PCI и PCIe: разлики, еволюция и реално приложение във вашия компютър

Информатек Дигитал » Ресурси » PCI и PCIe: разлики, еволюция и реално приложение във вашия компютър

Ако някога сте отваряли корпуса на компютъра си и сте виждали колекция от дълги и къси слотове на дънната платка , вероятно сте се чудили как изглежда всеки един от тях. С имена като PCI, PCI-X и PCI Express (PCIe) е лесно да се объркате, особено ако искате да знаете коя карта можете да поставите във всеки слот, без да повредите нищо.

В тази статия ще разгледаме подробно какво представляват PCI и PCIe, как работят, различните налични версии и техните разлики . Ще разгледаме и тяхната историческа еволюция, ролята на PCI-X, видовете карти, използвани във всеки слот, как се разпределят PCIe линиите и последиците за ежедневни приложения като инсталиране на графичен процесор, бърза мрежова карта или NVMe SSD.

Какво е PCI: класическият стандарт за разширение

PCI (Peripheral Component Interconnect) беше в продължение на много години стандартната разширителна шина за настолни компютри. Разработена от Intel в началото на 90-те години, тя се превърна в универсална шина за всички видове карти : звукови, мрежови, видео, SCSI контролери и др.

Тази PCI шина работеше с паралелна и споделена архитектура : всички свързани устройства споделяха една и съща шина и наличната честотна лента. Това означаваше, че колкото повече устройства бяха свързани, толкова повече честотна лента трябваше да споделят и толкова по-голям беше рискът от затруднения.

PCI картите се предлагаха в 32-битови и 64-битови версии , комбинирани с честоти от 33 или 66 MHz. В най-типичната си конфигурация, 32-битова на 33 MHz, шината предлагаше теоретична максимална скорост на трансфер от 133 MB/s , скорост, която по това време беше повече от прилична за звук, 10/100 мрежова връзка или 2D видео.

Едно от големите предимства на PCI по онова време беше поддръжката на Plug and Play : системата сама се справяше с разпределението на ресурси (IRQ, адреси на паметта и т.н.), без да се налага да се местят джъмпери или мостове, както в стария ISA стандарт. Това значително опростяваше инсталирането на хардуер за средностатистическия потребител.

На много по-стари дънни платки все още ще видите няколко дълги, светли слота: това са конвенционалните PCI слотове , които продължават да работят, докато чипсетът и операционната система ги поддържат, въпреки че днес те са напълно заменени от PCI Express.

Какво е PCI-X и защо рядко се среща в домашен компютър?

По средата между класическата PCI и PCI Express се появи PCI-X (PCI Extended) , еволюция, предназначена предимно за професионални среди и сървъри , където беше необходима много по-голяма честотна лента за мрежови карти, устройства за съхранение и RAID контролери.

PCI-X остана споделена паралелна шина , физически съвместима с 64-битови PCI карти, но очевидно увеличи работните честоти: много PCI-X карти работеха на 66, 100, 133 MHz , а с PCI-X 2.0 достигна 533 MHz , постигайки честотна лента от около 1,06 GB/s в един слот.

Физически, 64-битовите PCI-X слотове са много подобни на 64-битовите PCI слотове, с дължина приблизително 130 мм и следователно заемат значително количество място на дънната платка. Това семейство е проектирано предимно за сървъри и работни станции и днес практически е изчезнало в полза на PCI Express.

Какво е PCI Express и защо е заменил PCI?

С появата на все по-бързи процесори, графични карти, твърди дискове и мрежи, PCI шината очевидно не успя да се справи. Необходим е по-гъвкав и мащабируем интерфейс и така се ражда PCI Express (PCIe) , стандартът, който доминира в съвременните дънни платки, както настолни, така и преносими компютри, както и сървъри.

За разлика от PCI и PCI-X, PCI Express не използва споделена паралелна шина. Вместо това, той използва серийна архитектура от точка до точка : всяко устройство има специална връзка към PCIe комутатор или директно към процесора/чипсета, без да споделя честотна лента с останалите.

Когато включите компютъра си, PCIe системата извършва процес на преброяване на устройства : тя открива какво е свързано, договаря броя на лентите, които всяка връзка ще използва, и изгражда един вид вътрешна карта на трафика. Добрата новина е, че въпреки че електрониката е различна, протоколът за откриване и конфигуриране е съвместим с PCI , така че операционните системи не е трябвало да преоткриват колелото.

