Opis i Zastosowanie Pci-e

Wojskowa Akademia Techniczna Systemy Wbudowane

Janusz Paszyński

I6Y1S1

Opis i zastosowanie magistrali PCI-E

Prowadzący: dr inż. Andrzej Stasiak

Data wykonania: 09.05.2008

Janusz Paszyński © 2008


Spis Rzeczy:

1. Opis problemów związanych z PCI

2. PCI-X – rozwiązanie krótkoterminowe

3. Opis prac nad 3GIO

4. Opis standardu PCI-E

5. Opis budowy komputera z PCI-E

6. Przegląd urządzeń na PCI-E

7. Obecne tendencje odnośnie PCI-E i przyszłość standardu

8. Bibliografia

1. Opis problemów związanych z PCI

Około 2001 roku pojawiły się nowe tendencje w sprzęcie i oprogramowaniu, które sprzyjały

wzrostowi zapotrzebowania na szybką transmisję danych. W komputerach klasy PC, czy

desktop na znaczeniu zyskały multimedia. Transmisja dźwięku, czy obrazu wideo

doprowadziła w wielu przypadkach do granic możliwości aktualnie używanych magistral I/O.

Magistrala PCI stała się niewystarczającą i w krótkim czasie podzieliła losy magistrali ISA.

Magistrala PCI posiada kilka wad, które uniemożliwiają jej skalowalność. Dla

nowotworzonej magistrali postawiono kilka założeń, których nie można spełnić próbując

rozwijać magistralę PCI. Jednym z najważniejszych założeń był koszt wprowadzenia

magistrali, który nie mógł przekraczać kosztu magistrali PCI. Próby rozwinięcia magistrali

PCI w projekcie PCI-X nie spełniały tego założenia. Dodatkowo PCI64 i PCI-X poza swoją

wysoką ceną były rozwiązaniami ostatecznymi i zarazem tymczasowymi. Ich dalszy rozwój

był całkowicie zablokowany. Rozwiązania te, choć ostatecznie wprowadzone, nie spełniły

zbyt dobrze swojej roli i zostały wyparte przez nowszą magistralę.

2. PCI-X – rozwiązanie krótkotrwałe

W momencie gdy pewnym było, że standard PCI stał się przestarzałym próbowano

wprowadzić standard w pełni z nim zgodny o możliwie najbardziej zbliżonej budowie

i o wyższej przepustowości. Powstał więc standard PCI-X. Transmisja przez PCI-X jest 64-

bitowa, dodatkowo wprowadzono znacznie szybszy zegar. Niestety to drugie posunięcie

Strona 2 z 11 Janusz Paszyński © 2008


oznaczało skrócony czas na odpowiedź urządzenia. Oznaczało to konieczność zastosowania w

urządzeniach znacznie szybszych, a co za tym idzie droższych układów.

PCI-X nie mogło zostać bardziej już rozwinięte niż było w momencie wprowadzenia. Było to

rozwiązanie finalne i krótkotrwałe. Dodatkowo bardzo wysoki koszt wprowadzenia nie

wróżył sukcesu tej magistrali. Największą wadą tego rozwiązania jest fakt, iż posiada ono

wszystkie ograniczenia PCI.

3. Opis prac nad 3GIO

W roku 2002 firma Intel rozpoczęła pracę nad nową magistralą pod nazwą 3GIO (3rd

Generation I/O). Magistrala nie otrzymała więc nazwy, a jedynie numer. W ramach

wyjaśnienia pierwszą generacją jest ISA, drugą zaś PCI.

Główne założenia dla nowej magistrali:

• skalowalność napięcia,

• skalowalna szerokość,

• kompatybilność z PCI,

• maksymalna rezygnacja z systemu przerwań,

• eliminacja zakłóceń,

• niezależność od systemu operacyjnego,

• rozłączne pasmo dla poszczególnych urządzeń,

To tylko najważniejsze z założeń, które miały największy wpływ na ostateczny kształt

magistrali. Dzięki tym cechom nowa magistrala nie była tworzona jako rozwiązanie

tymczasowe spełniająca bieżące zapotrzebowanie.

