSD накопителей: FireCuda 510 и FireCuda 520. Первый из которых использует интерфейс PCI-e 3.0, а второй PCI-e 4.0.

Как видно, при последовательном чтении прирост производительности почти полуторакратный. В новых SSD, которые будут выпускаться под PCI-e 4.0 эта разница может быть еще существенней.

Обратная совместимость версий PCI-Express 1.0, 2.0 и 3.0

Данный вопрос волнует многих, особенно при выборе видеокарты для текущей системы. Так как довольствуясь системой с материнской платой, которая поддерживает PCI-Express 1.0, возникают сомнения, будет ли корректно работать видеокарта с PCI-Express 2.0 или 3.0? Да, будет, по крайней мере так обещают разработчики, которые обеспечили эту самую совместимость. Единственное то, что видеокарта, не сможет полностью раскрыться во всей красе, но потери производительности, в большинстве случаев, будут незначительны.

С точностью наоборот, можно преспокойно устанавливать видеокарты с интерфейсом PCI-E 1.0, в материнские платы, которые поддерживают PCI-E 3.0 или 2.0, тут вообще ничего не ограничивается, так что будьте спокойны по поводу совместимости. Если, конечно же, с другими факторами все в порядке, к таковым можно отнести недостаточно мощный блок питания и т.д.

В общем, мы довольно подробно поговорили относительно PCI-Express, что позволит вам избавиться от множества неясностей и сомнений по поводу совместимости и понимания различий в версиях PCI-E.

blog comments powered by DISQUS

История шины PCI и ее проблемы

Когда в начале 1990-x гг. она появилась, то по своим техническим характеристикам значительно превосходила все существовавшие до того момента шины, такие, как ISA, EISA, MCA и VL-bus. В то время шина PCI(Peripheral Component Interconnect —  взаимодействие периферийных компонентов), работавшая на частоте 33 Мгц, хорошо подходила для большинства периферийных устройств. Но сегодня ситуация во многом изменилась. Прежде всего, значительно возросли тактовые частоты процессора и памяти.  Например, тактовая частота процессоров увеличились с 33 МГц до нескольких ГГц, в то время как рабочая частота PCI увеличилась всего до 66 МГц. Появление таких технологий, как Gigabit Ethernet и IEEE 1394B грозило тем, что вся пропускная  способность шины PCI может уйти на обслуживание одного-единственного устройства на основе данных технологий.

При этом архитектура PCI имеет ряд преимуществ по сравнению с предшественниками, поэтому полностью пересматривать было нерационально. Прежде всего, она не зависит от типа процессора, поддерживает буферную изоляцию, технологию bus mastering (захват шины) и технологию PnP в полном объеме. Буферная изоляция означает, что шина PCI действует независимо от внутренней шины процессора, что дает возможность шине процессора функционировать независимо от скорости и загруженности системной шины. Благодаря технологии захвата шины периферийные устройства получили возможность непосредственно управлять процессом передачи данных по шине, вместо того, чтобы ожидать помощи от центрального процессора, что отразилось бы на производительности системы. Наконец, поддержка Plug and Play позволяет осуществлять автоматическую настройку и конфигурирование пользующихся ею устройств и избежать возни с джамперами и переключателями, которая изрядно портила жизнь владельцам ISA-устройств.

Несмотря на несомненный успех PCI, в нынешнее время она сталкивается с серьезными проблемами. Среди них – ограниченная пропускная способность, недостаток функций передачи данных в реальном времени и отсутствие поддержки сетевых технологий нового поколения.

Сравнительные характеристики различных стандартов PCI

Следует учесть, что реальная пропускная способность может быть меньше теоретической из-за принципа работы протокола и особенностей топологии шины. К тому же общая пропускная способность распределяется между всеми подключенными к ней устройствами, поэтому, чем больше устройств сидит на шине, тем меньшая пропускная способность достается каждому из них.

Такие усовершенствования стандарта, как PCI-X и AGP были призваны устранить ее главный недостаток – низкую тактовую частоту. Однако увеличение тактовой частоты в этих реализациях повлекло за собой уменьшение эффективной длины шины и количества разъемов.

Новое поколение шины — PCI Express (или сокращенно PCI-E), было впервые представлено в 2004 году и было призвано решить все те проблемы, с которыми столкнулась её предшественница. Сегодня  большая часть новых компьютеров снабжается шиной PCI Express. Хотя стандартные слоты PCI в них тоже присутствуют, однако не за горами то время, когда шина станет достоянием истории.

Распиновка PCI-Express 8x

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).

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.

Сколько линий PCIe необходимо?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определиться с конфигурацией будущей системы. Я сейчас не затрагиваю тему разгона, ибо это несколько иной подход к выбору материнской платы, а исхожу из требований к использованию каких-либо плат расширения. Вариант офисного компьютера также оставлю за рамками разговора, т. к. в большинстве случаев достаточно минимальной конфигурации с использованием встроенного в процессор видеоядра и установка каких-либо дискретных адаптеров скорее всего не планируется.

Если будущий ПК предназначен для сборки игровой системы нижне-среднего уровня без разгона и использования флагманских CPU и GPU, то будет использоваться только внешняя видеокарта в сочетании с 1-2-3 накопителями. Значит, рассматривать можно платы, начиная с младших чипсетов. Даже у них есть возможность установки некоторых дополнительных адаптеров.

