Когда речь заходит о каких-либо интерфейсах в контексте компьютерных систем, нужно быть очень внимательным, дабы не «нарваться» на несовместимые интерфейсы для одних и тех же комплектующих в рамках системы.

К счастью, когда речь заходит относительно интерфейса PCI-E xpress для подключения видеокарты, проблем с несовместимостью практически не будет. В данной статье мы это более подробно разберем, а также поговорим относительно того, что же такое этот самый PCI-Express.

Для чего необходим PCI-Express и что это такое?

Начнем, как обычно, с самых азов. Интерфейс PCI-Express (PCI-E) – это средство взаимодействия, в данном контексте, состоящее из контролера шины и соответствующего слота (рис.2) на материнской плате (если обобщить).

Данный высокопроизводительный протокол используется, как уже было отмечено выше, для подключения видеокарты в систему. Соответственно, на материнской плате присутствует соответствующий слот PCI-Express, куда и устанавливается видеоадаптер. Ранее, видеокарты, подключались по интерфейсу AGP, но когда данного интерфейса, попросту говоря: «перестало хватать», на помощь пришёл PCI-E, о подробных характеристиках которого мы сейчас и поговорим.

Рис.2 (Слоты PCI-Express 3.0 на материнской плате)

Основные характеристики PCI–Express (1.0, 2.0 и 3.0)

Несмотря на то, что названия PCI и PCI-Express очень похожи, принципы соединения (взаимодействия) у них кардинально отличаются. В случае PCI-Express используется линия – двунаправленное последовательное соединение, типа «точка-точка», данных линий может быть несколько. В случае с видеокартами и материнскими платами (не учитываем Cross Fire и SLI), которые поддерживают PCI-Express x16 (то есть большинство), можно запросто догадаться, что таких линий 16 (рис.3), довольно часто на материнских платах с PCI-E 1.0, можно было наблюдать второй слот x8, для работы в режиме SLI или Cross Fire.

Ну, а в PCI, устройство подключается к общей 32- х разрядной параллельной шине.

Рис. 3. Пример слотов с различным количеством линий

(как уже говорилось ранее, наиболее часто используется х16)

Для интерфейса пропускная способность составляет 2,5 Гбит/c. Эти данные нужны нам, чтобы отслеживать изменения этого параметра в различных версиях PCI-E.

Далее, версия 1.0 эволюционировала в PCI-E 2.0 . В результате данного преображения, мы получили в два раза большую пропускную способность, то есть 5 Гбит/c, но хотелось бы отметить, что в производительности графические адаптеры, особо не выиграли, так как это просто версия интерфейса. Большая часть производительности зависит от самой видеокарты, версия интерфейса может только незначительно улучшать или тормозить передачу данных (в данном случае «торможения» нет, и присутствует неплохой запас).

Точно так же в 2010 году, с запасом, был разработан интерфейс PCI-E 3.0 , на данный момент он используется во всех новых системах, но если у Вас все ещё 1.0 или 2.0, то не горюйте – ниже мы поговорим о относительно обратной совместимости различных версий.

В версии PCI-E 3.0, пропускная способность была увеличена в два раза по сравнению с версией 2.0. Также там было произведено немало технических изменений.

К 2015 году ожидается появление на свет PCI-E 4.0 , что для динамической IT-индустрии абсолютно неудивительно.

Ну да ладно, будем заканчивать с этими версиями и цифрами пропускной способности, и затронем очень важный вопрос обратной совместимости различных версий PCI-Express.

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.

Как вы уже знаете, слоты расширения – это разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, увеличивающие возможности вашего компьютера: видеоплата, аудиоплата и сетевая плата.

Когда вы вставляете плату расширения в слот расширения (то есть подключаете видео-, аудио-, сетевую плату к материнской плате), происходит передача данных между оперативной памятью и платой, которую вы вставили. Эти данные передаются по специальной электронной магистрали – шине.

На современных компьютерах обычно стоят две из трех шин:

PCI (Peripheral Component Interconnect) – до недавнего времени самая распространенная 32-битная шина, разработанная компанией Intel, позволяет подключать к материнской плате до 10 плат расширения (но обычно на системной плате вы найдете не более четырех PCI-слотов);

AGP (Accelerated Graphic Port) – была разработана для того, чтобы снизить нагрузку на шину PCI – по шине AGP передаются только видеоданные; к слоту AGP можно подключить только AGP-видеокарту;

PCI Express – новое поколение шины PCI.