Magistrala 3GIO to zwrot o 180o. Wyczerpane możliwości połączeń równoległych i wielki

sukces interface’ów USB i FireWire wpłynęły na zastosowanie transmisji szeregowej. W ten

sposób od razu spełniono dwa ważne założenia, czyli możliwość skalowania w dół napięcia

i trudność w zakłóceniu pracy magistrali.

Standard został już w 2002 roku przyjęty przez ponad 20 firm. Jako jedna z pierwszych

standard przyjęła firma AMD, która opracowywała już standard HyperTransport, który mógł

być konkurencyjnym dla 3GIO. Ostatecznie HT został określony jako „On-Board” dzięki

czemu nie jest konkurencją dla PCI-E określanego jako „In-Box”.



4. Opis Standardu PCI-E

Magistrala PCI-E składa się podstawowo z dwóch par linii w każdą stronę, po których

przesyłany jest sygnał różnicowy. Zastosowanie szybkiego zegara 2.5GHz i kodu transmisji

8/10 pozwoliło na uzyskanie faktycznej szybkości 250MB/s w każdą stronę. Biorąc pod

uwagę, że PCI-E pozwala na pełny duplex magistrala PCI-Ex1 pozwala na rzeczywistą

szybkość 500MB/s i jest to już ponad 3 razy tyle co PCI 2.0. Dodatkowo sygnał zegara nie

jest wysyłany przez magistralę, co pozwala na wysoką prędkość transmisji.

Budowa slotu PCI-E z wyszczególnionymi rozmiarami



Slot PCI-E składa się ze stałego zestawu linii na początku, i potem wielokrotności linii

transmisyjnych. Taka budowa rozwiązała problem skalowalności szerokości magistrali.

Standard dopuszcza zastosowanie złącz x1, x2, x4, x8, x16, i x32. W praktyce stosuje się

głównie złącza x1, x16, a w serwerach x32. Złącza szersze są kompatybilne z wolniejszymi

urządzeniami, czyli kartę x1 można włożyć do slotu szerszego, np. x16.

Podstawowe warianty slotów PCI-E:

Standard PCI-E przewiduje istnienie 4 warstw. Dzięki temu modelowi częściowo

zaczerpniętemu z budowy sieci Ethernet udało się zapewnić zgodność z PCI dla

oprogramowania i sterowników.

Najniższa warstwa, sprzętowa jest odpowiedzialna za transmisję P2P. Dodatkowo to ona

odpowiada za podział bajtów pomiędzy ścieżki. Operacja ta jest całkowicie przezroczysta dla

innych warstw, dzięki czemu nie ma znaczenia jak duża szerokość PCI-E została

zastosowana.



Model warstw PCI-E:

W momencie startu systemu komputerowego na poziomie najniższej, fizycznej warstwy

negocjowany jest przydział pasma i określana jest wykorzystywana szerokość PCI-E. Dzięki

temu nie ma to znaczenia dla systemu operacyjnego i jest od niego niezależne.

Taka budowa standardu pozwoliła na kontrolę spójności danych na poziomie sprzętowym,

ponieważ do każdego transmitowanego pakietu dołączona zostaje suma kontrolna CRC32.

Podstawowe parametry różnych wariantów slotu PCI-E Wariant Wszystkich

pinów Pinów w

„głównej” części Całkowita

długość Długość

„głównej” części x1 36 14 25mm 7.65mm x4 64 42 39mm 21.65mm x8 98 76 56mm 38.65mm x16 164 142 89mm 71.65mm

Warstwa transakcyjna występuje w standardzie PCI-E w celu zapewnienia zgodności z PCI.

Dzięki tej warstwie urządzenia PCI-E są adresowane w ten sam sposób co urządzenia PCI. W

ten sam sposób z punktu widzenia programisty są także realizowane żądania. Choć wycofany

został mechanizm przerwań, to jednak warstwa transakcyjna zapewnia programistom

dokładnie taki sam dostęp do magistrali i urządzeń jak w przypadku PCI.