Всяка PCIe линия се състои от две диференциални двойки линии , едната за изпращане, а другата за получаване на данни, и работи в режим на пълен дуплекс: може да предава данни едновременно в двете посоки. Скоростта на линия зависи от PCIe поколението (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…) и всяко поколение обикновено удвоява честотната лента в сравнение с предишното.

PCI Express поколения и честотна лента

Едно от големите предимства на PCIe е, че се е развил без да променя философията на дизайна на слотовете, като в повечето случаи е запазил съвместимост както напред, така и назад . Ефективната скорост обаче винаги се определя от най -бавната версия (слот или карта).

Като насока, за всяка лента (x1) тези приблизителни честотни ленти се обработват на поколение (данни на посока):

• PCIe 1.0около 250 MB/s на лента.
• PCIe 2.0около 500 MB/s на лента.
• PCIe 3.0около 1 GB/s на лента.
• PCIe 4.0около 2 GB/s на лента.
• PCIe 5.0около 4 GB/s на лента (3,938 GB/s ефективно).
• PCIe 6.0 (в процес на разработка и първоначални внедрявания): още по-бързо, използвайки усъвършенствани техники за кодиране, за да продължи мащабирането.

Ако умножите тези стойности по броя на лентите, ще разберете защо PCIe x16 конектор може да пренася огромни количества данни. Например, дори при по-старите поколения:

Една проста 32-битова PCI шина, работеща на 33 MHz, е довела до скорости от около 133 MB/s за всички устройства взети заедно. За разлика от това, една съвременна PCIe линия във версии 4.0 или 5.0 надвишава тази цифра няколко пъти, а x16 връзка може да достигне няколко GB/s на посока.

PCIe слотове: x1, x4, x8 и x16

На практика, когато погледнете дънна платка, виждате PCIe слотове с различна дължина. Тези дължини съответстват на максималния брой линии, които те могат физически да предложат:

• PCIe x1: най-краткият.
• PCIe x4малко по-дълго.
• PCIe x8: междинен.
• PCIe x16: най-дългият и най-често срещан за графични карти.

Всеки тип слот може да предлага от 1 до 16 ефективни линии , но е важно да се прави разлика между две понятия: механичната дължина на слота и действителната електрическа връзка . Слот, оформен като x16, може да бъде свързан само като x8 или x4, което намалява честотната лента, въпреки че физически позволява поставянето на x16 карти.

PCIe x1 слот

Слотът PCIe x1 е най-малкият и използва една линия. Обикновено се използва за карти, които не изискват голяма честотна лента : звукови карти, мрежови адаптери, разширения на USB портове, карти за заснемане от среден клас и др.

С настоящите поколения PCIe (4.0 и 5.0), дори една x1 линия предлага повече от достатъчна производителност за гигабитови мрежи, професионално аудио или голяма част от спомагателното съхранение, което прави тези слотове много полезни.

PCIe x4 слот

Слотът x4 е нещо като средна позиция. Той предлага четири линии, което го прави идеален за много високоскоростни мрежови карти, RAID контролери, NVMe адаптери или мощни карти за заснемане . Много конфигурации за NAS съхранение или M.2 разширения използват именно x4 честотна лента.

Всъщност, съвременните NVMe SSD дискове, въпреки че са монтирани в M.2 гнезда, вътрешно използват PCIe x4 , което е де факто стандартът за постигане на много високи скорости на четене и запис.

PCIe x8 слот

PCIe x8 слотовете стават все по-често срещани, особено в дънни платки от среден до висок клас и в професионални приложения. С осем налични линии, те са идеални за графични карти от среден клас, многослотови NVMe адаптери, 40GbE мрежови карти или сложни конфигурации за съхранение.

Някои бюджетни графични процесори са проектирани да работят електрически на x8, въпреки че се побират в x16 слотове, а други дънни платки използват механични x16 слотове, свързани като x8, когато монтирате повече от една графична карта.

PCIe x16 слот

Звездата на шоуто е слотът PCIe x16 . Той е най-дългият и е предназначен предимно за специализирани графични карти , въпреки че се използва и за мрежови карти и карти за съхранение от сървърен клас.

На много дънни платки горният слот x16 е директно свързан към процесора с 16 пълни линии , докато долните слотове, макар и с еднаква дължина, могат да бъдат свързани като x8 или x4 поради ограничения в наличните линии.