А кстати, сколько вот для этих «некоторых дополнительных адаптеров» линий-то нужно? Давайте попробуем свести это в табличку:

Это не весь возможный перечень. При необходимости, можно установить адаптер LPT и прочих портов, дополнительный сетевой контроллер и т. п. Как бы то ни было, надо точно знать, какой разъем для такой платы нужен и сколько линий PCIe он требует.

Если же выбор останавливается на топовом железе, то в любом случае в вашем распоряжении будет максимально возможное количество линий, и остается только не выйти за их лимит, утыкивая материнскую плату разнообразными адаптерами, накопителями и т. п.

Что такое PCI Express и что он обозначает?

PCI Express означает Peripheral Component Interconnect Express и представляет собой стандартный интерфейс для подключения периферийного оборудования к материнской плате на компьютере. Другими словами, PCI Express или сокращенно PCIe — это интерфейс, который подключает к материнской плате внутренние карты расширения, такие как видеокарты, звуковые карты, адаптеры Ethernet и Wi-Fi . Кроме того, PCI Express также используется для подключения некоторых типов твердотельных накопителей, которые обычно очень быстрые.

Какие типы слотов и размеров PCI Express существуют, и что означают линии PCIe? Для подключения плат расширения к материнской плате PCI Express использует физические слоты. Обычными слотами PCI Express, которые мы видим на материнских платах, являются PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 и PCIe x16. Число, которое следует за буквой «х», говорит нам о физических размерах слота PCI Express, который, в свою очередь, определяется количеством контактов на нем. Чем больше число, тем длиннее слот PCIe и тем больше контактов, которые соединяют плату расширения с гнездом.

Кроме того, число «х» также указывает, сколько полос доступно в этом слоте расширения. Вот как сравниваются часто используемые слоты PCIe:

• PCIe x1: имеет 1 полосу , 18 контактов и длину 25 мм
• PCIe x4: имеет 4 линии , 32 контакта и длину 39 мм
• PCIe x8: имеет 8 линий , 49 контактов и длину 56 мм
• PCIe x16: имеет 16 линий , 82 контакта и длину 89 мм

Линии PCI Express — это пути между набором микросхем материнской платы и слотами PCIe или другими устройствами, являющимися частью материнской платы, такими как разъем процессора, слоты M.2 SSD, сетевые адаптеры, контроллеры SATA или контроллеры USB.

В PCI Express каждая полоса индивидуальна, что означает, что она не может быть разделена между различными устройствами. Например, если ваша видеокарта подключена к слоту PCIe x16, это означает, что она имеет 16 независимых линий, выделенных только для нее. Никакой другой компонент не может использовать эти полосы, кроме графической карты.

Вот идея, которая может упростить вам понимание того, что такое линии PCI Express: просто представьте, что PCI Express — это магистраль, а автомобили, которые едут по ней, — это данные, которые передаются. Чем больше полос движения доступно на шоссе, тем больше автомобилей можно проехать по нему; чем больше у вас PCIe-линий, тем больше данных можно передать.

Карта PCI Express может устанавливаться и работать в любом слоте PCIe, доступном на материнской плате, если этот слот не меньше платы расширения. Например, вы можете установить карту PCIe x1 в слот PCIe x16. Тем не менее, вы не можете сделать обратное. Например, вы можете установить звуковую карту PCIe x1 в слот PCIe x16, но вы не можете установить графическую карту PCIe x16 в слот PCIe x1.

Какие версии PCI Express существуют, и какую скорость передачи данных (пропускную способность) они поддерживают?

Сегодня используются четыре версии PCI Express: PCI Express 1.0, PCI Express 2.0, PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0. Каждая версия PCIe поддерживает примерно удвоенную пропускную способность предыдущего PCIe . Вот что предлагает каждый из них:

• PCI Express 1.0: имеет пропускную способность 250 МБ / с на линию
• PCI Express 2.0: имеет пропускную способность 500 МБ / с на линию
• PCI Express 3.0: имеет пропускную способность 984,6 МБ / с на линию
• PCI Express 4.0: имеет пропускную способность 1969 МБ / с на линию

Помните, что слоты PCIe могут предложить не одну, а несколько дорожек? Значения полосы пропускания, которые мы разделили, умножаются на количество линий, доступных в слоте PCIe. Если вы хотите рассчитать, сколько пропускной способности доступно для определенной платы расширения, вам нужно умножить пропускную способность PCIe на линию на количество доступных для нее линий.

Например, графическая карта, которая поддерживает PCI Express 4.0 и подключена к слоту PCIe x16, имеет доступ к общей пропускной способности около 31,51 ГБ / с. Это результат умножения 1969 МБ / с на 16 (пропускная способность PCIe на линию * 16 линий). Впечатляет, правда?

Вот как масштабируются версии PCI Express, если принять во внимание линии PCI Express:

В будущем появятся новые версии PCI Express, такие как PCI Express 5.0 и PCI Express 6.0. Спецификация PCIe 5.0 была доработана летом 2019 года, предлагая пропускную способность до 3938 МБ / с на линию и до 63 ГБ / с в конфигурации x16. Однако, скорее всего, мы не увидим его в ближайшее время на компьютерном оборудовании потребительского уровня.