На современных материнских платах можно встретить разъемы (слоты) двух типов: или AGP и PCI, или PCI и PCI Express. Внешне отличить эти разъемы очень просто – по цвету:

белый слот – шина PCI;

коричневый слот – шина AGP;

черный слот – шина PCI Express.

Поговорим подробнее о PCI Express, поскольку это шина будущего.

Стоит отдельно сказать о единицах измерения информации. Базовая единица измерения информации – один бит. Бит может содержать одно из двух значений – или 0 или 1. Восемь битов формируют байт. Этого количества битов достаточно, чтобы с помощью ноликов и единичек закодировать один символ. То есть в одном байте помещается один символ информации – буква, цифра и т. д. 1024байта– это один килобайт (Кб), а 1024 килобайта– это 1 мегабайт (Мб). 1024 мегабайта – это 1 гигабайт (Гб), а 1024гигабайта– это 1 терабайт (Тб). Обратите внимание, именно 1024, а не 1000. Почему было выбрано значение 1024? Потому что в компьютере используется двоичная система счисления (есть только два значения– 0 и 1). 2 в 10-й степени – это и есть 1024.

Не всегда, но часто большая буква «Б» при указании единицы измерения информации означает «байт», а маленькая – «бит». Например, 528 Мб – это 528 мегабит, если перевести эту величину в мегабайты (просто разделите на 8), то получится 66 мегабайтов (66 Мб).

Первое поколение PCI Express – PCI Express 1х. Пропускная способность этой шины составляет 0,5 Гб/с. Потом были выпущены спецификации PCI Express 1х, 2х, 4х, 8х, 12х, 16х, 32х. Узнать пропускную способность каждой спецификации просто – нужно «множитель» (например, 2х) умножить на 0,5 Гб/с. Так, пропускная способность шины PCI Express 4х составляет 2 Гб/с, а 32х – 16 Гб/с.

Отличить шины PCI Express друг от друга сложно. Легко вычислить только спецификацию PCI Express 1х – слот данной шины примерно в два раза короче, чем слот шин 2х-32х. На рис. 9 изображены три слота расширения: белый – это PCI, черный короткий – это PCI Express 1х, черный длинный– PCI Express 4х.

Рис. 9. Слоты расширения PCI, PCI Express 1х, PCI Express 4х.

А как же различить другие слоты? Об этом не нужно заботиться. Все платы PCI Express совместимы между собой, главное, чтобы плата физически устанавливалась в слот расширения. У вас может быть слот расширения 32х, а устанавливаемая плата рассчитана на4х, но вы можете смело ее устанавливать – она будет работать на своих 4х. Если же материнская плата поддерживает только PCI Express 4х, а вы хотите установить более новую плату PCI Express 16х, то она тоже будет работать, правда, на скорости 4х – тут скорость будет «зажата» возможностями шины.

В октябре 2006 года была разработана вторая версия PCI Express – PCI Express 2.0. Пока данная шина особо не распространена, но сообщается, что она полностью совместима с первой версией и в базовом варианте обеспечивает пропускную способность до 5 Гб/с.

Практически все современные материнские платы на текущий момент оснащены слотом расширения PCI-E x16. В этом нет ничего удивительного: в него устанавливается дискретный графический акселератор, без которого создание производительного персонального компьютера вообще невозможно. Именно о его предыстории появления, технических спецификациях и возможных режимах работы пойдет в дальнейшем речь.

Предыстория появления слота расширения

В начале 2000-х годов со слотом расширения AGP, который на тот момент использовался для установки сложилась такая ситуация, когда максимальный уровень быстродействия достигнут и его возможностей уже недостаточно. В результате этого был создан консорциум PCI-SIG, который приступил к разработке программной и аппаратной составляющих будущего слота для установки графических ускорителей. Плодом его творчества и стала в 2002 году первая спецификация PCI Express 16х 1.0.

Некоторые компании для обеспечения совместимости двух существовавших на тот момент времени портов установки дискретных графических адаптеров разрабатывали специальные устройства, которые позволяли устанавливать устаревшие графические решения в новый слот расширения. На языке профессионалов такая разработка имела свое название - переходник PCI-E x16/AGP. Основное его назначение - это минимизация затрат на модернизацию ПК за счет использования комплектующих с предыдущей конфигурации системного блока. Но такая практика не получила большого распространения по той причине, что видеоплаты начального уровня на новом интерфейсе имели стоимость практически равную цене переходника.

