PCI és PCIe: különbségek, fejlődés és valós felhasználás a számítógépeden

Informatec Digital » Erőforrás » PCI és PCIe: különbségek, fejlődés és valós felhasználás a számítógépeden

Ha valaha is kinyitottad a számítógéped alaplapját, és hosszú és rövid foglalatok gyűjteményét láttad , valószínűleg elgondolkodtál azon, hogy hogyan is néznek ki mindegyik. Az olyan nevek, mint a PCI, PCI-X és PCI Express (PCIe) , könnyű összezavarodni, különösen, ha tudni akarod, hogy melyik kártyát helyezheted az egyes foglalatokba anélkül, hogy bármit is károsítanál.

Ebben a cikkben alaposan áttekintjük, hogy mi a PCI és a PCIe, hogyan működnek, milyen verziók érhetők el, és milyen különbségek vannak közöttük . Megvizsgáljuk továbbá a történeti fejlődésüket, a PCI-X szerepét, az egyes foglalatokban használt kártyák típusait, a PCIe sávok kiosztását, valamint a mindennapi alkalmazásokra, például GPU, gyors hálózati kártya vagy NVMe SSD telepítésére gyakorolt ​​​​következményeket.

Mi a PCI: a klasszikus bővítési szabvány

A PCI (Peripheral Component Interconnect) hosszú évekig az asztali számítógépek szabványos bővítőbuszának számított. Az Intel által az 90-es évek elején kifejlesztett busz általános célúvá vált mindenféle kártyához : hang-, hálózati-, video-, SCSI-vezérlők stb.

Ez a PCI busz párhuzamos és megosztott architektúrával működött : az összes csatlakoztatott eszköz ugyanazt a buszt és az elérhető sávszélességet használta. Ez azt jelentette, hogy minél több eszközt csatlakoztatott, annál nagyobb sávszélességet kellett megosztaniuk , és annál nagyobb volt a szűk keresztmetszetek kockázata.

A PCI kártyák 32 bites és 64 bites változatban kaphatók , 33 vagy 66 MHz-es frekvenciákkal kombinálva. A legjellemzőbb konfigurációjában, 32 bites, 33 MHz-es órajelen, a busz elméleti maximális átviteli sebességet kínált 133 MB/s-nak , ami akkoriban több mint megfelelő sebességnek számított hang, 10/100-as hálózat vagy 2D-s videó átviteléhez.

A PCI egyik nagy előnye akkoriban a Plug and Play támogatása volt : a rendszer maga kezelte az erőforrás-elosztást (IRQ-k, memóriacímek stb.) anélkül, hogy jumpereket vagy hidakat kellett volna mozgatni, mint a régi ISA szabványban. Ez nagyban leegyszerűsítette a hardvertelepítést az átlagfelhasználó számára.

Sok régebbi alaplapon még mindig számos hosszú, világos színű foglalatot láthat: ezek a hagyományos PCI foglalatok , amelyek mindaddig működnek, amíg a chipset és az operációs rendszer támogatja őket, bár ma már teljesen felváltotta őket a PCI Express.

Mi az a PCI-X, és miért ritkán látni otthoni PC-kben?

A klasszikus PCI és a PCI Express között félúton jelent meg a PCI-X (PCI Extended) , egy olyan evolúciós vonal, amelyet elsősorban professzionális környezetek és szerverek számára terveztek , ahol sokkal nagyobb sávszélességre volt szükség a hálózati kártyákhoz, a tárolóeszközökhöz és a RAID-vezérlőkhöz.

A PCI-X továbbra is megosztott párhuzamos busz maradt , fizikailag kompatibilis a 64 bites PCI kártyákkal, de egyértelműen megnövelte a működési frekvenciákat: sok PCI-X kártya 66, 100, 133 MHz -en működött , a PCI-X 2.0-val pedig elérte az 533 MHz-et , körülbelül 1,06 GB/s sávszélességet elérve egyetlen foglalatban.

Fizikailag a 64 bites PCI-X foglalatok nagyon hasonlóak a 64 bites PCI foglalatokhoz, körülbelül 130 mm hosszúak , ezért jelentős helyet foglalnak el az alaplapon. Ezt a családot elsősorban szerverek és munkaállomások számára tervezték , és mára gyakorlatilag eltűnt a PCI Express javára.

Mi a PCI Express, és miért váltotta fel a PCI-t?

