PCI ir PCIe: skirtumai, evoliucija ir realus panaudojimas jūsų kompiuteryje

Informatec Digital » Ištekliai » PCI ir PCIe: skirtumai, evoliucija ir realus panaudojimas jūsų kompiuteryje

Jei kada nors atidarėte kompiuterio korpusą ir matėte ilgų ir trumpų lizdų rinkinį pagrindinėje plokštėje , tikriausiai susimąstėte, kaip kiekvienas iš jų atrodo. Turint tokius pavadinimus kaip PCI, PCI-X ir PCI Express (PCIe) , lengva susipainioti, ypač jei norite žinoti, kurią kortelę galite įdėti į kiekvieną lizdą nieko nepažeisdami.

Šiame straipsnyje išsamiai apžvelgsime, kas yra PCI ir PCIe, kaip jie veikia, kokios yra skirtingos versijos ir jų skirtumai . Taip pat išnagrinėsime jų istorinę evoliuciją, PCI-X vaidmenį, kiekviename lizde naudojamų kortelių tipus, kaip paskirstomos PCIe linijos ir jų reikšmę kasdienėms programoms, tokioms kaip GPU, greitos tinklo plokštės ar NVMe SSD diegimas.

Kas yra PCI: klasikinis išplėtimo standartas

PCI (periferinių įrenginių komponentų sujungimo magistralė) daugelį metų buvo standartinė stalinių kompiuterių išplėtimo magistralė. Sukurta „Intel“ 90-ųjų pradžioje, ji tapo bendrosios paskirties magistrale visų tipų plokštėms : garso, tinklo, vaizdo, SCSI valdikliams ir kt.

Ši PCI magistralė veikė pagal lygiagrečią ir bendrą architektūrą : visi prijungti įrenginiai naudojo tą pačią magistralę ir turimą pralaidumą. Tai reiškė, kad kuo daugiau įrenginių prijungta, tuo daugiau pralaidumo jie turėjo bendrinti ir tuo didesnė buvo kliūčių rizika.

PCI plokštės buvo 32 bitų ir 64 bitų versijų , kurių dažniai buvo 33 arba 66 MHz. Įprastiausioje konfigūracijoje – 32 bitų ir 33 MHz dažnyje – magistralė pasiūlė teorinį maksimalų 133 MB/s perdavimo greitį – greitį, kuris tuo metu buvo daugiau nei padorus garsui, 10/100 tinklui ar 2D vaizdui perduoti.

Vienas didžiausių PCI privalumų tuo metu buvo „Plug and Play“ palaikymas : sistema pati tvarkė išteklių paskirstymą (IRQ, atminties adresus ir kt.) nereikėjo perkelti trumpiklių ar tiltelių, kaip buvo senajame ISA standarte. Tai labai supaprastino aparatinės įrangos diegimą paprastam vartotojui.

Daugelyje senesnių pagrindinių plokščių vis dar matysite kelis ilgus, šviesios spalvos lizdus: tai įprasti PCI lizdai , kurie veikia tol, kol juos palaiko mikroschemų rinkinys ir operacinė sistema, nors šiandien juos visiškai pakeitė PCI Express.

Kas yra PCI-X ir kodėl jo beveik niekada nepamatysite namų kompiuteriuose?

Tarp klasikinio PCI ir PCI Express atsirado PCI-X (PCI Extended) – evoliucija, pirmiausia sukurta profesionalioms aplinkoms ir serveriams , kur tinklo plokštėms, saugykloms ir RAID valdikliams reikėjo daug daugiau pralaidumo.

PCI-X išliko bendra lygiagrečia magistrale , fiziškai suderinama su 64 bitų PCI kortelėmis, tačiau ji akivaizdžiai padidino veikimo dažnius: daugelis PCI-X kortelių veikė 66, 100, 133 MHz dažniais , o su PCI-X 2.0 pasiekė 533 MHz dažnį, pasiekdama apie 1,06 GB/s pralaidumą viename lizde.

Fiziškai 64 bitų PCI-X lizdai yra labai panašūs į 64 bitų PCI lizdus, ​​jų ilgis yra maždaug 130 mm , todėl jie užima nemažai vietos pagrindinėje plokštėje. Ši šeima pirmiausia buvo sukurta serveriams ir darbo stotims , o šiandien ji praktiškai išnyko, o vietoje jos atsirado PCI Express.

Kas yra PCI Express ir kodėl jis pakeitė PCI?

