PCI in PCIe: razlike, razvoj in dejanska uporaba v vašem računalniku

Informatec Digital » Viri » PCI in PCIe: razlike, razvoj in dejanska uporaba v vašem računalniku

Če ste kdaj odprli ohišje računalnika in na matični plošči videli vrsto dolgih in kratkih rež , ste se verjetno spraševali, kako je vsaka od njih videti. Z imeni, kot so PCI, PCI-X in PCI Express (PCIe) , se je enostavno zmesti, še posebej, če želite vedeti, katero kartico lahko priključite v posamezno režo, ne da bi pri tem kaj poškodovali.

V tem članku si bomo podrobno ogledali, kaj sta PCI in PCIe, kako delujeta, katere so različne različice na voljo in kakšne so razlike med njima . Preučili bomo tudi njun zgodovinski razvoj, vlogo PCI-X, vrste kartic, ki se uporabljajo v posameznih režah, kako so dodeljene linije PCIe in posledice za vsakodnevne aplikacije, kot je namestitev grafičnega procesorja, hitre omrežne kartice ali NVMe SSD-ja.

Kaj je PCI: klasični razširitveni standard

PCI (Peripheral Component Interconnect) je bil dolga leta standardno razširitveno vodilo za namizne računalnike. Razvil ga je Intel v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja in postal splošno vodilo za vse vrste kartic : zvočne, omrežne, video, krmilnike SCSI itd.

To vodilo PCI je delovalo z vzporedno in deljeno arhitekturo : vse priključene naprave so si delile isto vodilo in razpoložljivo pasovno širino. To je pomenilo, da več naprav kot je bilo priključenih, večjo pasovno širino so morale deliti in večje je bilo tveganje za ozka grla.

PCI kartice so bile na voljo v 32-bitni in 64-bitni različici , kombinirani s frekvencami 33 ali 66 MHz. V svoji najbolj tipični konfiguraciji, 32-bitni pri 33 MHz, je vodilo ponujalo teoretično največjo hitrost prenosa 133 MB/s , kar je bila takrat več kot spodobna hitrost za zvok, omrežje 10/100 ali 2D-video.

Ena od velikih prednosti PCI v tistem času je bila podpora za Plug and Play : sistem je sam upravljal dodeljevanje virov (IRQ-ji, naslovi pomnilnika itd.), ne da bi bilo treba premikati mostičke ali mostičke, kot v starem standardu ISA. To je močno poenostavilo namestitev strojne opreme za povprečnega uporabnika.

Na mnogih starejših matičnih ploščah boste še vedno videli več dolgih, svetlih rež: to so običajne reže PCI , ki delujejo, dokler jih podpira čipset in operacijski sistem, čeprav jih je danes popolnoma nadomestil PCI Express.

Kaj je PCI-X in zakaj ga skoraj nikoli ne vidite v domačem računalniku?

Na pol poti med klasičnim PCI in PCI Express je bil PCI-X (PCI Extended) , razvoj, zasnovan predvsem za profesionalna okolja in strežnike , kjer je bila za omrežne kartice, pomnilnike in krmilnike RAID potrebna veliko večja pasovna širina.

PCI-X je ostal deljeno vzporedno vodilo , fizično združljivo s 64-bitnimi karticami PCI, vendar je očitno povečalo delovne frekvence: številne kartice PCI-X so delovale pri 66, 100, 133 MHz , s PCI-X 2.0 pa je dosegel 533 MHz , kar je v eni reži doseglo pasovno širino okoli 1,06 GB/s .

Fizično so 64-bitne reže PCI-X zelo podobne 64-bitnim režam PCI, saj merijo približno 130 mm v dolžino in zato zasedajo precej prostora na matični plošči. Ta družina je bila zasnovana predvsem za strežnike in delovne postaje , danes pa je praktično izginila v korist PCI Express.

Kaj je PCI Express in zakaj je nadomestil PCI?