Az egyre gyorsabb processzorok, grafikus kártyák, merevlemezek és hálózatok megjelenésével a PCI busz egyértelműen alulmaradt. Rugalmasabb és skálázhatóbb interfészre volt szükség, így született meg a PCI Express (PCIe) , amely a jelenlegi alaplapokat, mind az asztali, mind a laptop alaplapokat, valamint a szervereket uralja.

A PCI-vel és a PCI-X-szel ellentétben a PCI Express nem használ megosztott párhuzamos buszt. Ehelyett egy pont-pont soros architektúrát alkalmaz : minden eszköz dedikált csatlakozással rendelkezik egy PCIe kapcsolóhoz vagy közvetlenül a CPU-hoz/chipkészlethez, anélkül, hogy megosztaná a sávszélességet a többivel.

Amikor bekapcsolod a számítógépedet, a PCIe rendszer eszközfelmérést hajt végre : érzékeli a csatlakoztatott eszközöket, egyezteti az egyes kapcsolatok által használt sávok számát , és egyfajta belső forgalmi térképet készít. A jó hír az, hogy bár az elektronika eltérő, az érzékelési és konfigurációs protokoll kompatibilis a PCI-vel , így az operációs rendszereknek nem kellett újra feltalálniuk a kereket.

Minden PCIe sáv két differenciális vonalpárból áll , az egyik az adatok küldésére, a másik a fogadására szolgál, és full-duplex módban működik: mindkét irányban képes egyszerre továbbítani. A sávonkénti sebesség a PCIe generációtól (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…) függ, és minden generáció jellemzően megduplázza a sávszélességet az előzőhöz képest.

PCI Express generációk és sávszélesség

A PCIe egyik nagy előnye, hogy a bővítőhely-tervezési filozófia megváltoztatása nélkül fejlődött, a legtöbb esetben megőrizve a visszafelé és előre is kompatibilitást . A tényleges sebességet azonban mindig a leglassabb érintett verzió (bővítőhely vagy kártya) határozza meg .

Iránymutatásként minden sáv (x1) esetében a következő hozzávetőleges sávszélességeket kezeljük generációnként (adatok irányonként):

• PCIe 1.0körülbelül 250 MB/s sávonként.
• PCIe 2.0körülbelül 500 MB/s sávonként.
• PCIe 3.0körülbelül 1 GB/s sávonként.
• PCIe 4.0körülbelül 2 GB/s sávonként.
• PCIe 5.0kb. 4 GB/s sávonként (3,938 GB/s effektív).
• PCIe 6.0 (fejlesztés és kezdeti implementációk alatt): még gyorsabb, fejlett kódolási technikákat használva a folyamatos skálázás érdekében.

Ha ezeket az értékeket megszorozzuk a sávok számával, megértjük, miért képes egy PCIe x16 csatlakozó hatalmas mennyiségű adatot mozgatni. Például még a régebbi generációkban is:

Egy egyszerű , 32 bites, 33 MHz-en futó PCI busz az összes eszköz esetében körülbelül 133 MB/s sebességet eredményezett. Ezzel szemben egyetlen modern PCIe sáv a 4.0-s vagy 5.0-s verzióban ezt az értéket többszörösen meghaladja, és egy x16-os kapcsolat irányonként több GB/s sebességet is elérhet.

PCIe foglalatok: x1, x4, x8 és x16

A gyakorlatban, amikor egy alaplapot nézünk, különböző hosszúságú PCIe foglalatokat láthatunk. Ezek a hosszúságok megfelelnek a fizikailag kínált maximális sávok számának :

• PCIe x1: a legrövidebb.
• PCIe x4: egy kicsit hosszabban.
• PCIe x8: közepes.
• PCIe x16: a leghosszabb és leggyakoribb a grafikus kártyáknál.

Minden egyes foglalattípus 1-től 16 effektív sávig terjedő mennyiséget kínálhat , de fontos különbséget tenni két fogalom között: a foglalat mechanikai hosszát és a tényleges elektromos csatlakozást . Egy x16 alakú foglalat csak x8 vagy x4 formátumban lehet bekötve, ami csökkenti a sávszélességet, annak ellenére, hogy fizikailag lehetővé teszi az x16 kártyák behelyezését.

PCIe x1 foglalat

A PCIe x1 foglalat a legkisebb, és egyetlen sávot használ. Általában olyan kártyákhoz használják, amelyek nem igényelnek nagy sávszélességet : hangkártyák, hálózati adapterek, USB portbővítők, középkategóriás rögzítőkártyák stb.