Това е ключово, ако искате да инсталирате множество графични процесори или високопроизводителни графични карти : трябва да проверите спецификациите на дънната платка, за да видите колко линии предлага всеки слот в зависимост от инсталираната комбинация. Потребителските платформи (Ryzen, Intel Core) обикновено имат между 16 и 24 PCIe линии директно към процесора , докато процесорите от по-висок клас като Threadripper Pro или сървърните процесори (EPYC, Xeon) предлагат 64 линии или повече , което позволява множество графични процесори с истински x16 скорости.

Топология на данните: паралелна срещу серийна

Разликата във философията между PCI/PCI-X и PCI Express може да се обобщи като споделена паралелна връзка срещу point-to-point serious . В PCI и PCI-X всички устройства се свързват към една и съща шина и данните се изпращат паралелно по няколко линии едновременно. Това работеше добре при ниски честоти, но с увеличаване на скоростта възникваха проблеми със смущенията и синхронизацията.

При PCI Express, вместо една споделена шина, се използва мрежа от специални връзки . Всяко устройство има своя собствена връзка към комутатора или процесора, състояща се от една или повече линии. Резултатът е много по-ефективна, мащабируема система, която е по-малко податлива на смущения , позволявайки увеличени честоти и пропускателна способност без физическите ограничения на паралелните шини.

Размери на физическите слотове и съвместимост

На по-старите дънни платки е било обичайно да се намерят няколко 32-битови PCI слота (с дължина около 85 мм ) и понякога един 64-битов или PCI-X слот (около 130 мм). Те заемат значително място и всички споделят една и съща шина.

Съвременните дънни платки използват предимно слотове PCIe x1, x4, x8 и x16 . Практическо предимство на PCI Express е, че по-къса карта може да се инсталира в по-дълъг слот (например x1 карта в слот x4 или x16), стига слотът да е отворен или дизайнът го позволява. Картата ще работи с броя линии, за които е проектирана.

Това, което не можете да направите, е обратното: x16 карта физически няма да се побере в x1 слот. Също така не можете да смесвате PCI и PCIe: те не са съвместими със слотове , въпреки че има специфични адаптери за определени много специфични случаи.

Производителност: Защо PCIe направи PCI остарял

Ако сравним чистите показатели за производителност, PCI очевидно изостава. 32-битова PCI шина на 33 MHz е ограничена до 133 MB/s за всички устройства взети заедно, докато една съвременна PCIe линия може да обработва стотици MB/s или няколко GB/s в зависимост от поколението.

Дори PCIe x1 връзка от ранно поколение можеше да се справи с гигабитови мрежи, многоканално аудио и основно съхранение безпроблемно. В другия край на спектъра, добре използваният PCIe x16 конектор може да прехвърля скорост от няколко GB/s на посока , което е от съществено значение за високопроизводителни графични карти, AI ускорители или контролери за масово съхранение.

В допълнение към чистата пропускателна способност, PCI Express въвежда подобрения като приоритизиране на трафика, трансфери в реално време, по-добри алгоритми за откриване на грешки и препращане на пакети , както и възможността да се даде на всяко устройство специален канал, предотвратявайки борбата между множество устройства за една и съща шина.

PCIe и графични карти: Сбогом AGP, здравей, мулти-GPU

Преди PCIe да стане широко разпространен, мощните графични карти използваха AGP (Accelerated Graphics Port) слотове . PCI Express направи AGP ненужен: слотът PCIe x16 предлага значително по-голяма честотна лента от AGP 8x и може да достави до 75W мощност към графичния процесор директно от дънната платка.

С правилния хардуер, дънна платка с два PCIe x16 слота може да обработва две графични карти едновременно. Производители като Nvidia и AMD са разработили свои собствени технологии (SLI, CrossFire и др.), за да позволят на два графични процесора да работят координирано, споделяйки натоварването от рендериране между тях. В някои професионални и висок клас гейминг системи, множество графични процесори дори са използвани паралелно за задачи, свързани с изчисления, изкуствен интелект или 3D рендериране.

В този контекст PCI и AGP са напълно изместени. Съвременните графични карти са почти изключително PCI Express , а интерфейсът е толкова добре установен, че остава основата за AI ускорители и специално създадени карти в сървърите.

Други приложения на PCIe слотовете

PCIe не е само за графични процесори. Слотовете за разширение остават много полезни за добавяне на функции или разширяване на производителността на компютъра, особено когато дънната платка има ограничени портове или когато са необходими професионални възможности.

