PCI ja PCIe: erot, kehitys ja todellinen käyttö tietokoneessasi

Informatec Digital » Resurssit » PCI ja PCIe: erot, kehitys ja todellinen käyttö tietokoneessasi

Jos olet joskus avannut tietokonetornisi ja nähnyt emolevyllä kokoelman pitkiä ja lyhyitä paikkoja , olet luultavasti miettinyt, miltä kukin niistä näyttää. Nimien, kuten PCI, PCI-X ja PCI Express (PCIe) , kanssa on helppo hämmentyä, varsinkin jos haluat tietää, minkä näytönohjaimen voit kytkeä mihinkin paikkaan vahingoittamatta mitään.

Tässä artikkelissa tarkastelemme perusteellisesti, mitä PCI ja PCIe ovat, miten ne toimivat, mitä eri versioita on saatavilla ja mitä eroja niillä on . Tarkastelemme myös niiden historiallista kehitystä, PCI-X:n roolia, kussakin paikassa käytettyjä korttityyppejä, PCIe-kaistojen allokointia ja niiden vaikutuksia jokapäiväisiin sovelluksiin, kuten näytönohjaimen, nopean verkkokortin tai NVMe SSD -levyn asentamiseen.

Mikä on PCI: klassinen laajennusstandardi

PCI (Peripheral Component Interconnect) oli vuosien ajan pöytätietokoneiden standardilaajennusväylä. Intelin 90-luvun alussa kehittämästä väylästä tuli yleiskäyttöinen väylä kaikentyyppisille korteille : ääni-, verkko-, video-, SCSI-ohjaimille jne.

Tämä PCI-väylä toimi rinnakkaisella ja jaetulla arkkitehtuurilla : kaikki liitetyt laitteet jakoivat saman väylän ja käytettävissä olevan kaistanleveyden. Tämä tarkoitti sitä, että mitä enemmän laitteita liitettiin, sitä enemmän kaistanleveyttä niiden oli jaettavana , ja sitä suurempi oli pullonkaulojen riski.

PCI-kortteja oli saatavilla 32- ja 64-bittisinä versioina , joiden taajuudet olivat 33 tai 66 MHz. Tyypillimmissä kokoonpanoissaan, 32-bittisinä 33 MHz:n taajuudella, väylän teoreettinen enimmäissiirtonopeus oli 133 Mt/s , mikä oli tuolloin enemmän kuin kohtuullinen nopeus äänelle, 10/100-verkoille tai 2D-videolle.

Yksi PCI:n suurimmista eduista tuolloin oli sen Plug and Play -tuki : järjestelmä hoiti itse resurssien allokoinnin (IRQ:t, muistiosoitteet jne.) ilman, että hyppyjohtimia tai siltoja tarvitsi siirtää kuten vanhassa ISA-standardissa. Tämä yksinkertaisti huomattavasti laitteiston asennusta keskivertokäyttäjälle.

Monissa vanhemmissa emolevyissä näet edelleen useita pitkiä, vaaleita paikkoja: nämä ovat perinteisiä PCI-paikkoja , jotka toimivat niin kauan kuin piirisarja ja käyttöjärjestelmä tukevat niitä, vaikka nykyään PCI Express on korvannut ne kokonaan.

Mikä on PCI-X ja miksi sitä näkee harvoin kotitietokoneissa?

Puolivälissä klassista PCI:tä ja PCI Expressiä tuli PCI-X (PCI Extended) , ensisijaisesti ammattiympäristöihin ja palvelimille suunniteltu kehitysaskel , jossa verkkokortit, tallennustila ja RAID-ohjaimet tarvitsivat paljon enemmän kaistanleveyttä.

PCI-X pysyi jaettuna rinnakkaisväylänä , joka oli fyysisesti yhteensopiva 64-bittisten PCI-korttien kanssa, mutta se nosti selvästi toimintataajuuksia: monet PCI-X-kortit toimivat 66, 100 ja 133 MHz: n taajuuksilla , ja PCI-X 2.0:n kanssa se saavutti 533 MHz:n taajuuden, saavuttaen noin 1,06 Gt/s: n kaistanleveydet yhdessä korttipaikassa.