A jelenlegi PCIe generációkkal (4.0 és 5.0) már egyetlen x1 sáv is több mint elegendő teljesítményt nyújt gigabites hálózatépítéshez, professzionális hangátvitelhez vagy a kiegészítő tárolók nagy részéhez, így ezek a bővítőhelyek nagyon hasznosak.

PCIe x4 foglalat

Az x4 foglalat egyfajta köztes megoldás. Négy sávot kínál, így tökéletes a nagyon nagy sebességű hálózati kártyákhoz, RAID-vezérlőkhöz, NVMe adapterekhez vagy nagy teljesítményű rögzítőkártyákhoz . Számos NAS tárolókonfiguráció vagy M.2 bővítmény pontosan x4 sávszélességet használ.

Valójában a modern NVMe SSD-k, annak ellenére, hogy M.2 foglalatba vannak szerelve, belsőleg PCIe x4-et használnak , ami a de facto szabvány a nagyon magas olvasási és írási átvitel elérésére.

PCIe x8 foglalat

A PCIe x8 bővítőhelyek egyre gyakoribbak, különösen a közép- és felsőkategóriás alaplapokon és a professzionális alkalmazásokban. Nyolc elérhető sávjukkal ideálisak középkategóriás grafikus kártyákhoz, több nyílással rendelkező NVMe adapterekhez, 40 GbE hálózati kártyákhoz vagy összetett tárolási konfigurációkhoz.

Néhány költségvetésbarát GPU úgy van kialakítva, hogy elektromosan működjön x8-on, annak ellenére, hogy x16-os foglalatokba illeszkednek, más alaplapok pedig mechanikus x16-os foglalatokat használnak, amelyek x8-ként vannak bekötve, ha egynél több grafikus kártyát szerelünk fel.

PCIe x16 foglalat

A show sztárja a PCIe x16 foglalat . Ez a leghosszabb, és elsősorban dedikált grafikus kártyákhoz készült , bár szerver szintű hálózati és tárolókártyákhoz is használják.

Sok alaplapon a felső x16-os foglalat közvetlenül a CPU-hoz csatlakozik 16 teljes sávval , míg az alsó foglalatok, bár azonos hosszúságúak, a rendelkezésre álló sávok korlátozott száma miatt x8 vagy x4 csatlakozóval is beköthetők.

Ez kulcsfontosságú, ha több GPU-t vagy nagy teljesítményű grafikus kártyát szeretne telepíteni : ellenőrizze az alaplap specifikációit, hogy lássa, hány sávot kínál az egyes foglalatok a telepített kombinációtól függően. A fogyasztói platformok (Ryzen, Intel Core) jellemzően 16 és 24 közötti PCIe sávval rendelkeznek közvetlenül a CPU-hoz , míg a felső kategóriás processzorok, mint például a Threadripper Pro vagy a szerverprocesszorok (EPYC, Xeon) 64 vagy több sávot kínálnak , lehetővé téve több GPU használatát valódi x16 sebességgel.

Adattopológia: párhuzamos vs. soros

A PCI/PCI-X és a PCI Express közötti filozófiai különbség a következőképpen foglalható össze: megosztott párhuzamos vs. pont-pont soros . A PCI és a PCI-X esetében minden eszköz ugyanarra a buszra csatlakozik, és az adatokat párhuzamosan, több vonalon küldik egyszerre. Ez alacsony frekvenciákon jól működött, de a sebesség növekedésével interferencia és szinkronizációs problémák merültek fel.

A PCI Express esetében egyetlen megosztott busz helyett dedikált kapcsolatok hálózatát használják . Minden eszköznek saját kapcsolata van a kapcsolóval vagy a CPU-val, amely egy vagy több sávból áll. Az eredmény egy sokkal hatékonyabb, skálázhatóbb rendszer, amely kevésbé hajlamos az interferenciára , lehetővé téve a megnövelt frekvenciákat és sávszélességet a párhuzamos buszok fizikai korlátai nélkül.

Fizikai nyílásméretek és kompatibilitás

A régebbi alaplapokon gyakori volt több 32 bites PCI bővítőhely (kb. 85 mm hosszú ), és néha egy 64 bites vagy PCI-X bővítőhely (kb. 130 mm). Ezek jelentős helyet foglalnak el, és mindegyik ugyanazt a buszt használja.

A modern alaplapok túlnyomórészt PCIe x1, x4, x8 és x16 foglalatokat használnak . A PCI Express egyik gyakorlati előnye, hogy egy rövidebb kártya is beszerelhető egy hosszabb foglalatba (például egy x1 kártya egy x4 vagy x16 foglalatba), amennyiben a foglalat nyitva van, vagy a kialakítás ezt megengedi. A kártya a tervezett számú sávval fog működni.

