Интерфейс PCI-Express, его основные характеристики и обратная совместимость

Разбираемся в различиях PCI-E разъема.

Как правило, данный высокоскоростной порт относится к фактическим слотам расширения на материнской плате, которые принимают платы расширения на основе традиционного PCIe и типы карт расширения.

Старая видеокарта с интерфейсом AGP

PCI Express практически заменил AGP и PCI, оба из которых заменили старейший широко используемый тип соединения, называемый ISA. Хотя пк могут содержать различные слоты расширения, PCI Express считается стандартным внутренним интерфейсом самого быстрого разъема. Сегодня многие материнские платы для персональных компьютеров производятся только с разъемами PCI Express.

Вторая модификация PCI-E

На смену первому поколению данного графического интерфейса 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.

Как работает PCI Express?

Подобно старым стандартам, таким как PCI и AGP, устройство на базе Express физически переходит в высокоскоростной разъем на материнской плате.

Интерфейс этого разъема обеспечивает высокоскоростную связь между устройством и системной платой, а также другим оборудованием.

Хотя это не очень распространено, также существует внешняя версия высокоскоростного порта, что неудивительно называется External PCI Express, но часто сокращается до PCIe. Для устройств ePCIe, являющихся внешними, требуется специальный кабель для подключения любого внешнего устройства PCIe к пк через порт PCIe, обычно расположенный на задней панели пк, поставляемый либо материнской платой, либо специальной внутренней PCIe-картой.

Резюме

Приведённых примеров достаточно, чтобы сомнений в том, что PCIe 4.0-накопители действительно позволяют получить более высокую производительность и лучшую отзывчивость при решении ресурсоёмких задач, не оставалось. Поэтому, строя высокопроизводительную систему на многоядерных процессорах AMD Ryzen 3000 или Threadripper 3000, пренебрегать использованием наиболее современных NVMe SSD явно не следует. Seagate FireCuda 520 может здесь стать подходящим выбором: ничего быстрее в магазинах совершенно точно на данный момент нет.

Естественно, PCIe 4.0-накопитель обойдётся немного подороже, чем тот же FireCuda 510, но причины этого хорошо понятны. А самое главное, что цена на FireCuda 520 вполне рыночная, ведь этот SSD стоит почти одинаково с альтернативными PCIe 4.0-накопителями авторства производителей третьего эшелона.

Пара слов о тестовой платформе:

Тестирование производительности выполнялось в системе на базе процессора Ryzen 9 3900X, основанной на материнской плате ASRock X570 Creator и оснащённой 16 Гбайт DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32). Операционная система Windows 10 Professional 1909 со стандартным NVMe-драйвером Standard NVM Express Controller 10.0.18362.1.

Какие типы карт PCI Express существуют?

Благодаря требованию более быстрых, реалистичных видеоигр и инструментов редактирования видео, видеокарты были первыми типами компьютерной периферии, чтобы воспользоваться преимуществами, предлагаемыми непосредственно PCIe.

В то время как видеокарты по-прежнему остаются наиболее распространенным типом PCIe-карты, вы обнаружите, что другие девайсы, которые значительно быстрее подключаются к системной плате, процессору и ОЗУ. Также все чаще производятся PCIe-соединения вместо обычного PCI. Например, многие высококачественные звуковые карты теперь используют высокоскоростной порт, а также повышают количество проводных и беспроводных сетевых интерфейсных карт.

Карты контроллера жесткого диска могут быть наиболее полезными для PCI-E после видеокарты. Подключение высокоскоростного PCIe SSD-накопителя к этому высокоскоростному интерфейсу позволяет значительно быстрее считывать, потом записывать диск. Некоторые контроллеры жестких дисков PCIe даже включают встроенный SSD, сильно изменяя, как устройства хранения традиционно подключены внутри пк.

Конечно, замена PCIe на PCI и AGP полностью на более новые системные платы, почти каждый тип внутренней карты расширения, основанной на старых интерфейсах, перестраивается для возможности использования шины PCI Express. Это включает в себя такие вещи, как карты расширения USB, карты Bluetooth и т.д.

Что такое PCI Express

PCI Express
(
Peripheral Component Interconnect Express
, сокращенно —
PCIe
или
PCI-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 либо
параллельным
, либо
последовательным
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).