5. Opis budowy komputera z PCI-E

Nowa magistrala została zaprojektowana do zastosowania „in-box”, czyli wewnątrz obudowy.

Istniały także pomysły zastosowania jej do połączenia komputera z urządzeniami



peryferyjnymi wymagającymi bardzo szybkiej transmisji, jak na przykład dyski twarde,

napędy optyczne, czy urządzenia do przechwytywania wideo. Na razie PCI-E w tym obszarze

nie zostało zastosowane, ponieważ zostało wyparte przez inne magistrale. Królujące od

dawna USB czy FireWire, a także zyskujący coraz większą popularność standard ESATA.

Z początku zakładano umieszczenie złącza PCI-Ex1 w jednej linii ze złączem PCI. Dałoby to

możliwość zamontowania kart PCI i PCI-Ex1 w tym samym slocie w obudowie, a także

dałoby szansę stworzenia urządzenia korzystającego jednocześnie z obu standardów.

Ostatecznie zrezygnowano całkowicie z tych planów uznając je za zbyt skomplikowane w

procesie projektowania topologii płyt głównych. Uznano także, iż urządzenia korzystające

jednocześnie z PCI i PCI-E nie przyjmą się na rynku.

W komputerach z PCI-E wewnątrz chipsetu płyty głównej umieszczony jest całkowicie nowy

element, czyli switch. Może być on montowany jako część mostka południowego lub

fizycznie oddzielny układ. Zastosowanie switch’a pozwoliło na transmisję typu Point-to-Point

pomiędzy urządzeniami podpiętymi do magistrali PCI-E, ale co najważniejsze na odciążenie

mostka podczas transmisji pomiędzy urządzeniami. Switch pozwala na rozdzielenie pasma

dla poszczególnych urządzeń i zapewnienie tej samej prędkości dla każdego z nich. Switch

pozwala także na równoległe istnienie na płycie głównej slotów PCI-E i PCI. Jest to bardzo

popularne rozwiązanie obecnie.

PCI-E niemal całkowicie wyparło złącze AGP. Istnieje tylko kilka stosunkowo nowych

układów graficznych, które zostały wydane także na AGP. Są to na przykład układy oparte o

GPU ATi Radon X800 i ATi Radon X1050. Istnieje też tylko kilka płyt głównych, z



zamontowanymi złączami PCI-E i AGP. Są to przykładowo płyty główne z chipsetem Via

PT880 Pro dla procesorów Intela, albo ULI M1695 + ULI M1567 dla procesorów AMD.

6. Przegląd urządzeń na PCI-E

W obecnej chwili możliwe jest znalezienie niemal dowolnego układu na PCI-E. Wiele z nich

jest efektem migracji rozwiązań z ISA, PCI, czy AGP. Do najważniejszych należą:

• Karty graficzne,

• Karty sieciowe,

• Karty muzyczne,

• Kontrolery IDE, SATA, SCSI,

• Kontrolery USB, FireWire,

• Kontrolery ExpressCard, PCMCIA,

Wiele urządzeń mimo zapotrzebowania mniejszego niż możliwości PCI-E jest

produkowanych w standardzie PCI-E w celu migracji na ten standard. Choć jeszcze przez

wiele lat płyty główne będą produkowane ze slotami PCI i PCI-E, to jednak w pewnym

momencie dojdzie do całkowitego wycofania dawno przestarzałego standardu PCI.

Szybkość transmisji przez PCI-E w zależności od wariantu:

Wariant PCI-E Szybkość transmisji

x1 250MB/s

x2 500MB/s

x4 1000MB/s

x8 2000MB/s

x16 4000MB/s

x32 8000MB/s

Znaczna część urządzeń produkowanych pod PCI-E mogła się rozwinąć dzięki zastosowaniu

tego standardu. Przykładem są kontrolery IDE i SATA, które mogą obsługiwać więcej

urządzeń z pełną prędkością. Ich wersje pod PCI pozwalały na obsługę mniejszej liczby

urządzeń lub na znaczne ograniczenie prędkości. Obecnie problem ten całkowicie zniknął.