Amit viszont nem lehet megtenni, az az ellenkezője: egy x16-os kártya fizikailag nem fér bele egy x1-es foglalatba. A PCI és a PCIe sem keverhető: nem foglalatkompatibilisek , annak ellenére, hogy vannak speciális adapterek bizonyos nagyon speciális esetekre.

Teljesítmény: Miért tette a PCIe elavulttá a PCI-t?

Ha a tiszta teljesítményadatokat hasonlítjuk össze, a PCI egyértelműen lemaradt. Egy 32 bites, 33 MHz-es PCI busz az összes eszköz esetében együttesen 133 MB/s-ra korlátozódott, míg egyetlen modern PCIe sáv több száz MB/s-ot vagy akár több GB/s-ot is képes kezelni a generációtól függően.

Még egy korai generációs PCIe x1 csatlakozó is gond nélkül kezelte a gigabites hálózatkezelést, a többcsatornás hangzást és az alapvető tárolást . A spektrum másik végén egy jól kihasznált PCIe x16 csatlakozó irányonként több GB/s sebességre is képes , ami elengedhetetlen a nagy teljesítményű grafikus kártyákhoz, mesterséges intelligencia gyorsítókhoz vagy tömeges tárolóvezérlőkhöz.

A nyers sávszélesség mellett a PCI Express olyan fejlesztéseket is bevezet, mint a forgalompriorizálás, a valós idejű átvitel, a jobb hibaészlelés és csomagtovábbító algoritmusok , valamint az a képesség, hogy minden eszközhöz dedikált csatorna rendelhető, megakadályozva, hogy több eszköznek kelljen ugyanazért a buszért harcolnia.

PCIe és grafikus kártyák: Viszlát AGP, helló multi-GPU

Mielőtt a PCIe elterjedt volna, a nagy teljesítményű grafikus kártyák AGP (Accelerated Graphics Port) foglalatokat használtak . A PCI Express szükségtelenné tette az AGP-t: egy PCIe x16 foglalat lényegesen nagyobb sávszélességet kínál, mint az AGP 8x, és akár 75 W teljesítményt is képes leadni a GPU-nak közvetlenül az alaplapról.

Megfelelő hardverrel egy két PCIe x16 foglalattal rendelkező alaplap két grafikus kártyát is képes egyszerre kezelni. Az olyan gyártók, mint az Nvidia és az AMD, saját technológiákat fejlesztettek ki (SLI, CrossFire stb.), amelyek lehetővé teszik két GPU összehangolt működését, megosztva közöttük a renderelési terhelést. Egyes professzionális és csúcskategóriás játékrendszerekben több GPU-t is használnak párhuzamosan számítási, mesterséges intelligencia vagy 3D renderelési feladatokhoz.

Ebben az összefüggésben a PCI és az AGP teljesen kiszorult. A modern grafikus kártyák szinte kizárólag PCI Express-t használnak , és a csatlakozófelület annyira jól bevált, hogy továbbra is az alapja a mesterséges intelligencia gyorsítóinak és a szerverekben található, erre a célra tervezett kártyáknak.

A PCIe bővítőhelyek egyéb felhasználási módjai

A PCIe nem csak a GPU-król szól. A bővítőhelyek továbbra is nagyon hasznosak a funkciók hozzáadásához vagy a számítógép teljesítményének növeléséhez, különösen akkor, ha az alaplapon korlátozott a portok száma, vagy ha professzionális képességekre van szükség.

A PCIe mai gyakori felhasználási módjai a következők:

• Tárhely bővítése olyan kártyákkal, amelyek több NVMe SSD-t adnak hozzá.
• Hálózati kapcsolat frissítése 2,5 G-os, 10 G-os vagy gyorsabb Ethernet adapterekkel, vagy fejlett WiFi kártyákkal.
• További portok hozzáadása USB, Thunderbolt, SATA vagy eSATA csatlakozók speciális kártyák használatával.
• Professzionális audio interfészek integrálása kiváló minőségű zenei produkcióhoz vagy hangszerkesztéshez.
• Dedikált RAID vezérlők csatlakoztatása fejlett tárolószerverekhez vagy NAS-okhoz.
• GPU-gyorsítók, FPGA-k vagy dedikált kártyák telepítése mesterséges intelligenciához, gépi tanuláshoz és tudományos munkaterhelésekhez.

