Параметры PCI Express

PCI Express разработана с расчетом на разнообразные применения - от полной замены шин PCI и PCI-X в настольных компьютерах и серверах до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. При этом пиковая производительность (на один канал передачи данных, без учета двунаправленности) всего на 50% больше, нежели производительность "обычной" 33-мегагерцовой PCI - 200 против 133 Мбайт/с. То есть для перехода на последовательную шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное увеличение тактовой частоты - до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать. Именно поэтому PCI Express появилась только сегодня - раньше для нее просто не было технических предпосылок

Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью передачи данных в расчете на один сигнальный контакт - около 100 Мбайт/с. Для сравнения: у обычной шины PCI этот показатель - всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц / 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 -11,4 Мбайт/с на контакт (64x133/93), у AGP 8X - 19,75 Мбайт/с на контакт (32x533/108), а у Intel Hub Link 2 - 26,6 Мбайт/с на контакт (2x16 бит на 8x66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых, экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых - за счет более компактной разводки шин (чертежи плат).

Если в параллельной шине, например PCI, данные непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной информацией - CRC, адресом получателя и пр.), что и обуславливает простоту их посылки и получения, то в последовательной шине сказать что-либо о "физическом носителе" заранее невозможно. Информация, которую необходимо передать, просто упаковывается в пакеты, куда заносятся данные о получателе и коды обнаружения/исправления ошибок - а получившийся сплошной поток (где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная информация) уже передается - абсолютно неважно каким способом - через физическую среду. Приемник, в свою очередь, распаковывает прибывшие пакеты, исправляет ошибки или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и направляет пакет далее. Собственно, "последовательность" шины вовсе не значит, что данные передаются побитно (хотя в случае с PCI Express это так), а понимается в том смысле, что данные и служебная информация передаются последовательно, по одним и тем же каналам (в отличие от параллельной передачи той же информации). Стандарт PCI Express предусматривает схему организации данных, показанную на Рис. 2. Можно отметить, что PCI Express использует традиционную многоуровневую модель, аналогичную сетевой ISO/SOI. На самом верхнем уровне располагаются прикладные приложения, использующие PCI-
Рис.2 Организация данных в PCI Express.

устройство. Для них в новой схеме не меняется ровным счетом ничего - для передачи или приема данных через шину PCI приложения обращаются к операционной системе, причем все старые операционки как работали с PCI, так и будут работать с PCI Express. Хотя для полноценной реализации всех возможностей новой шины (например, горячего подключения устройств), не предусмотренных в предыдущем стандарте, потребуется немного модифицировать ОС. В случае продукции Microsoft полноценная поддержка PCI Express обещана лишь в Longhorn, но возможны соответствующие "заплатки" и к некоторым существующим системам. То же справедливо и для драйверов оконечных устройств. Однако все последующие уровни уже относятся к "железной" реализации, и здесь происходят кардинальные изменения.

Прежде всего, добавлено два новых уровня (Transaction Layer и Link Layer), которые так же, как TCP и IP - выполняют функции абсолютно те же, (что и у "сетевых" аналогов). Transaction Layer заведует первоначальной упаковкой данных, передачей их конкретному получателю и гарантиями корректной доставки сообщения. Link Layer указывает физический адрес назначения пакета, по которому контроллеры шины принимают решение о направлении пакета в конкретную физическую линию, здесь же располагается код обнаружения и исправления ошибок в принятом пакете (CRC), номер пакета, позволяющий отличить один пакет от другого, и др. Однако, в отличие от TCP/IP, маршрутизация пакетов (принятие решений о том, на какую шину перенаправить пакет, какой из нескольких претендующих пакетов передать первым) осуществляется на уровне транзакций. Но пакет передается только в том случае, когда поступил сигнал готовности от буфера приема. Как следствие, уменьшается число повторов пакета и шина используется более эффективно. Формат пакетов шины PCI Express показан на Рис. 3.

Рис.3 Формат пакетов шины PCI Express.