S prihodom vedno hitrejših procesorjev, grafičnih kartic, trdih diskov in omrežij je vodilo PCI očitno postalo pomanjkljivo. Potreben je bil bolj prilagodljiv in razširljiv vmesnik, zato se je rodil PCI Express (PCIe) , standard, ki prevladuje na trenutnih matičnih ploščah, tako namiznih kot prenosnih, pa tudi na strežnikih.

Za razliko od PCI in PCI-X PCI Express ne uporablja skupnega vzporednega vodila. Namesto tega uporablja serijsko arhitekturo od točke do točke : vsaka naprava ima namensko povezavo s stikalom PCIe ali neposredno s procesorjem/čipom, ne da bi si delila pasovno širino z ostalimi.

Ko vklopite računalnik, sistem PCIe izvede postopek štetja naprav : zazna, kaj je priključeno, se dogovori o številu pasov, ki jih bo vsaka povezava uporabljala, in zgradi nekakšen notranji prometni zemljevid. Dobra novica je, da je protokol za zaznavanje in konfiguracijo, čeprav je elektronika drugačna, združljiv s PCI , zato operacijskim sistemom ni bilo treba na novo izumljati kolesa.

Vsaka linija PCIe je sestavljena iz dveh diferencialnih parov linij , ene za pošiljanje in ene za sprejemanje podatkov, in deluje v načinu polnega dupleksa: lahko prenaša v obe smeri hkrati. Hitrost na linijo je odvisna od generacije PCIe (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), vsaka generacija pa običajno podvoji pasovno širino v primerjavi s prejšnjo.

Generacije in pasovna širina PCI Express

Ena od velikih prednosti PCIe je, da se je razvil brez spreminjanja filozofije zasnove rež, pri čemer je v večini primerov ohranil združljivost naprej in nazaj . Vendar pa efektivno hitrost vedno določa najpočasnejša različica (reža ali kartica).

Kot smernica se za vsak pas (x1) obravnavajo te približne pasovne širine na generacijo (podatki na smer):

• PCIe 1.0približno 250 MB/s na pas.
• PCIe 2.0približno 500 MB/s na pas.
• PCIe 3.0približno 1 GB/s na pas.
• PCIe 4.0približno 2 GB/s na pas.
• PCIe 5.0približno 4 GB/s na pas (efektivno 3,938 GB/s).
• PCIe 6.0 (v razvoju in začetnih implementacijah): še hitreje, z uporabo naprednih tehnik kodiranja za nadaljnje skaliranje.

Če te vrednosti pomnožite s številom pasov, boste razumeli, zakaj lahko priključek PCIe x16 prenaša ogromne količine podatkov. Na primer, tudi pri starejših generacijah:

Preprosto 32-bitno vodilo PCI, ki deluje s frekvenco 33 MHz, je za vse naprave skupaj omogočilo hitrosti okoli 133 MB/s. V nasprotju s tem pa en sam sodobni vodnik PCIe v različicah 4.0 ali 5.0 to številko večkrat presega, povezava x16 pa lahko doseže več GB/s na smer.

Reže PCIe: x1, x4, x8 in x16

V praksi, ko pogledate matično ploščo, vidite reže PCIe različnih dolžin. Te dolžine ustrezajo največjemu številu pasov, ki jih lahko fizično ponudijo:

• PCIe x1: najkrajši.
• PCIe x4: malo dlje.
• PCIe x8: vmesno.
• PCIe x16: najdaljši in najpogostejši za grafične kartice.

Vsaka vrsta reže lahko ponuja od 1 do 16 efektivnih pasov , vendar je pomembno razlikovati med dvema konceptoma: mehansko dolžino reže in dejansko električno povezavo . Reža v obliki x16 je lahko ožičena le kot x8 ali x4, kar zmanjšuje pasovno širino, čeprav fizično omogoča vstavljanje kartic x16.

Reža PCIe x1

Reža PCIe x1 je najmanjša in uporablja en pas. Običajno se uporablja za kartice, ki ne zahtevajo veliko pasovne širine : zvočne kartice, omrežne kartice, razširitve vrat USB, kartice za zajemanje srednjega razreda itd.