Параллельно с этим были созданы и более простые модификации этого слота расширения для внешних контроллеров, которые пришли на смену привычным на то время портам PCI. Несмотря на внешнюю схожесть, эти устройства существенно различались. Если AGP и PCI могли похвастаться параллельной передачей информации, то вот PCI Express был последовательным интерфейсом. Его более высокое быстродействие обеспечивалось значительно увеличенной скоростью передачи данных в дуплексном режиме (информация в этом случае могла передаваться сразу по двум направлениям).

Скорость передачи и метод шифрования

В обозначении интерфейса PCI-E x16цифра указывает на количество задействованных полос для передачи данных. В данном случае их 16. Каждая из них, в свою очередь, состоит из 2 пар проводов для передачи информации. Как было отмечено, более высокая скорость обеспечивается тем, что эти пары работают в дуплексном режиме. То есть передача информации может идти сразу в двух направлениях.

Для защиты от возможных потерь или искажения передаваемых данных применяется в этом интерфейсе специальная система защиты информации, которая называется 8В/10В. Это обозначение расшифровывается следующим образом: для правильной и корректной передачи 8 бит данных необходимо их дополнить 2 служебными битами для выполнения проверки правильности. В этом случае система вынуждена передавать 20 процентов служебной информации, которая для пользователя компьютера не несет полезной нагрузки. Но это плата за надежную и стабильную работу графической подсистемы персонального компьютера, и без этого уж точно никак не обойтись.

Версии PCI-E

Разъем PCI-E x16 внешне одинаковый на всех системных платах. Только вот скорость передачи информации в каждом случае может существенно отличаться. Как результат, быстродействие устройства тоже разное. А модификации у этого графического интерфейса такие:

• 1-я модификация PCI - Express х16 v. 1.0 имела теоретическую пропускную способность в 8 Гб/с.
• 2-е поколение PCI - Express х16 v. 2.0 уже могло похвастаться увеличенным вдвое значением пропускной способности - 16 Гб/с.
• Аналогичная тенденция сохранилась уже и для третьей версии данного интерфейса. В этом случае этот показатель был установлен на отметке 64 Гб/с.

Визуально отличить по расположению контактов невозможно. При этом они совместимы между собой. Например, если в слот версии 3.0 установить плату графического адаптера, которая соответствует на физическом уровне спецификациям 2.0, то вся система обработки автоматически переключится в наименее скоростной режим (то есть 2.0) и будет уже в дальнейшем функционировать именно с пропускной способностью в 64 Гб/с.

Первое поколение PCI Express

Как было отмечено ранее, впервые PCI Express был представлен в 2002 году. Его выход ознаменовал появление персональных компьютеров с несколькими графическими адаптерами, которые к тому же могли похвастаться даже с одним установленным акселератором повышенным быстродействием. Стандарт AGP 8Х позволял получить пропускную способность 2,1 Гб/с, а первая ревизия PCI Express - 8 Гб/с.

Конечно, говорить о восьмикратном приросте не приходится. 20 процентов прироста использовалось на передачу служебной информации, которая позволяла находить ошибки.

Вторая модификация PCI-E

На смену первому поколению данного в 2007 году пришел PCI-E 2. 0 x16. Видеокарты 2-го поколения, как было отмечено ранее, физически и программно были совместимы с первой модификацией этого интерфейса. Только в таком случае существенно снижалось быстродействие графической системы до уровня версии интерфейса PCI Express 1.0 16х.

Теоретически предел передачи информации в этом случае был равен 16 Гб/с. Но 20 процентов полученного прироста расходовалось на служебную информацию. В итоге в первом случае реальная передача была равна: 8 Гб/с - (8 Гб/с х 20% : 100%) = 6,4 Гб/с. А для второго исполнения графического интерфейса это значение было уже таким: 16 Гб/с - (16 Гб/с х 20% : 100%) = 12,8 Гб/с. Разделив же 12,8 Гб/с на 6,4 Гб/с, получаем реальный практический прирост быстродействия в 2 раза между 1-м и 2-м исполнением PCI Express.

Третье поколение

Последнее и наиболее актуальное обновление этого интерфейса увидело свет в 2010 году. Пиковая скорость PCI-E x16 в этом случае увеличилась до 64 Гб/с, а максимальная мощность графического адаптера без дополнительного питания в этом случае может быть равна 75 Вт.