Fyysisesti 64-bittiset PCI-X-paikat ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin 64-bittiset PCI-paikat, noin 130 mm pitkiä , ja siksi ne vievät huomattavan paljon tilaa emolevyllä. Tämä tuoteperhe suunniteltiin ensisijaisesti palvelimille ja työasemille , ja nykyään se on käytännössä kadonnut PCI Expressin tieltä.

Mikä on PCI Express ja miksi se korvasi PCI:n?

Yhä nopeampien prosessoreiden, näytönohjainten, kiintolevyjen ja verkkojen saapuessa PCI-väylä jäi selvästi vajaaksi. Tarvittiin joustavampi ja skaalautuvampi liitäntä, ja näin syntyi PCI Express (PCIe) , joka on standardi, joka hallitsee nykyisiä emolevyjä, sekä pöytätietokoneissa että kannettavissa tietokoneissa, ja myös palvelimissa.

Toisin kuin PCI ja PCI-X, PCI Express ei käytä jaettua rinnakkaisväylää. Sen sijaan se käyttää point-to-point-sarjaliikennearkkitehtuuria : jokaisella laitteella on oma liitäntänsä PCIe-kytkimeen tai suoraan suorittimeen/piirisarjaan ilman, että se jakaa kaistanleveyttä muiden laitteiden kanssa.

Kun käynnistät tietokoneen, PCIe-järjestelmä suorittaa laitteiden luettelointiprosessin : se tunnistaa kytketyt laitteet, neuvottelee kunkin linkin käyttämien kaistojen määrän ja rakentaa eräänlaisen sisäisen liikennekartan. Hyvä uutinen on, että vaikka elektroniikka on erilaista, tunnistus- ja konfigurointiprotokolla on yhteensopiva PCI:n kanssa , joten käyttöjärjestelmien ei tarvinnut keksiä pyörää uudelleen.

Jokainen PCIe-kaista koostuu kahdesta differentiaalisesta linjaparista , joista toinen on tarkoitettu datan lähettämiseen ja toinen vastaanottamiseen, ja se toimii kaksisuuntaisessa tilassa: se voi lähettää samanaikaisesti molempiin suuntiin. Kaistakohtainen nopeus riippuu PCIe-sukupolvesta (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), ja jokainen sukupolvi tyypillisesti kaksinkertaistaa kaistanleveyden edelliseen verrattuna.

PCI Express -sukupolvet ja kaistanleveys

Yksi PCIe:n suurimmista eduista on, että se on kehittynyt muuttamatta korttipaikan suunnittelufilosofiaa, säilyttäen useimmissa tapauksissa yhteensopivuuden sekä taaksepäin että eteenpäin . Tehokas nopeus määräytyy kuitenkin aina hitaimman käytetyn version (korttipaikan tai näytönohjaimen) mukaan.

Ohjeena voidaan todeta, että jokaiselle kaistalle (x1) käsitellään seuraavat likimääräiset kaistanleveydet sukupolvea kohden (dataa suuntaa kohden):

• PCIe 1.0noin 250 MB/s kaistaa kohden.
• PCIe 2.0noin 500 MB/s kaistaa kohden.
• PCIe 3.0noin 1 Gt/s kaistaa kohden.
• PCIe 4.0noin 2 Gt/s kaistaa kohden.
• PCIe 5.0noin 4 Gt/s kaistaa kohden (tehollinen 3,938 Gt/s).
• PCIe 6.0 (kehitysvaiheessa ja alustavissa toteutuksissa): vielä nopeampi, käyttäen edistyneitä koodaustekniikoita skaalauksen jatkamiseksi.