S trenutnimi generacijami PCIe (4.0 in 5.0) že ena sama linija x1 ponuja več kot dovolj zmogljivosti za gigabitno omrežje, profesionalni zvok ali večino pomožnega pomnilnika, zaradi česar so te reže zelo uporabne.

Reža PCIe x4

Reža x4 je nekakšna srednja pot. Ponuja štiri pasove, zaradi česar je idealna za zelo hitre omrežne kartice, krmilnike RAID, adapterje NVMe ali zmogljive kartice za zajem podatkov . Številne konfiguracije shranjevanja NAS ali razširitve M.2 uporabljajo ravno pasovno širino x4.

Pravzaprav sodobni NVMe SSD-ji, čeprav so nameščeni v podnožja M.2, interno uporabljajo PCIe x4 , kar je dejanski standard za doseganje zelo visokih prenosov branja in pisanja.

Reža PCIe x8

Reže PCIe x8 postajajo vse pogostejše, zlasti na matičnih ploščah srednjega in višjega cenovnega razreda ter v profesionalnih aplikacijah. Z osmimi razpoložljivimi pasovi so idealne za grafične kartice srednjega razreda, večrežne NVMe adapterje, omrežne kartice 40GbE ali kompleksne konfiguracije shranjevanja.

Nekateri cenovno ugodni grafični procesorji so zasnovani za električno delovanje na x8, čeprav se prilegajo v reže x16, druge matične plošče pa uporabljajo mehanske reže x16, ožičene kot x8, ko namestite več kot eno grafično kartico.

Reža PCIe x16

Zvezda predstave je reža PCIe x16 . Je najdaljša in je namenjena predvsem namenskim grafičnim karticam , čeprav se uporablja tudi za omrežne in pomnilniške kartice strežniškega razreda.

Na mnogih matičnih ploščah je zgornja reža x16 neposredno povezana s procesorjem s 16 polnimi pasovi , medtem ko so spodnje reže, čeprav enake dolžine, lahko ožičene kot x8 ali x4 zaradi omejitev razpoložljivih pasov.

To je ključnega pomena, če želite namestiti več grafičnih procesorjev ali visokozmogljivih grafičnih kartic : preveriti morate specifikacije matične plošče, da vidite, koliko pasov ponuja vsaka reža, odvisno od nameščene kombinacije. Potrošniške platforme (Ryzen, Intel Core) imajo običajno med 16 in 24 PCIe pasov neposredno do procesorja , medtem ko procesorji višjega cenovnega razreda, kot je Threadripper Pro, ali strežniški procesorji (EPYC, Xeon), ponujajo 64 pasov ali več , kar omogoča uporabo več grafičnih procesorjev s pravimi hitrostmi x16.

Topologija podatkov: vzporedna v primerjavi s serijskim

Razliko v filozofiji med PCI/PCI-X in PCI Express lahko povzamemo kot deljeno vzporedno vodilo v primerjavi s serijskim vodilom od točke do točke . Pri PCI in PCI-X se vse naprave povezujejo na isto vodilo, podatki pa se pošiljajo vzporedno po več linijah hkrati. To je delovalo dobro pri nizkih frekvencah, vendar so se z naraščanjem hitrosti pojavile težave z motnjami in sinhronizacijo.

Pri PCI Express se namesto enega samega skupnega vodila uporablja omrežje namenskih povezav . Vsaka naprava ima svojo povezavo s stikalom ali procesorjem, ki jo sestavlja ena ali več pasov. Rezultat je veliko učinkovitejši, prilagodljiv sistem, ki je manj dovzeten za motnje , kar omogoča večje frekvence in pasovno širino brez fizičnih omejitev vzporednih vodil.

Velikosti fizičnih rež in združljivost

Na starejših matičnih ploščah je bilo običajno najti več 32-bitnih PCI rež ( dolgih približno 85 mm ) in včasih eno 64-bitno ali PCI-X režo (približno 130 mm). Te zavzamejo precej prostora in si vse delijo isto vodilo.

Sodobne matične plošče pretežno uporabljajo reže PCIe x1, x4, x8 in x16 . Praktična prednost PCI Express je, da je mogoče v daljšo režo namestiti krajšo kartico (na primer kartico x1 v režo x4 ali x16), če je reža odprta ali če to omogoča zasnova. Kartica bo delovala s številom pasov, za katere je bila zasnovana.