Варианты конфигураций с несколькими графическими акселераторами в составе одного ПК. Их плюсы и минусы

Одним из наиболее важных нововведений данного интерфейса является возможность наличия сразу нескольких графических адаптеров в x16. Видеокарты при этом объединяются между собой и образуют, по существу, единое устройство. Их общая производительность суммируется, и это позволяет в разы повысить быстродействие ПК с позиции обработки выводимого изображения. Для решений от NVidia такой режим называется SLI, а для графических процессоров от АМД - CrossFire.

Будущее данного стандарта

Слот PCI-E x16в обозримом будущем уж точно не будет изменяться. Это позволит более производительные видеокарты использовать в составе устаревших ПК и за счет этого осуществлять поэтапный апгрейд компьютерной системы. Сейчас же прорабатываются спецификации уже 4-й версии этого способа передачи данных. Для графических адаптеров в этом случае будет предусмотрена максимальная 128 Гб/с. Это позволит выводить изображение на экран монитора в качестве «4К» и более.

Итоги

Как бы там ни было, а PCI-E x16 на текущий момент является безальтернативным графическим слотом и интерфейсом. Он будет актуальным еще достаточно долгое время. Его параметры позволяют создавать как компьютерные системы начального уровня, так и высокопроизводительные ПК с несколькими акселераторами. Именно за счет такой гибкости и не предвидится существенных изменений в этой нише.

Доминирующее положение на рынке ПК занимают системы на основе шины PCI (Peripheral Component Interconnect - Взаимодействие периферийных компонентов). Этотинтерфейс был предложен фирмой Intel в 1992 году (стандартPCI 2.0 - в 1993) в качестве альтернативы локальнойшине VLB/VLB2. Следует отметить, что разработчики этогоинтерфейса позиционируютPCI не как локальную, а как промежуточнуюшину (mezzanine bus), т.к. она не являетсяшиной процессора. Посколькушина PCI не ориентирована на определенный процессор, ее можно использовать для других процессоров.Шина PCI была адаптирована к таким процессорам, как Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC. ИменноPCI сменила NuBus на платформе Apple Macintosh.

Шины ISA , EISA или MCA могут управлятьсяшиной PCI с помощью моста сопряжения (рис. 14.3), что позволяет устанавливать в ПК платы устройств ввода-вывода с различными системнымиинтерфейсами . Например, в чипсете Intel Triton использовалась микросхема PIIX 1) , помимо контроллера IDE предоставляющая мост дляшины ISA .

¶Рис. 14.3. Система на основе PCI

Существуют три варианта плат PCI : с уровнями сигналов 3,3 В, с уровнями сигналов 5 В и универсальные. Ключ в разъеме гарантирует, что платы с одним уровнем сигнала и невзаимозаменяемые не будут по ошибке вставлены в разъем с другим уровнем сигнала. Платы с пониженным напряжением питания в основном используются в мобильных компьютерах.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI . В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в 64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы ишина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема.

На шине PCI сигналы адреса и данных мультиплексированы, поэтому для передачи каждых 32 или 64 разрядов требуется два шинных цикла: один - для пересылки адреса, а второй - для пересылки данных. Однако возможен также пакетный режим, при котором вслед за одним циклом передачи адреса разрешается осуществить до четырех циклов передачи данных (до 16 байт в PCI-32). После этого устройство должно подать новый запрос на обслуживание и снова получить управление надшиной (и выполнить адресный цикл). Поэтомушина PCI-32 с тактовой частотой 33 МГц имеет пиковую скорость обычной передачи около 66 Мбайт/с (два шинных цикла для передачи 4 байт) и пиковую скорость пакетной передачи около 105 Мбайт/с.

PCI поддерживает процедуру прямого доступа к памяти ведущего устройства нашине (bus mastering DMA), хотя некоторые реализацииPCI могут и не предоставлять такую возможность для всех разъемовPCI . Процессор может функционировать параллельно с периферийными устройствами, являющимися ведущими нашине .

Кроме того, платы PCI поддерживают:

автоматическую конфигурацию Plug&Play (не требуют назначения адресов расширений BIOS вручную);

совместное использование прерываний (когда один и тот же номер прерывания может использоваться разными устройствами);

контроль четности сигналов шины данных и адресной шины ;

конфигурационную память от 64 до 256 байт (код производителя, код устройства, код класса (функции) устройства и др.).