Atsiradus vis greitesniems procesoriams, vaizdo plokštėms, standiesiems diskams ir tinklams, PCI magistralė akivaizdžiai nebebuvo pakankama. Reikėjo lankstesnės ir keičiamo dydžio sąsajos, todėl gimė PCI Express (PCIe) – standartas, dominuojantis dabartinėse pagrindinėse plokštėse, tiek staliniuose, tiek nešiojamuosiuose kompiuteriuose, taip pat ir serveriuose.

Skirtingai nuo PCI ir PCI-X, PCI Express nenaudoja bendros lygiagrečios magistralės. Vietoj to, ji taiko „ taškas-taškas“ nuosekliąją architektūrą : kiekvienas įrenginys turi atskirą jungtį su PCIe komutatoriumi arba tiesiogiai su procesoriumi / lustų rinkiniu, nedalindamas pralaidumo su kitais.

Įjungus kompiuterį, PCIe sistema atlieka įrenginių išvardijimo procesą : ji aptinka, kas prijungta, suderina kiekvienos jungties naudojamų juostų skaičių ir sukuria savotišką vidinį srauto žemėlapį. Geros žinios yra tai, kad nors elektronika skiriasi, aptikimo ir konfigūravimo protokolas suderinamas su PCI , todėl operacinėms sistemoms nereikėjo išradinėti dviračio iš naujo.

Kiekvieną PCIe liniją sudaro dvi diferencinės linijų poros – viena duomenims siųsti, kita – priimti. Ji veikia dvipusiu režimu: gali perduoti duomenis abiem kryptimis vienu metu. Kiekvienos juostos greitis priklauso nuo PCIe kartos (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), o kiekviena karta paprastai padvigubina pralaidumą, palyginti su ankstesne.

PCI Express kartos ir pralaidumas

Vienas didžiausių PCIe privalumų yra tas, kad jis vystėsi nekeičiant lizdų projektavimo filosofijos, daugeliu atvejų išlaikant suderinamumą tiek pirmyn, tiek atgal . Tačiau efektyvų greitį visada lemia lėčiausia naudojama versija (lizdas arba plokštė).

Kaip gairės, kiekvienai juostai (x1) šie apytiksliai pralaidumai tvarkomi kiekvienai kartai (duomenys kiekviena kryptimi):

• PCIe 1.0apie 250 MB/s vienai juostai.
• PCIe 2.0apie 500 MB/s vienai juostai.
• PCIe 3.0apie 1 GB/s vienai juostai.
• PCIe 4.0apie 2 GB/s vienai juostai.
• PCIe 5.0apie 4 GB/s vienai juostai (efektyvus 3,938 GB/s).
• PCIe 6.0 (kuriama ir pradiniai diegimo etapai): dar greičiau, naudojant pažangius kodavimo metodus, kad būtų galima toliau keisti mastelį.

Jei šias vertes padauginsite iš juostų skaičiaus, suprasite, kodėl PCIe x16 jungtis gali perkelti didžiulius duomenų kiekius. Pavyzdžiui, net ir senesnėse kartose:

Paprasta 32 bitų PCI magistralė, veikianti 33 MHz dažniu, visiems įrenginiams kartu užtikrino apie 133 MB/s greitį. Tuo tarpu viena moderni PCIe magistralė 4.0 arba 5.0 versijose šį rodiklį viršija kelis kartus, o x16 jungtis gali pasiekti kelis GB/s kiekviena kryptimi.

PCIe lizdai: x1, x4, x8 ir x16

Praktiškai, žiūrint į pagrindinę plokštę, matome skirtingo ilgio PCIe lizdus. Šie ilgiai atitinka maksimalų juostų skaičių, kurias jie fiziškai gali pasiūlyti:

• PCIe x1: trumpiausias.
• PCIe x4: truputį ilgiau.
• PCIe x8: tarpinis.
• PCIe x16: ilgiausias ir labiausiai paplitęs vaizdo plokštėse.

Kiekvienas lizdo tipas gali pasiūlyti nuo 1 iki 16 efektyvių juostų , tačiau svarbu atskirti dvi sąvokas: mechaninį lizdo ilgį ir patį elektros jungtį . Lizdas, kurio forma panaši į x16, gali būti sujungtas tik kaip x8 arba x4, o tai sumažina pralaidumą, net jei fiziškai leidžia įdėti x16 korteles.

PCIe x1 lizdas

PCIe x1 lizdas yra mažiausias ir naudoja vieną juostą. Paprastai jis naudojamas plokštėms, kurioms nereikia daug pralaidumo : garso plokštėms, tinklo adapteriams, USB prievadų išplėtimo plokštėms, vidutinės klasės vaizdo įrašymo plokštėms ir kt.