Jos kerrot nämä arvot kaistojen lukumäärällä, ymmärrät, miksi PCIe x16 -liitin voi siirtää valtavia määriä dataa. Esimerkiksi jopa vanhemmissa sukupolvissa:

Yksinkertainen 32-bittinen PCI-väylä, joka toimi 33 MHz:n taajuudella, tuotti noin 133 Mt/s nopeudet kaikille laitteille yhteensä. Sitä vastoin yksi moderni PCIe-väylä versioissa 4.0 tai 5.0 ylittää tämän luvun moninkertaisesti, ja x16-linkki voi saavuttaa useita Gt/s nopeuden suuntaansa.

PCIe-paikat: x1, x4, x8 ja x16

Käytännössä emolevyllä on eri pituisia PCIe-paikkoja. Nämä pituudet vastaavat niiden fyysisesti tarjoamien kaistojen enimmäismäärää :

• PCIe x1: lyhin.
• PCIe x4: vähän pidempään.
• PCIe x8: keskitasoa.
• PCIe x16: pisin ja yleisin näytönohjaimissa.

Jokainen korttipaikka voi tarjota 1–16 tehokasta kaistaa , mutta on tärkeää erottaa kaksi käsitettä: paikan mekaaninen pituus ja varsinainen sähköinen liitäntä . X16-muotoinen paikka voidaan kytkeä vain x8- tai x4-muotoon, mikä vähentää kaistanleveyttä, vaikka se fyysisesti mahdollistaa x16-korttien asettamisen.

PCIe x1 -paikka

PCIe x1 -paikka on pienin ja käyttää vain yhtä kaistaa. Sitä käytetään tyypillisesti korteille, jotka eivät vaadi paljon kaistanleveyttä : äänikortit, verkkosovittimet, USB-porttilaajennukset, keskitason kaappauskortit jne.

Nykyisillä PCIe-sukupolvilla (4.0 ja 5.0) jopa yksi x1-kaista tarjoaa enemmän kuin tarpeeksi suorituskykyä gigabitin verkoille, ammattitason äänentoistolle tai suurelle osalle lisätallennustilasta, mikä tekee näistä korttipaikoista erittäin hyödyllisiä.

PCIe x4 -paikka

x4-paikka on eräänlainen välimuoto. Se tarjoaa neljä kaistaa, joten se sopii täydellisesti erittäin nopeille verkkokorteille, RAID-ohjaimille, NVMe-sovittimille tai tehokkaille tallennuskorteille . Monet NAS-tallennuskokoonpanot tai M.2-laajennukset hyödyntävät juuri x4-kaistanleveyttä.

Itse asiassa nykyaikaiset NVMe SSD -levyt, vaikka ne on asennettu M.2-kantoihin, käyttävät sisäisesti PCIe x4:ää , joka on tosiasiallinen standardi erittäin suurten luku- ja kirjoitusnopeuksien saavuttamiseksi.

PCIe x8 -paikka

PCIe x8 -paikat ovat yleistymässä, erityisesti keskitason ja huippuluokan emolevyillä ja ammattisovelluksissa. Kahdeksan käytettävissä olevan väylän ansiosta ne sopivat ihanteellisesti keskitason näytönohjaimille, usean paikan NVMe-sovittimille, 40GbE-verkkokorteille tai monimutkaisille tallennuskokoonpanoille.

Jotkut edulliset näytönohjaimet on suunniteltu toimimaan sähköisesti x8-nopeudella, vaikka ne sopivat x16-paikkoihin, ja toiset emolevyt käyttävät mekaanisia x16-paikkoja, jotka on kytketty x8-liitännällä, kun asennat useamman kuin yhden näytönohjaimen.

PCIe x16 -paikka

Show’n tähti on PCIe x16 -paikka . Se on pisin ja tarkoitettu ensisijaisesti erillisille näytönohjaimille , vaikka sitä käytetään myös palvelintason verkko- ja tallennuskorteille.

Monissa emolevyissä ylin x16-paikka on kytketty suoraan suorittimeen 16 täydellä kaistalla , kun taas alemmat paikat, vaikka ne ovatkin samanpituisia, voidaan kytkeä x8- tai x4-paikkaan käytettävissä olevien kaistojen rajoitusten vuoksi.