Често срещани приложения на PCIe днес включват:

• Разширяване на хранилището с карти, които добавят няколко NVMe SSD диска.
• Актуализиране на мрежовата свързаност с 2,5G, 10G или по-високи Ethernet адаптери или усъвършенствани WiFi карти.
• Добавяне на допълнителни портове USB, Thunderbolt, SATA или eSATA, използващи специфични карти.
• Интегрирайте професионални аудио интерфейси за висококачествено музикално продуциране или звуков монтаж.
• Монтирайте специални RAID контролери за разширени сървъри за съхранение или NAS.
• Инсталирайте GPU ускорители, FPGA или специални карти за изкуствен интелект, машинно обучение и научни натоварвания.

Тъй като всеки слот има своя собствена специална връзка, производителността на PCIe картата не се влошава толкова много при добавяне на още карти , за разлика от това, което се случи с класическата PCI шина.

Грешки и надеждност в PCI Express

В професионалните и сървърните системи надеждността на PCIe е ключова. Стандартът определя различните видове грешки и как да се справяме с тях:

• Поправими грешкиТе се обработват от самия PCIe хардуер, не влияят на дългосрочната целостност на данните и обикновено са прозрачни за потребителя.
• Нефатални, непоправими грешкиТези грешки причиняват загуба на данни или информация на ниво устройство, но самият PCIe интерфейс остава стабилен. Те обикновено се управляват със специфичен за устройството софтуер.
• Фатални, непоправими грешкиТе компрометират надеждността на PCIe интерфейса. Обикновено принуждават Рестартирайте компонента или цялата връзка за възстановяване на системата.

В оборудване, доставено от производителя, в случай на сериозна PCIe грешка, обикновено се препоръчва използването на диагностични инструменти, като например собствени помощни програми (например приложения SupportAssist), които могат да изпълняват бързи и изчерпателни тестове, да актуализират драйвери и да оптимизират системата , за да намалят проблемите.

Съвместимост с PCI и PCIe

Въпреки че PCI и PCI Express са различни стандарти, PCIe е проектиран на софтуерно ниво, за да използва един и същ модел на програмиране . Това означава, че много операционни системи и драйвери могат да бъдат адаптирани без големи промени и двата стандарта могат да съществуват едновременно в продължение на години на хибридни дънни платки, които предлагат както PCI, така и PCIe слотове.

Съвместимостта обаче не е физическа: не можете да поставите PCI карта в PCIe слот или обратно . Произведени са специфични адаптери за конкретни приложения, но това не е общо или препоръчително решение, освен ако не знаете точно какво правите.

С течение на времето, и като се има предвид, че PCIe предлага значително по-голяма скорост, гъвкавост и съвместимост със съвременните операционни системи, PCI картите стават все по-маргинализирани на пазара. PCI слотове на нови дънни платки стават все по-рядко срещани и производителите са съсредоточили всичките си усилия върху PCI Express.

Защо PCIe е интерфейсът на настоящето и бъдещето

Комбинацията от честотна лента, мащабируемост и съвместимост направи PCI Express гръбнакът на разширението в компютри, работни станции и сървъри . Той е еднакво подходящ както за инсталиране на обикновена звукова карта, така и за инсталиране на множество графични процесори с изкуствен интелект или NVMe стелажи за съхранение.

Напредъкът в софтуера (игри, 4K и 8K видео редактиране, виртуална реалност, изкуствен интелект, големи данни) непрекъснато води до необходимостта от по-бързи скорости на трансфер . Последователните версии на PCIe (4.x, 5.x и 6.x, която в момента е в процес на разработка) намаляват разликата между това, което процесорът изисква, и това, което подсистемата за разширение може да осигури.

Днес, въпреки че много функции, които преди изискваха отделна карта, вече са интегрирани директно в дънната платка (аудио, мрежа, понякога Wi-Fi), PCIe слотовете остават от съществено значение за разширени конфигурации . Ако искате да изградите компютър, който няма да остарее в краткосрочен план, е добре да следите колко PCIe слота предлага дънната платка, колко линии има процесорът и как тези линии са разпределени към графичния процесор, SSD и всички други карти, които планирате да добавите.

PCI беше ключов стандарт, който определи една епоха, но сега PCI Express носи по-голямата част от производителността в съвременните компютри. Разбирането как работят неговите слотове, ленти и версии е един от най-добрите начини да избегнете затруднения и да извлечете максимума от вашата система.