Su dabartinėmis PCIe kartomis (4.0 ir 5.0), net viena x1 juosta siūlo daugiau nei pakankamai našumo gigabito tinklams, profesionaliam garsui ar didelei daliai pagalbinės atminties, todėl šie lizdai yra labai naudingi.

PCIe x4 lizdas

„x4“ lizdas yra savotiškas aukso vidurys. Jis siūlo keturias juostas, todėl puikiai tinka labai didelės spartos tinklo plokštėms, RAID valdikliams, NVMe adapteriams arba galingoms vaizdo įrašymo plokštėms . Daugelis NAS saugyklų konfigūracijų arba M.2 išplėtimų naudoja būtent x4 pralaidumą.

Tiesą sakant, šiuolaikiniai NVMe SSD diskai, net jei jie montuojami į M.2 lizdus, ​​viduje naudoja PCIe x4 , kuris yra de facto standartas, užtikrinantis labai didelį skaitymo ir rašymo duomenų perdavimo našumą.

PCIe x8 lizdas

PCIe x8 lizdai tampa vis labiau paplitę, ypač vidutinės ir aukštos klasės pagrindinėse plokštėse ir profesionaliose programose. Turėdami aštuonias galimas linijas, jie idealiai tinka vidutinės klasės vaizdo plokštėms, kelių lizdų NVMe adapteriams, 40GbE tinklo plokštėms arba sudėtingoms saugojimo konfigūracijoms.

Kai kurie biudžetiniai GPU yra sukurti veikti elektriniu būdu x8 jungtyje, net jei jie telpa į x16 lizdus, ​​o kitos pagrindinės plokštės naudoja mechaninius x16 lizdus, ​​sujungtus kaip x8, kai montuojama daugiau nei viena vaizdo plokštė.

PCIe x16 lizdas

Šou žvaigždė yra PCIe x16 lizdas . Jis ilgiausias ir daugiausia skirtas specialioms vaizdo plokštėms , nors jis taip pat naudojamas serverių lygio tinklo ir atminties plokštėms.

Daugelyje pagrindinių plokščių viršutinis x16 lizdas yra tiesiogiai prijungtas prie procesoriaus ir turi 16 pilnų juostų , o apatiniai lizdai, nors ir vienodo ilgio, dėl galimų juostų apribojimų gali būti sujungti kaip x8 arba x4.

Tai labai svarbu, jei norite įdiegti kelis GPU arba didelio našumo vaizdo plokštes : turite patikrinti pagrindinės plokštės specifikacijas, kad pamatytumėte, kiek juostų siūlo kiekvienas lizdas, priklausomai nuo įdiegto derinio. Vartotojų platformos („Ryzen“, „Intel Core“) paprastai turi nuo 16 iki 24 PCIe juostų tiesiai į procesorių , o aukštesnės klasės procesoriai, tokie kaip „Threadripper Pro“, arba serverių procesoriai („EPYC“, „Xeon“), siūlo 64 ar daugiau juostų , leidžiančių naudoti kelis GPU tikruoju x16 greičiu.

Duomenų topologija: lygiagretus ir nuoseklusis ryšys

PCI/PCI-X ir PCI Express filosofijos skirtumą galima apibendrinti kaip bendrą lygiagretų ir taškinį nuoseklųjį jungimą . PCI ir PCI-X tinkluose visi įrenginiai jungiasi prie tos pačios magistralės, o duomenys siunčiami lygiagrečiai keliomis linijomis vienu metu. Tai gerai veikė esant žemiems dažniams, tačiau didėjant greičiui kilo trukdžių ir sinchronizavimo problemų.

Naudojant PCI Express, vietoj vienos bendros magistralės naudojamas dedikuotų jungčių tinklas . Kiekvienas įrenginys turi savo jungtį su komutatoriumi arba procesoriumi, kurią sudaro viena ar kelios juostos. Rezultatas – daug efektyvesnė, keičiamo dydžio sistema, mažiau linkusi į trukdžius , leidžianti padidinti dažnius ir pralaidumą be lygiagrečių magistralių fizinių apribojimų.

Fiziniai lizdų dydžiai ir suderinamumas

Senesnėse pagrindinėse plokštėse buvo įprasta rasti kelis 32 bitų PCI lizdus (apie 85 mm ilgio ) ir kartais vieną 64 bitų arba PCI-X lizdą (apie 130 mm). Jie užima nemažai vietos ir visi dalijasi ta pačia magistrale.