Tämä on avainasemassa, jos haluat asentaa useita näytönohjaimia tai tehokkaita näytönohjaimia : sinun on tarkistettava emolevyn tekniset tiedot nähdäksesi, kuinka monta kaistaa kukin paikka tarjoaa asennetusta yhdistelmästä riippuen. Kuluttajaympäristöissä (Ryzen, Intel Core) on tyypillisesti 16–24 PCIe-kaistaa suoraan suorittimelle , kun taas tehokkaammat prosessorit, kuten Threadripper Pro, tai palvelinprosessorit (EPYC, Xeon), tarjoavat 64 kaistaa tai enemmän , mikä mahdollistaa useiden näytönohjainten käytön aidoilla x16-nopeuksilla.

Datatopologia: rinnakkainen vs. sarja

PCI/PCI-X:n ja PCI Expressin välinen filosofinen ero voidaan tiivistää jaettuun rinnakkaisporttiin verrattuna point-to-point-sarjaporttiin . PCI:ssä ja PCI-X:ssä kaikki laitteet kytketään samaan väylään, ja dataa lähetetään rinnakkain useiden linjojen kautta samanaikaisesti. Tämä toimi hyvin matalilla taajuuksilla, mutta nopeuksien kasvaessa ilmeni häiriöitä ja synkronointiongelmia.

PCI Expressissä käytetään yhden jaetun väylän sijaan erillisten linkkien verkkoa . Jokaisella laitteella on oma linkkinsä kytkimeen tai suorittimeen, joka koostuu yhdestä tai useammasta kaistasta. Tuloksena on paljon tehokkaampi, skaalautuva järjestelmä, joka on vähemmän altis häiriöille ja mahdollistaa suuremmat taajuudet ja kaistanleveyden ilman rinnakkaisten väylien fyysisiä rajoituksia.

Fyysisten korttipaikkojen koot ja yhteensopivuus

Vanhemmissa emolevyissä oli yleistä löytää useita 32-bittisiä PCI-paikkoja (noin 85 mm pitkiä ) ja joskus yksi 64-bittinen tai PCI-X-paikka (noin 130 mm). Nämä vievät huomattavasti tilaa ja kaikki jakavat saman väylän.

Nykyaikaiset emolevyt käyttävät pääasiassa PCIe x1-, x4-, x8- ja x16 -paikkoja . PCI Expressin käytännön etu on, että lyhyempi kortti voidaan asentaa pidempään paikkaan (esimerkiksi x1-kortti x4- tai x16-paikkaan), kunhan paikka on auki tai sen rakenne sallii. Kortti toimii sillä määrällä kaivoja, jolle se on suunniteltu.

Päinvastoin ei ole mahdollista: x16-kortti ei fyysisesti sovi x1-paikkaan. PCI:tä ja PCIe:tä ei myöskään voi käyttää yhdessä: ne eivät ole yhteensopivia korttipaikkojen kanssa , vaikka tiettyihin hyvin erityisiin tapauksiin on olemassa erityisiä sovittimia.

Suorituskyky: Miksi PCIe on tehnyt PCI:stä tarpeettoman

Jos vertaamme pelkkiä suorituskykylukuja, PCI jäi selvästi jälkeen. 32-bittisen PCI-väylän nopeus 33 MHz:n taajuudella rajoittui 133 Mt/s:iin kaikille laitteille yhteensä, kun taas yksi moderni PCIe-väylä voi käsitellä satoja Mt/s tai useita Gt/s sukupolvesta riippuen.

Jopa varhaisen sukupolven PCIe x1 -liitäntä kykeni käsittelemään gigabitin verkkoja, monikanavaista ääntä ja perustallennusta vaivattomasti. Toisessa ääripäässä hyvin hyödynnetty PCIe x16 -liitin voi siirtää useita gigatavuja sekunnissa suuntaansa , mikä on välttämätöntä tehokkaille näytönohjaimille, tekoälykiihdyttimille tai massamuistiohjaimille.