Česar ne morete storiti, je obratno: kartica x16 fizično ne bo ustrezala režo x1. Prav tako ne morete mešati PCI in PCIe: nista združljiva z režami , čeprav obstajajo posebni adapterji za določene zelo specifične primere.

Zmogljivost: Zakaj je PCIe naredil PCI zastarel

Če primerjamo čiste podatke o zmogljivosti, je PCI očitno zaostajal. 32-bitno vodilo PCI s frekvenco 33 MHz je bilo omejeno na 133 MB/s za vse naprave skupaj, medtem ko lahko en sam sodobni vod PCIe obdela stotine MB/s ali več GB/s, odvisno od generacije.

Tudi priključek PCIe x1 zgodnje generacije je lahko brez težav prenašal gigabitna omrežja, večkanalni zvok in osnovno shranjevanje . Na drugi strani spektra pa dobro izkoriščen priključek PCIe x16 lahko prenaša več GB/s v vsako smer , kar je bistveno za visokozmogljive grafične kartice, pospeševalnike umetne inteligence ali krmilnike množičnega shranjevanja.

Poleg surove pasovne širine PCI Express uvaja izboljšave, kot so določanje prioritet prometa, prenosi v realnem času, boljši algoritmi za zaznavanje napak in posredovanje paketov ter možnost, da se vsaki napravi dodeli namenski kanal, kar preprečuje, da bi se več naprav moralo boriti za isto vodilo.

PCIe in grafične kartice: Zbogom AGP, pozdravljeni več grafični procesorji

Preden se je PCIe razširil, so zmogljive grafične kartice uporabljale reže AGP (Accelerated Graphics Port) . PCI Express je AGP naredil nepotreben: reža PCIe x16 ponuja bistveno večjo pasovno širino kot AGP 8x in lahko grafični kartici neposredno iz matične plošče dostavi do 75 W moči .

Z ustrezno strojno opremo lahko matična plošča z dvema režama PCIe x16 hkrati podpira dve grafični kartici. Proizvajalci, kot sta Nvidia in AMD, so razvili lastne tehnologije (SLI, CrossFire itd.), ki omogočajo usklajeno delovanje dveh grafičnih procesorjev in si delijo obremenitev upodabljanja med seboj. V nekaterih profesionalnih in vrhunskih igralnih sistemih se več grafičnih procesorjev uporablja celo vzporedno za računalništvo, umetno inteligenco ali 3D-upodabljanje.

V tem kontekstu sta bila PCI in AGP popolnoma izpodrinjena. Sodobne grafične kartice so skoraj izključno PCI Express , vmesnik pa je tako dobro uveljavljen, da ostaja temelj za pospeševalnike umetne inteligence in namensko izdelane kartice v strežnikih.

Druge uporabe rež PCIe

PCIe ni samo za grafične procesorje. Razširitvene reže so še vedno zelo uporabne za dodajanje funkcij ali povečanje zmogljivosti računalnika, zlasti kadar ima matična plošča omejeno število vrat ali kadar so potrebne profesionalne zmogljivosti.

Med pogostejše uporabe PCIe danes spadajo:

• Razširite shranjevanje s karticami, ki dodajo več NVMe SSD-jev.
• Posodobi omrežno povezljivost z 2,5G, 10G ali hitrejšimi ethernetnimi adapterji ali naprednimi WiFi karticami.
• Dodajte dodatna vrata USB, Thunderbolt, SATA ali eSATA z uporabo določenih kartic.
• Integrirajte profesionalne zvočne vmesnike za visokokakovostno glasbeno produkcijo ali montažo zvoka.
• Namestite namenske RAID krmilnike za napredne strežnike za shranjevanje ali NAS.
• Namestite pospeševalnike GPU, FPGA ali namenske kartice za umetno inteligenco, strojno učenje in znanstvene delovne obremenitve.