Šiuolaikinės pagrindinės plokštės daugiausia naudoja PCIe x1, x4, x8 ir x16 lizdus . Praktinis PCI Express privalumas yra tas, kad trumpesnę kortelę galima įdėti į ilgesnį lizdą (pavyzdžiui, x1 kortelę į x4 arba x16 lizdą), jei lizdas yra atviras arba tai leidžia konstrukcija. Plokštė veiks su tiek juostų, kiek ji buvo sukurta.

Ko negalite padaryti, tai atvirkštinio dalyko: x16 kortelė fiziškai netilps į x1 lizdą. Taip pat negalite derinti PCI ir PCIe: jie nėra suderinami su lizdais , nors tam tikrais labai specifiniais atvejais yra specialūs adapteriai.

Našumas: kodėl PCIe padarė PCI nebeaktualų

Jei lygintume grynai našumo rodiklius, PCI akivaizdžiai atsiliko. 32 bitų PCI magistralė, veikianti 33 MHz dažniu, visiems įrenginiams buvo apribota iki 133 MB/s, o viena moderni PCIe magistralė gali apdoroti šimtus MB/s arba kelis GB/s, priklausomai nuo kartos.

Net ir ankstyvosios kartos PCIe x1 jungtis galėjo be vargo apdoroti gigabito tinklus, daugiakanalius garsus ir pagrindinę saugyklą . Kitame spektro gale gerai naudojama PCIe x16 jungtis gali perduoti kelis Gb/s kiekviena kryptimi , o tai būtina didelio našumo vaizdo plokštėms, dirbtinio intelekto greitintuvams arba masinio saugojimo valdikliams.

Be neapdoroto pralaidumo, „PCI Express“ įdiegia tokius patobulinimus kaip srauto prioritetizavimas, duomenų perdavimas realiuoju laiku, geresni klaidų aptikimo ir paketų persiuntimo algoritmai bei galimybė kiekvienam įrenginiui suteikti atskirą kanalą, neleidžiant keliems įrenginiams kovoti dėl tos pačios magistralės.

PCIe ir vaizdo plokštės: sudie, AGP, sveiki su multi-GPU

Prieš plačiai paplitus PCIe, galingos vaizdo plokštės naudojo AGP (Accelerated Graphics Port) lizdus . PCI Express panaikino AGP poreikį: PCIe x16 lizdas siūlo žymiai didesnį pralaidumą nei AGP 8x ir gali tiekti iki 75 W galios GPU tiesiai iš pagrindinės plokštės.

Turint tinkamą aparatinę įrangą, pagrindinė plokštė su dviem PCIe x16 lizdais gali vienu metu apdoroti dvi vaizdo plokštes. Tokie gamintojai kaip „Nvidia“ ir AMD sukūrė savo technologijas (SLI, „CrossFire“ ir kt.), kad du GPU galėtų veikti koordinuotai, pasidalydami atvaizdavimo apkrova tarp jų. Kai kuriose profesionaliose ir aukščiausios klasės žaidimų sistemose keli GPU netgi buvo naudojami lygiagrečiai skaičiavimo, dirbtinio intelekto ar 3D atvaizdavimo užduotims.

Šiame kontekste PCI ir AGP buvo visiškai išstumtos. Šiuolaikinės vaizdo plokštės beveik išimtinai naudoja PCI Express , o sąsaja yra taip gerai žinoma, kad ji tebėra dirbtinio intelekto greitintuvų ir specialiai serveriuose sukurtų plokščių pagrindas.

Kiti PCIe lizdų panaudojimo būdai

PCIe skirtas ne tik vaizdo plokštėms. Išplėtimo lizdai išlieka labai naudingi norint pridėti funkcijų arba padidinti kompiuterio našumą, ypač kai pagrindinėje plokštėje yra ribotas prievadų skaičius arba kai reikalingos profesionalios galimybės.

Šiandien dažniausiai PCIe naudojamas:

• Išplėsti saugyklą su kortelėmis, kurios prideda kelis NVMe SSD diskus.
• Atnaujinti tinklo ryšį su 2,5 G, 10 G ar spartesnio ryšio Ethernet adapteriais arba pažangiomis „WiFi“ kortelėmis.
• Pridėti papildomų prievadų USB, „Thunderbolt“, SATA arba eSATA naudojant specialias korteles.
• Integruokite profesionalias garso sąsajas aukštos kokybės muzikos kūrimui ar garso montažui.
• Prijunkite specialius RAID valdiklius pažangiems saugojimo serveriams arba NAS.
• Įdiekite GPU greitintuvus, FPGA arba skirtas korteles dirbtiniam intelektui, mašininiam mokymuisi ir moksliniams darbo krūviams.