Raa'an kaistanleveyden lisäksi PCI Express tuo parannuksia, kuten liikenteen priorisoinnin, reaaliaikaiset siirrot, paremmat virheiden havaitsemis- ja pakettien edelleenlähetysalgoritmit sekä mahdollisuuden antaa jokaiselle laitteelle oma kanava, mikä estää useiden laitteiden joutumasta taistelemaan samasta väylästä.

PCIe ja näytönohjaimet: Hyvästi AGP, tervetuloa moni-GPU:lle

Ennen PCIe:n yleistymistä tehokkaat näytönohjaimet käyttivät AGP (Accelerated Graphics Port) -paikkoja . PCI Express teki AGP:stä tarpeettoman: PCIe x16 -paikka tarjoaa huomattavasti enemmän kaistanleveyttä kuin AGP 8x ja voi myös syöttää jopa 75 W tehoa näytönohjaimelle suoraan emolevyltä.

Oikealla laitteistolla emolevy, jossa on kaksi PCIe x16 -paikkaa, voi käsitellä kahta näytönohjainta samanaikaisesti. Valmistajat, kuten Nvidia ja AMD, ovat kehittäneet omia tekniikoitaan (SLI, CrossFire jne.), joiden avulla kaksi näytönohjainta voi toimia koordinoidusti ja jakaa renderöintikuorman niiden kesken. Joissakin ammattimaisissa ja huippuluokan pelijärjestelmissä useita näytönohjaimia on jopa käytetty rinnakkain laskentaan, tekoälyyn tai 3D-renderöintitehtäviin.

Tässä yhteydessä PCI ja AGP on täysin syrjäytetty. Nykyaikaiset näytönohjaimet ovat lähes yksinomaan PCI Express -liitäntäisiä , ja liitäntä on niin vakiintunut, että se on edelleen tekoälykiihdyttimien ja palvelimissa käytettävien tarkoitukseen rakennettujen näytönohjainten perusta.

PCIe-paikkojen muita käyttötarkoituksia

PCIe ei ole pelkästään näytönohjainten asia. Laajennuspaikat ovat edelleen erittäin hyödyllisiä ominaisuuksien lisäämiseen tai tietokoneen suorituskyvyn parantamiseen, varsinkin kun emolevyllä on rajoitetusti portteja tai kun tarvitaan ammattimaisia ​​ominaisuuksia.

PCIe:n yleisiä käyttötarkoituksia nykyään ovat:

• Laajenna tallennustilaa korteilla, jotka lisäävät useita NVMe SSD -levyjä.
• Päivitä verkkoyhteys 2,5 G:n, 10 G:n tai nopeammilla Ethernet-sovittimilla tai edistyneillä WiFi-korteilla.
• Lisää portteja USB, Thunderbolt, SATA tai eSATA käyttäen tiettyjä kortteja.
• Integroi ammattimaiset ääniliitännät korkealaatuiseen musiikkituotantoon tai äänen editointiin.
• Asenna erilliset RAID-ohjaimet edistyneille tallennuspalvelimille tai NAS-järjestelmille.
• Asenna GPU-kiihdyttimiä, FPGA-piirejä tai erillisiä näytönohjaimia tekoälyyn, koneoppimiseen ja tieteellisiin työkuormiin.

Koska jokaisella korttipaikalla on oma erillinen linkkinsä, PCIe-kortin suorituskyky ei heikkene yhtä paljon lisää kortteja lisättäessä , toisin kuin klassisen PCI-väylän kanssa.

Virheet ja luotettavuus PCI Expressissä

Ammatti- ja palvelinjärjestelmissä PCIe:n luotettavuus on avainasemassa. Standardi määrittelee erityyppiset virheet ja niiden käsittelyn:

• Korjattavat virheetPCIe-laitteisto käsittelee ne itse, eivätkä ne vaikuta pitkäaikaiseen tietojen eheyteen ja ovat yleensä käyttäjälle läpinäkyviä.
• Ei-kohtalokkaat, korjaamattomat virheetNämä virheet aiheuttavat datan menetystä tai informaation menetystä laitetasolla, mutta itse PCIe-liitäntä pysyy vakaana. Niitä hallitaan tyypillisesti laitekohtaisella ohjelmistolla.
• Kohtalokkaat, korjaamattomat virheetNe vaarantavat PCIe-liitännän luotettavuuden. Ne yleensä pakottavat Käynnistä komponentti tai koko linkki uudelleen järjestelmän palauttamiseksi.