Персональные компьютеры могут иметь две или больше шин PCI . Каждойшиной управляет свой мостPCI , что позволяет устанавливать в компьютер больше платPCI (вплоть до 16 - ограничение адресации). Если управление второйшиной PCI осуществляется с первойшины , то это называется каскадной или иерархической схемой. В этом случае перваяшина будет также нести нагрузку второйшины . Если управление каждойшиной PCI осуществляется непосредственно сшины процессора, это называется равноправной схемой. Обычно мостPCI выполняет также функции контроллера внешней кэш-памяти, контроллера основной памяти и обеспечивает сопряжение с процессором. В системах на основе Pentium II/III эти функции распределены между двумя мостами: "северным" (North Bridge) и "южным" (South Bridge), что связано с наличием дополнительного высокоскоростного системногоинтерфейса для подключения видеокарты (AGP ).

В 1995 году был выпущена улучшенная версия интерфейса -PCI 2.1, которая предоставила следующие возможности:

поддержка тактовой частоты шины 66 МГц;

таймер обработки множественных запросов MTT (Multi-Transaction Timer) позволяет устройствам, осуществляющим прямой доступ к памяти, удерживать шину для "прерывистой" передачи пакетов, при этом не требуется повторно добиваться права управления шиной , что особенно полезно при передаче видеоданных;

пассивное разъединение (Passive Release) позволяет устройствам, осуществляющим прямой доступ к памяти по шине PCI , передавать данные в то время, когда ведется передача данных по шине ISA (обычно это приводило к блокированию передачи по шине PCI , поскольку она использовалась для подключения центрального процессора к шине ISA );

задержанные транзакции PCI позволяют передаваемым данным ведущего устройства на шине PCI получать приоритет над ожидающими в очереди данными для передачи с PCI на ISA (которые будут переданы позже);

повышение производительности записи благодаря оснащению PCI-чипсета буферами большего объема, поэтому транзакции могут выстраиваться в очередь, когда шина PCI занята, и происходит сбор байтов, слов и двойных слов, которые могут объединяться в единую 8-байтную операцию записи.

C 2005 года в ПК на основе Pentium 4 вместо PCI используют новый системныйинтерфейс -PCI Express .

WiFi модули и другие подобные устройства. Разработку данной шины начала компания Intel в 2002 году. Сейчас разработку новых версий данной шины занимается некоммерческая организация PCI Special Interest Group.

На данный момент шина PCI Express полностью заменила такие устаревшие шины как AGP, PCI и PCI-X. Шина PCI Express размещается в нижней части материнской платы в горизонтальном положении.

В чем отличия PCI Express от PCI

PCI Express это шина, которая была разработана на основе шины PCI. Основные отличия между PCI Express и PCI лежат на физическом уровне. В то время как PCI использует общую шину, в PCI Express используется топология типа звезда. Каждое устройство подключается к общему коммутатору отдельным соединением.

Программная модель PCI Express во многом повторяет модель PCI. Поэтому большинство существующих PCI контроллеров могут быть легко доработаны для использования шины PCI Express.

Слоты PCI Express и PCI на материнской плате

Кроме этого, шина PCI Express поддерживает такие новые возможности как:

• Горячее подключение устройств;
• Гарантированная скорость обмена данными;
• Управление потреблением энергии;
• Контроль целостности передаваемой информации;

Как работает шина PCI Express

Для подключения устройств шина PCI Express использует двунаправленное последовательное соединение. При этом такое соединение может иметь одну (x1) или несколько (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) отдельных линий. Чем больше таких линий используется, тем большую скорость передачи данных может обеспечить шина PCI Express. В зависимости от количества поддерживаемых линий размер сорта на материнской плате будет отличаться. Существуют слоты с одной (x1), четырьмя (x4) и шестнадцатью (x16) линиями.

Наглядная демонстрация размеров слота PCI Express

При этом любое PCI Express устройство может работать в любом слоте, если слот имеет такое же или большее количество линий. Это позволяет установить PCI Express карту с разъемом x1 в слот x16 на материнской плате.

Пропускная способность PCI Express зависит от количества линий и версии шины.

Примеры PCI Express устройств

В первую очередь PCI Express используется для подключения дискретных видеокарт. С момента появления данной шины абсолютно все видеокарты используют именно ее.

Видеокарта GIGABYTE GeForce GTX 770

Однако это далеко не все что умеет шина PCI Express. Ее используют производители других комплектующих.

Звуковая карта SUS Xonar DX

SSD накопитель OCZ Z-Drive R4 Enterprise