Ker ima vsaka reža svojo namensko povezavo, se zmogljivost kartice PCIe pri dodajanju več kartic ne zmanjša toliko , kot se je zgodilo pri klasičnem vodilu PCI.

Napake in zanesljivost v PCI Express

V profesionalnih in strežniških sistemih je zanesljivost PCIe ključnega pomena. Standard opredeljuje različne vrste napak in kako jih obravnavati:

• Popravljive napakeObdeluje jih sama strojna oprema PCIe, ne vplivajo na dolgoročno integriteto podatkov in so običajno pregledni za uporabnika.
• Neusodne, nepopravljive napakeTe napake povzročijo izgubo podatkov ali informacij na ravni naprave, vendar sam vmesnik PCIe ostane stabilen. Običajno jih upravlja programska oprema, specifična za napravo.
• Usodne, nepopravljive napakeOgrožajo zanesljivost vmesnika PCIe. Običajno silijo Ponovno zaženite komponento ali celotno povezavo za obnovitev sistema.

Pri opremi, ki jo dobavlja proizvajalec, je v primeru resne napake PCIe običajno priporočljivo uporabiti diagnostična orodja, kot so lastniški pripomočki (na primer aplikacije SupportAssist), ki lahko izvedejo hitre in celovite teste, posodobijo gonilnike in optimizirajo sistem za zmanjšanje težav.

Združljivost s PCI in PCIe

Čeprav sta PCI in PCI Express različna standarda, je bil PCIe zasnovan na ravni programske opreme, da bi izkoristil isti programski model . To pomeni, da je bilo mogoče številne operacijske sisteme in gonilnike prilagoditi brez večjih sprememb, oba standarda pa že leta sobivata na hibridnih matičnih ploščah, ki so ponujale tako reže PCI kot PCIe.

Vendar združljivost ni fizična: kartice PCI ne morete vstaviti v režo PCIe in obratno . Za posebne namene so bili izdelani posebni adapterji, vendar to ni splošna ali priporočena rešitev, razen če natančno veste, kaj počnete.

Sčasoma in glede na to, da PCIe ponuja bistveno večjo hitrost, prilagodljivost in združljivost s sodobnimi operacijskimi sistemi, so kartice PCI na trgu postale vse bolj marginalizirane . Reže PCI na novih matičnih ploščah je vse redkeje videti, proizvajalci pa so vsa svoja prizadevanja usmerili v PCI Express.

Zakaj je PCIe vmesnik sedanjosti in prihodnosti

Kombinacija pasovne širine, skalabilnosti in združljivosti je PCI Express postavila v ospredje razširitve v osebnih računalnikih, delovnih postajah in strežnikih . Primeren je tako za namestitev preproste zvočne kartice kot za namestitev več grafičnih procesorjev umetne inteligence ali NVMe nosilcev za shranjevanje.

Napredek programske opreme (igre, urejanje videoposnetkov 4K in 8K, virtualna resničnost, umetna inteligenca, veliki podatki) nenehno povečuje potrebo po višjih hitrostih prenosa . Zaporedne različice PCIe (4.x, 5.x in 6.x, ki je trenutno v razvoju) zmanjšujejo vrzel med tem, kar zahteva procesor, in tem, kar lahko ponudi razširitveni podsistem.

Danes, čeprav so številne funkcije, ki so prej zahtevale ločeno kartico, zdaj integrirane neposredno v matično ploščo (zvok, omrežje, včasih Wi-Fi), so reže PCIe še vedno bistvene za napredne konfiguracije . Če želite sestaviti računalnik, ki ne bo kratkoročno zastarel, je dobro spremljati, koliko rež PCIe ponuja matična plošča, koliko pasov ima procesor in kako so ti pasovi dodeljeni grafični kartici, SSD-ju in morebitnim drugim karticam, ki jih nameravate dodati.

PCI je bil ključni standard, ki je opredelil neko obdobje, vendar je PCI Express tisti, ki danes nosi večino zmogljivosti v sodobnih osebnih računalnikih. Razumevanje delovanja njegovih rež, pasov in različic je eden najboljših načinov, da se izognete ozkim grlom in kar najbolje izkoristite svoj sistem.