Valmistajan toimittamissa laitteissa vakavan PCIe-virheen sattuessa on yleensä suositeltavaa käyttää diagnostiikkatyökaluja, kuten valmistajan omia apuohjelmia (esimerkiksi SupportAssist-sovelluksia), jotka voivat suorittaa nopeita ja kattavia testejä, päivittää ajureita ja optimoida järjestelmän ongelmien vähentämiseksi.

PCI- ja PCIe-yhteensopivuus

Vaikka PCI ja PCI Express ovat eri standardeja, PCIe suunniteltiin ohjelmistotasolla hyödyntämään samaa ohjelmointimallia . Tämä tarkoittaa, että monia käyttöjärjestelmiä ja ajureita voitiin mukauttaa ilman suuria muutoksia, ja molemmat standardit ovat voineet toimia rinnakkain vuosia hybridi-emolevyillä, joissa oli sekä PCI- että PCIe-paikat.

Yhteensopivuus ei kuitenkaan ole fyysistä: et voi laittaa PCI-korttia PCIe-paikkaan tai päinvastoin . Tiettyjä sovittimia on valmistettu tiettyihin käyttötarkoituksiin, mutta tämä ei ole yleinen tai suositeltu ratkaisu, ellet tiedä tarkalleen, mitä olet tekemässä.

Ajan myötä, ja koska PCIe tarjoaa huomattavasti suurempaa nopeutta, joustavuutta ja yhteensopivuutta nykyaikaisten käyttöjärjestelmien kanssa, PCI-kortit ovat jääneet yhä syrjäisemmiksi markkinoilla. PCI-paikkoja on yhä harvinaisempaa nähdä uusissa emolevyissä, ja valmistajat ovat keskittäneet kaikki ponnistelunsa PCI Expressiin.

Miksi PCIe on nykyajan ja tulevaisuuden rajapinta

Kaistanleveyden, skaalautuvuuden ja yhteensopivuuden yhdistelmä on tehnyt PCI Expressistä laajennusratkaisun tietokoneissa, työasemissa ja palvelimissa . Se sopii yhtä hyvin yksinkertaisen äänikortin kuin useiden tekoälygrafiikkasuorittimien tai NVMe-tallennusräkkien asentamiseen.

Ohjelmistojen kehitys (pelit, 4K- ja 8K-videonmuokkaus, virtuaalitodellisuus, tekoäly, big data) on jatkuvasti lisännyt tarvetta nopeammille siirtonopeuksille . Peräkkäiset PCIe-versiot (4.x, 5.x ja parhaillaan kehitteillä oleva 6.x) kurovat umpeen kuilua prosessorin vaatimusten ja laajennusjärjestelmän tarjoamien mahdollisuuksien välillä.

Nykyään, vaikka monet toiminnot, jotka aiemmin vaativat erillisen näytönohjaimen, on nyt integroitu suoraan emolevyyn (ääni, verkko, joskus Wi-Fi), PCIe-paikat ovat edelleen välttämättömiä edistyneissä kokoonpanoissa . Jos haluat rakentaa tietokoneen, joka ei vanhene lyhyellä aikavälillä, on hyvä pitää silmällä, kuinka monta PCIe-paikkaa emolevyssä on, kuinka monta kaistaa suorittimessa on ja miten nämä kaistat on allokoitu näytönohjaimelle, SSD-levylle ja muille suunnitelluille näytönohjaimille.

PCI oli keskeinen standardi, joka määritteli aikakauden, mutta nykyään PCI Express vastaa suurimmasta osasta nykyaikaisten tietokoneiden suorituskykyä. Sen korttipaikkojen, kaistojen ja versioiden toiminnan ymmärtäminen on yksi parhaista tavoista välttää pullonkauloja ja saada järjestelmästäsi kaikki irti.