Каковы различные форматы PCI Express?

Показаны различные контроллеры на материнской плате
Express x1 … Express 3.0 … Express x16. Что означает «х»? Как узнаете, поддерживает ли ваш пк? Если есть карта PCI Express x1, и есть только разъем Express x16, совместимо ли это работает? Если нет, каковы ваши варианты?

Часто не совсем понятно, когда вы покупаете карту расширения для своего компьютера, такую ​​как новая видеокарта, какая из различных технологий PCIe работает с вашим пк лучше, чем другая. Однако, насколько это сложно, все выглядит довольно просто, как только вы поймете две важные части информации о высокоскоростном порте: часть, описывающую физический размер, и часть, описывающую технологическую версию, как описано ниже.

Отличия PCI Express от PCI

Основное отличие в характеристиках это, конечно же, пропускная способность, у PCI Express она значительно выше, например, у PCI на частоте 66 МГц пропускная способность 266 Мб/сек, а у PCI-E 3.0 (x16) 32 Гб/сек.

Внешне интерфейсы также отличаются, поэтому подключить, например, видеокарту PCI Express в слот расширения PCI не получится. Интерфейсы PCI Express с разным количеством линий также отличаются, все это я сейчас покажу на картинках.

Размеры PCIe: x16, x8, x4, и x1

Как следует из заголовка, число после x указывает физический размер платы PCI-E или слота, причем x16 самый большой, а x1 наименьший.

Вот как формируются различные размеры:

Независимо от размера высокоскоростного порта или карты, ключевой вырез, это небольшое место в карте или слоте, всегда находится на выводе 11. То есть, длина вывода 11 продолжает увеличиваться по мере перехода от PCIe x1 к PCIe x16. Это позволяет гибко использовать карты одного размера вместе со слотами другого.

Карты PCIe подходят в любом слоте высокопроизводительного порта на системной плате, который по крайней мере такой же большой. Например, карта PCIe x1 будет входить в любой слот PCIe x4, PCIe x8 или PCIe x16. Карта PCIe x8 будет входить в любой слот PCIe x8 или PCIe x16. PCIe-карты, размер которых больше, чем слот PCIe, могут входить в меньший слот, но только если этот слот PCI-E открытый (т.е. Не имеет пробки в конце гнезда).

Видеокарта Radeon с интерфейсом PCI-Express x16

В целом, большая плата Express или слот поддерживает большую производительность, предполагая, что две карты или слоты, которые сравниваете, поддерживают одну и ту же версию PCIe.

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 эти слоты 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 графической информации автоматически переключится в наименее скоростной режим (то есть 2.0) и будет уже в дальнейшем функционировать именно с пропускной способностью в 64 Гб/с.

Версия PCIe: 4.0, 3.0, 2.0 и 1.0

Любое число после PCIe, которое вы найдете на устройстве или системной плате, указывает номер последней версии используемой спецификации PCI Express.

Вот как сравниваются различные версии контроллера PCI Express:

Все версии высокоскоростного порта совместимы в обратном и обратном направлении, что означает независимо от того, какую версию поддерживает плата PCIe или ваша материнская плата, они должны работать вместе, по крайней мере, на минимальном уровне. Как можно заметить, основные обновления стандарта порта резко увеличивают пропускную способность каждый раз, значительно увеличивая потенциал того, что может сделать связанное оборудование.

Улучшения версии также устраняют ошибки, добавленные функции и улучшенное управление питанием, но увеличение полосы пропускной способности это самое важное изменение для заметок от версии к версии.

Как насчет совместимости версий PCI Express?

Все версии PCI Express совместимы друг с другом. Например, видеокарта PCI Express 4.0 работает, даже если вы подключаете ее к материнской плате, которая поддерживает только PCI Express 3.0 или даже 2.0. Однако пропускная способность интерфейса PCI Express ограничена наименьшим фактором. Например, если вы подключаете SSD PCI Express 4.0 к материнской плате, которая поддерживает только PCI Express 3.0, этот SSD работает на PCIe 3.0. Вместо доступа к пропускной способности 7,88 ГБ / с он может использовать только 3,94 ГБ / с, поэтому его максимальная теоретическая скорость уменьшается вдвое.