Mivel minden foglalatnak saját, dedikált kapcsolata van, a PCIe kártya teljesítménye nem romlik annyira, ha további kártyákat adunk hozzá , ellentétben a klasszikus PCI busszal.

Hibák és megbízhatóság a PCI Expressben

Professzionális és szerverrendszerekben a PCIe megbízhatósága kulcsfontosságú. A szabvány meghatározza a különböző típusú hibákat és azok kezelését:

• Javítható hibákEzeket maga a PCIe hardver kezeli, nem befolyásolják a hosszú távú adatintegritást, és általában transzparensek a felhasználó számára.
• Nem végzetes, javíthatatlan hibákEzek a hibák adatvesztést vagy információvesztést okoznak eszközszinten, de maga a PCIe interfész stabil marad. Ezeket jellemzően eszközspecifikus szoftverrel kezelik.
• Végzetes, javíthatatlan hibákVeszélyeztetik a PCIe interfész megbízhatóságát. Általában kikényszerítik Indítsa újra az összetevőt vagy a teljes hivatkozást a rendszer helyreállításához.

A gyártó által szállított berendezésekben súlyos PCIe-hiba esetén általában ajánlott diagnosztikai eszközöket, például saját fejlesztésű segédprogramokat (például SupportAssist alkalmazásokat) használni, amelyek gyors és átfogó teszteket futtathatnak, frissíthetik az illesztőprogramokat és optimalizálhatják a rendszert a problémák csökkentése érdekében.

PCI és PCIe kompatibilitás

Bár a PCI és a PCI Express két különböző szabvány, a PCIe-t szoftveres szinten úgy tervezték, hogy ugyanazt a programozási modellt használja . Ez azt jelenti, hogy számos operációs rendszer és illesztőprogram adaptálható volt nagyobb változtatások nélkül, és mindkét szabvány évek óta együtt tudott létezni hibrid alaplapokon, amelyek PCI és PCIe bővítőhelyeket is kínáltak.

A kompatibilitás azonban nem fizikai: nem lehet PCI kártyát PCIe foglalatba helyezni, és fordítva sem . Különleges adaptereket gyártottak bizonyos felhasználási módokhoz, de ez nem egy általános vagy ajánlott megoldás, hacsak nem tudod pontosan, mit csinálsz.

Idővel, és mivel a PCIe jelentősen nagyobb sebességet, rugalmasságot és kompatibilitást kínál a modern operációs rendszerekkel, a PCI kártyák egyre inkább marginalizálódnak a piacon. Egyre ritkábban látni PCI foglalatokat az új alaplapokon, és a gyártók minden erőfeszítésüket a PCI Expressre összpontosították.

Miért a PCIe a jelen és a jövő interfésze?

A sávszélesség, a skálázhatóság és a kompatibilitás kombinációja tette a PCI Express-t a PC-k, munkaállomások és szerverek bővítésének gerincévé . Ugyanolyan alkalmas egy egyszerű hangkártya telepítésére, mint több AI GPU vagy NVMe tárolóállvány telepítésére.

A szoftverfejlesztések (játékok, 4K és 8K videószerkesztés, virtuális valóság, mesterséges intelligencia, big data) folyamatosan fokozzák a gyorsabb átviteli sebesség iránti igényt . A PCIe egymást követő verziói (4.x, 5.x és a jelenleg fejlesztés alatt álló 6.x) áthidalják a processzor igényei és a bővítő alrendszer által kínált szolgáltatások közötti szakadékot.

Manapság, bár számos olyan funkció, amely korábban külön kártyát igényelt, közvetlenül az alaplapra van integrálva (hang, hálózat, néha Wi-Fi), a PCIe bővítőhelyek továbbra is elengedhetetlenek a fejlett konfigurációkhoz . Ha olyan PC-t szeretne építeni, amely nem válik avulttá rövid távon, érdemes figyelemmel kísérni, hogy hány PCIe bővítőhelyet kínál az alaplap, hány sávval rendelkezik a CPU, és hogyan vannak ezek a sávok kiosztva a GPU, az SSD és az esetlegesen hozzáadni kívánt egyéb kártyák számára.

A PCI egy korszakot meghatározó kulcsfontosságú szabvány volt, de a modern PC-k teljesítményének nagy részét ma a PCI Express biztosítja. A slotok, sávok és verziók működésének megértése az egyik legjobb módja a szűk keresztmetszetek elkerülésének és a rendszer maximális kihasználásának.