Внизу этой пирамиды размещается физическая реализация шины передачи данных - это две дифференциальные пары проводников с импедансом 50 Ом (первая пара работает на прием, вторая - на передачу), данные по которым передаются с использованием избыточного кодирования по схеме "8/10" с исправлением ошибок. Это позволяет исправлять многие простые ошибки, неизбежные на столь высоких частотах, без привлечения протоколов вышележащих уровней и без лишних повторных передач. Кроме того, это нужно, чтобы уменьшить долю "постоянных" составляющих в сигнале (не более четырех нулей или единиц подряд, Рис. 4) - обеспечить баланс дифференциальной пары по постоянному току и позволить приемнику уверенно синхронизироваться по фронтам поступающего сигнала, поскольку никакого дополнительного ("внешнего") синхронизирующего сигнала от тактового генератора в PCI Express не используется.

Рис4. Иллюстрация принципа кодирования 8b/10b.

В качестве рабочих напряжений выбраны уровни от 0,2 до 0,4 В для логического нуля и от 0,4 до 0,8 В для логической единицы. Как и в любой сети, передаваемые данные дополнительно нарезаются небольшими кусочками - фреймами. При тактовой частоте шины 2,5 ГГц получается скорость 2,5 Гбит/с. С учетом выбранной схемы "8/10" выходит 250 Мбайт/с, однако многоуровневая сетевая иерархия не может не сказаться на скорости работы, и реальная производительность шины оказывается значительно ниже - всего лишь около 200 Мбайт/с в каждую сторону.

Это на 50% больше, чем теоретическая пропускная способность шины PCI. Но это далеко не предел. PCI Express позволяет объединять в шину нескольких независимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1,2,4,8,1 б и 32 линий - передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме "первый байт на первую линию, второй - на вторую,..., n-й байт на n-ю линию, n+1-й снова на первую, п+2 снова достигается прекрасная масштабируемость PCI Express, позволяющая организовывать шины с максимальной пропускной способностью до 32x200=6,4 Гбайт/с в одном направлении (Табл. 1), как и лучше параллельныешины сегодняшнего дня.

Таблица 1. Число контактов в разъемах и полоса пропускания шин PCI, PCI-X, AGP и PCI Express
Тип слота	Число контактов в разъеме	Полоса пропускания, Мбайт/с
Теоретическая	Эффективная
PCI (32 бит 33 МГц)			~110
PCI-X (64 бит 133 МГц)			~900
PCI Express x1		250*	~220*
PCI Express x4		1000*	~800*
PCI Express x8		2000*	~1600*
PCI Express x16		4000*	~3200*
PCI Express x32		8000*	~6400*
AGP 8x			~2000
* — в каждом направлении независимо.

PCI Express относится к шинам класса "точка-точка", то есть одна шина может соединять только два устройства (в отличие от PCI, где на общую шину "вешались" все PCI-слоты компьютера), поэтому для организации подключения более чем одного устройства в топологию организуемой PCI Express, как и в Ethernet-решениях на базе витой пары или устройствах USB, надо будет вставлять хабы и свитчи, распределяющие сигнал по нескольким шинам. Это тоже одно из главных отличий PCI Express от прежних параллельных шин.

На схеме (Рис. 2) физический уровень не зря обозначен из трёх элементов - на самом деле, в качестве "физического носителя" PCI Express может выступать что угодно, хоть тот же Gigabit Ethernet. Во-первых, это позволит по мере развития электроники легко нарастить тактовую частоту шины (ее обещают поднять вчетверо и довести до 10 ГГц, что уже вплотную приближается к теоретическому пределу передачи сигнала по медным соединениям, оцениваемому в 15-20 ГГц, без малейшего ущерба для совместимости с приложениями и драйверами. А во-вторых, это позволит реализовывать необычные по меркам сегодняшнего дня решения. Возможна реализация разделения системного блока на две части. Северный мост, процессор, память, видеокарта и, возможно, HDD с прочими "системными" компонентами останутся в одной половине, которую можно будет никогда ее не трогать. А южный мост и всю периферию - оптические приводы, дисководы и картоводы, звуковую карту, USB 2.0, FireWire и все соответствующие выходы - можно поместить в компактный и красивый корпус, который, например, может служить подставкой для монитора. Соединяться "половинки" компьютера будут как раз по единственной шине PCI Express, хотя физический носитель в этом случае, конечно, будет совсем другой - например, оптический. Появились в стандарте PCI Express (по сравнению с PCI) и другие новые возможности, - например, поддержка виртуальных каналов, QoS (Quality of Service) и изохронная передача данных.

Дата добавления: 2014-01-05