Максимизация совместимости совместно с PCIe

Как вы читаете в разделах размеров и версий выше, использует практически любую конфигурацию, которую вы можете себе представить. Если он физически подходит, он вероятно, работает … это здорово. Однако важно знать, что для увеличения пропускной способности (которая обычно соответствует максимальной производительности) вам нужно выбрать самую высокую версию PCIe, поддерживаемую вашей материнской платой, и выбрать самый большой размер данного порта, который будет соответствовать.

Например, графическая карта на высокоскоростном порту 3.0 x16 даст вам максимальную производительность, но только если материнская плата поддерживает высокоскоростной порт версии 3.0 и имеет свободный высокоскоростной порт x16. Если модель системной платы использует исключительно PCIe 2.0, карта будет работать только с поддерживаемой скоростью (например, 64 Гбит/с в слоте x16).

Большинство материнских плат и персональных компьютеров, выпущенных в 2013 году или позже, вероятно, поддерживают Express v3.0. Если вы не уверены, проверьте руководство по материнской плате или пк. Если не получается найти какую-либо окончательную информацию о версии PCI, возможности использования вашей материнской платой, я рекомендую купить самую большую и последнюю версию PCIe-карты, если она подойдет, конечно.

Особенности стандарта PCI Express, его версии

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Спецификации первой его версии появились еще в 2002 году. Сейчас развитием PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group, в совет директоров которой входят представители основных разработчиков аппаратного и программного обеспечения (Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA и другие). В своем развитии PCIe прошел несколько этапов и уже развился до версии 5.0. PCIe является полнодуплексным
протоколом, то есть предусматривает использование независимых друг от друга каналов приёма и передачи данных (устройство может одновременно отправлять и получать данные). Перед отправкой данные кодируются в блоки. Это необходимо для синхронизации передающего и принимающего устройств, а также уменьшения влияния помех. В версиях PCIe 1.0 и PCIe 2.0 используется схема кодирования
8b/10b
. То есть, каждый 8-битный блок кодируется в 10-битный, в котором только 80% передаваемых данных являются полезными. Остальные 20% нужны для обеспечения правильной работы протокола. В PCIe 3.0 и боле новых ее версиях данные кодируются по более эффективной схеме
128b/130b
(каждые 128 бит кодируются в 130-битный блок). Доля полезного содержания в передаваемых данных здесь составляет уже около 98,46%. Разные версии PCIe отличаются не только способом «упаковки» битов в блоки, но и частотой передачи данных. В PCIe 1.0 она составляет 2,5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), то есть за одну секунду передается 2,5 миллиарда битов. Для лучшего восприятия переведем это в привычные единицы:
2,5*109 Бит / с = 312,5‬ Мегабайт / с.
Учитывая, что только 80% из них являются полезными данными, реальная пропускная способность PCIe 1.0 составляет 250 Мегабайт / с. В PCIe 5.0 частота передачи данных возросла аж до 32 ГТ/с. Переведем это в удобный вид:
32*109 Бит / с = 4000‬ Мегабайт / с = 4 Гигабайт / с.
Поскольку полезные данные составляют 98,46%, реальная пропускная способность PCIe 5.0 равна 3,938 Гигабайт / с. Подробнее об особенностях разных версиях PCIe см. в таблице:

Что заменит PCIe?

Очки виртуальной реальности VR
Разработчики видеоигр всегда ищут игры, которые становятся все более реалистичными, но могут сделать это только в том случае, если они смогут передавать больше данных из своих игровых программ в гарнитуру VR или на экран пк, и для этого требуются более быстрые интерфейсы. Из-за этого PCI Express никак не будет продолжать господствовать над своими лаврами. PCI Express 3.0 удивительно быстрый, но мир стремится сделать невероятно быструю передачу.

PCI Express 5.0, который должен быть завершен к 2020 году, будет использовать пропускную способность 31,504 гигабит в секунду на полосу (3938 мегабайт в секунду), что в два раза больше, чем предлагается у высокоскоростного разъема версии 4.0. Существует ряд других стандартов интерфейса, отличных от PCIe, на которые смотрит технологическая индустрия, но поскольку для них потребуются серьезные аппаратные изменения, PCIe, похоже останется лидером в течение некоторого, очень продолжительного времени как самый быстрый из существующих когда-либо.

rardCrage hi bross