Kadangi kiekvienas lizdas turi savo skirtą jungtį, PCIe kortelės našumas nesumažėja tiek, pridedant daugiau kortelių , kitaip nei su klasikine PCI magistrale.

PCI Express klaidos ir patikimumas

Profesionaliose ir serverių sistemose PCIe patikimumas yra labai svarbus. Standartas apibrėžia skirtingus klaidų tipus ir kaip jas ištaisyti:

• Ištaisomos klaidosJuos tvarko pati PCIe aparatinė įranga, jie neturi įtakos ilgalaikiam duomenų vientisumui ir paprastai yra skaidrūs vartotojui.
• Ne mirtinos, neištaisomos klaidosŠios klaidos sukelia duomenų arba informacijos praradimą įrenginio lygmeniu, tačiau pati PCIe sąsaja išlieka stabili. Paprastai jas valdo įrenginiui skirta programinė įranga.
• Lemtingos, neištaisomos klaidosJie kenkia PCIe sąsajos patikimumui. Paprastai jie verčia Paleiskite komponentą arba visą nuorodą iš naujo kad atkurtumėte sistemą.

Gamintojo tiekiamoje įrangoje, įvykus rimtai PCIe klaidai, paprastai rekomenduojama naudoti diagnostikos įrankius, tokius kaip patentuotos programos (pvz., „SupportAssist“ programos), kurios gali atlikti greitus ir išsamius testus, atnaujinti tvarkykles ir optimizuoti sistemą, kad sumažėtų problemų.

PCI ir PCIe suderinamumas

Nors PCI ir PCI Express yra skirtingi standartai, PCIe buvo sukurtas programinės įrangos lygmeniu, kad būtų galima panaudoti tą patį programavimo modelį . Tai reiškia, kad daugelį operacinių sistemų ir tvarkyklių buvo galima pritaikyti be didelių pakeitimų, ir abu standartai daugelį metų galėjo egzistuoti hibridinėse pagrindinėse plokštėse, kuriose buvo ir PCI, ir PCIe lizdai.

Tačiau suderinamumas nėra fizinis: negalite įdėti PCI kortelės į PCIe lizdą ir atvirkščiai . Specialūs adapteriai buvo pagaminti konkrečiam naudojimui, tačiau tai nėra bendras ar rekomenduojamas sprendimas, nebent tiksliai žinote, ką darote.

Laikui bėgant, atsižvelgiant į tai, kad PCIe siūlo žymiai didesnį greitį, lankstumą ir suderinamumą su šiuolaikinėmis operacinėmis sistemomis, PCI plokštės rinkoje tapo vis labiau marginalizuotos . PCI lizdus naujose pagrindinėse plokštėse pamatyti vis rečiau, todėl gamintojai visas pastangas sutelkė į PCI Express.

Kodėl PCIe yra dabarties ir ateities sąsaja

Dėl pralaidumo, mastelio keitimo ir suderinamumo derinio „PCI Express“ tapo asmeninių kompiuterių, darbo stočių ir serverių plėtros pagrindu . Jis vienodai tinka tiek paprastai garso plokštei, tiek keliems dirbtinio intelekto GPU ar NVMe saugyklų stelažams įdiegti.

Programinės įrangos (žaidimų, 4K ir 8K vaizdo įrašų redagavimo, virtualios realybės, dirbtinio intelekto, didžiųjų duomenų) pažanga nuolat skatino didesnio perdavimo greičio poreikį . Nuoseklios PCIe versijos (4.x, 5.x ir šiuo metu kuriama 6.x) mažina atotrūkį tarp procesoriaus reikalavimų ir to, ką gali pasiūlyti išplėtimo posistemė.

Šiandien, nors daugelis funkcijų, kurioms anksčiau reikėjo atskiros plokštės (garsas, tinklas, kartais „Wi-Fi“), dabar yra integruotos tiesiai į pagrindinę plokštę, PCIe lizdai išlieka būtini sudėtingesnėms konfigūracijoms . Jei norite sukurti kompiuterį, kuris artimiausiu metu nepasens, verta stebėti, kiek PCIe lizdų yra pagrindinėje plokštėje, kiek juostų turi CPU ir kaip tos juostos yra paskirstytos GPU, SSD ir kitoms kortelėms, kurias planuojate pridėti.

PCI buvo pagrindinis standartas, apibrėžęs erą, tačiau dabar didžiąją dalį šiuolaikinių kompiuterių našumo užtikrina PCI Express. Supratimas, kaip veikia jo lizdai, juostos ir versijos, yra vienas geriausių būdų išvengti kliūčių ir išnaudoti visas sistemos galimybes.