Karta Graficzna nVidia Quadro FX 1400 w standardzie PCI-Ex16

Standard GigabitEthernet jest w prawdze starszy niż PCI-E jednak bardzo dobrze się z nim

sprawdza. Choć w większości przypadków karta GigabitEthernet jest zintegrowana z płytą

główną, to jednak możliwość budowy urządzeń tego typu jako kart rozszerzeń w standardzie

PCI-E pozwala na zastosowanie większej liczby układów w systemie lub zastosowanie

układów GigabitEthernet w sprzęcie typu desktop jeszcze nie wyposażonym w ten standard.

Karta Soundblaster X-Fi firmy Creative pod PCI-Ex1



Karta GigabitEthernet pod PCI-Ex4 wyposażona w 4 porty RJ45

7. Obecne tendencje odnośnie PCI-E i przyszłość standardu

Na początku 2007 roku wprowadzony został nowy standard PCI-E opatrzony numerem 2.0.

Obecnie standard ten wchodzi do masowej sprzedaży w sklepach w Polsce. Jedyną zmianą w

nim wprowadzoną jest dwukrotne zwiększenie szybkości zegara z 2.5GHz do 5GHz. W ten

sposób szybkość magistrali została zwiększona dwukrotnie. Dzięki temu zapotrzebowanie na

transmisję przez najbliższe lata jest już zaspokojone przez PCI-E. Koszt wprowadzenia

magistrali i jej dalszego stosowania jest na tyle niski, że stała się niezwykle popularna.

Należy oczekiwać, że coraz więcej urządzeń będzie budowanych w oparciu o nią. Pociągnie

to za sobą zmianę konstrukcji płyt głównych, a w najbliższych latach zapewne całkowite

wyparcie slotów PCI.

Kolejny krok w rozwoju PCI-E został poczyniony przez PCI-SIG już w sierpniu 2007 roku.

Opracowano podstawowe założenia i możliwości standardu PCI-E 3.0. Standard ten ma

uzyskać szybkość 8Gb/s. Zakłada się, że pełna specyfikacja będzie gotowa z końcem 2009

roku, zaś pierwsze urządzenia oparte o PCI-E 3.0 pojawią się na rynku już z początkiem roku

2010. W nowym standardzie modyfikacji ma być poddany standard przesyłu danych.

Twórcy standardu 3GIO zakładali, że w ostatniej fazie magistrala będzie taktowana zegarem

10GHz, co spowoduje osiągnięcie granicy możliwości w transferze danych przy pomocy linii

miedzianych. W najbliższych latach nie zapowiada się na ponowne zwiększenie



częstotliwości zegara PCI-E, jednak jeśli do tego dojdzie nie prędko magistrala I/O znowu

stanie się wąskim gardłem w systemie komputerowym.

Migracja na PCI-E nie zostanie zahamowana i nie powinna być wstrzymywana. Dostęp do tak

szybkiej magistrali sprzyja rozwojowi sprzętu, szczególnie tego bezpośrednio związanego z

multimediami. Zastosowanie tej magistrali nie zwiększa, a wręcz zmniejsza koszt

wytwarzania urządzeń, a jednocześnie daje im większe możliwości. Należy oczekiwać, że już

wkrótce konieczna będzie wymiana kart opartych o PCI na rzecz tych z PCI-E.

8. Bibliografia

Ramin Neshati: PCI Express* (formerly 3GIO) Specification, Intel Corporation 2002

Mellanox Technologies: Understanding PCI Bus, 3GIO and InfiniBand Architecture,

Mellanox Technologies 2001

Ajay V. Bhatt: Creating a Third Generation I/O Interconnect, Desktop Architecture Labs

Intel Corporation 2002

http://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI-E

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI-X


http://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI-E

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI

http://pl.wikipedia.org/wiki/PCI-X

Opis i Zastosowanie Pci-e

Documents

Transcript of Opis i Zastosowanie Pci-e