PCI och PCIe: skillnader, utveckling och verklig användning i din dator

Informatec Digital » Resurser » PCI och PCIe: skillnader, utveckling och verklig användning i din dator

Om du någonsin har öppnat din datortorn och sett en samling långa och korta kortplatser på moderkortet har du förmodligen undrat hur var och en ser ut. Med namn som PCI, PCI-X och PCI Express (PCIe) är det lätt att bli förvirrad, särskilt om du vill veta vilket kort du kan ansluta till varje kortplats utan att skada något.

I den här artikeln ska vi titta noggrant på vad PCI och PCIe är, hur de fungerar, de olika versionerna som finns tillgängliga och deras skillnader . Vi kommer också att undersöka deras historiska utveckling, PCI-X:s roll, de typer av kort som används i varje kortplats, hur PCIe-banor allokeras och konsekvenserna för vardagliga applikationer som att installera en GPU, ett snabbt nätverkskort eller en NVMe SSD.

Vad är PCI: den klassiska expansionsstandarden

PCI (Peripheral Component Interconnect) var under många år standard expansionsbussen för stationära datorer. Utvecklad av Intel i början av 90-talet blev den en allmän buss för alla typer av kort : ljud, nätverk, video, SCSI-kontroller etc.

Denna PCI-buss fungerade med en parallell och delad arkitektur : alla anslutna enheter delade samma buss och tillgängliga bandbredd. Detta innebar att ju fler enheter du anslöt, desto mer bandbredd var de tvungna att dela på , och desto större var risken för flaskhalsar.

PCI-kort fanns i 32-bitars och 64-bitarsversioner , kombinerade med frekvenser på 33 eller 66 MHz. I sin mest typiska konfiguration, 32-bitars vid 33 MHz, erbjöd bussen en teoretisk maximal överföringshastighet på 133 MB/s , en hastighet som vid den tiden var mer än hyfsad för ljud, 10/100-nätverk eller 2D-video.

En av de stora fördelarna med PCI på den tiden var dess Plug and Play -stöd : systemet hanterade självt resursallokering (IRQ:er, minnesadresser etc.) utan att man behövde flytta byglar eller bryggor som i den gamla ISA-standarden. Detta förenklade hårdvaruinstallationen avsevärt för den genomsnittliga användaren.

På många äldre moderkort ser du fortfarande flera långa, ljusa kortplatser: det är de konventionella PCI-kortplatserna , som fortsätter att fungera så länge chipsetet och operativsystemet stöder dem, även om de idag är helt ersatta av PCI Express.

Vad är PCI-X och varför ser man det nästan aldrig i en hemdator?

Halvvägs mellan klassisk PCI och PCI Express kom PCI-X (PCI Extended) , en utveckling utformad främst för professionella miljöer och servrar , där mycket mer bandbredd behövdes för nätverkskort, lagring och RAID-kontroller.

PCI-X förblev en delad parallellbuss , fysiskt kompatibel med 64-bitars PCI-kort, men den ökade tydligt driftsfrekvenserna: många PCI-X-kort arbetade vid 66, 100, 133 MHz och med PCI-X 2.0 nådde den 533 MHz , vilket uppnådde bandbredder på cirka 1,06 GB/s i en enda kortplats.

Fysiskt sett är 64-bitars PCI-X-kortplatser mycket lika 64-bitars PCI-kortplatser, de mäter ungefär 130 mm i längd , och tar därför upp en avsevärd mängd plats på moderkortet. Denna familj var främst designad för servrar och arbetsstationer , och idag har den praktiskt taget försvunnit till förmån för PCI Express.

Vad är PCI Express och varför har det ersatt PCI?

Med ankomsten av allt snabbare processorer, grafikkort, hårddiskar och nätverk kom PCI-bussen helt klart till korta. Ett mer flexibelt och skalbart gränssnitt behövdes, och därmed föddes PCI Express (PCIe) , vilket är standarden som dominerar nuvarande moderkort, både stationära och bärbara datorer, såväl som servrar.

Till skillnad från PCI och PCI-X använder PCI Express inte en delad parallellbuss. Istället använder den en punkt-till-punkt seriell arkitektur : varje enhet har en dedikerad anslutning till en PCIe-switch eller direkt till processorn/chipsetet, utan att dela bandbredd med resten.

När du slår på din dator utför PCIe-systemet en enhetsuppräkningsprocess : det detekterar vad som är anslutet, förhandlar om antalet filer som varje länk ska använda och bygger en slags intern trafikkarta. Den goda nyheten är att även om elektroniken är annorlunda är detekterings- och konfigurationsprotokollet kompatibelt med PCI , så operativsystemen behövde inte uppfinna hjulet på nytt.

Varje PCIe-fil består av två differentiella par av linjer , ett för att skicka och ett för att ta emot data, och fungerar i fullduplexläge: den kan sända i båda riktningarna samtidigt. Hastigheten per fil beror på PCIe-generationen (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0…), och varje generation fördubblar vanligtvis bandbredden jämfört med den föregående.

PCI Express-generationer och bandbredd

En av de stora fördelarna med PCIe är att den har utvecklats utan att ändra filosofin kring kortplatsdesignen, och att den i de flesta fall bibehåller både bakåt- och framåtkompatibilitet . Den effektiva hastigheten bestäms dock alltid av den långsammaste versionen som är inblandad (kortplats eller kort).

Som riktlinje hanteras dessa ungefärliga bandbredder per generation (data per riktning) för varje körfält (x1):

• PCIe 1.0cirka 250 MB/s per fil.
• PCIe 2.0cirka 500 MB/s per fil.
• PCIe 3.0cirka 1 GB/s per fil.
• PCIe 4.0cirka 2 GB/s per fil.
• PCIe 5.0cirka 4 GB/s per fil (3,938 GB/s effektivt).
• PCIe 6.0 (under utveckling och initiala implementeringar): ännu snabbare, med hjälp av avancerade kodningstekniker för att fortsätta skala.

Om du multiplicerar dessa värden med antalet banor förstår du varför en PCIe x16-kontakt kan flytta enorma mängder data. Till exempel, även i äldre generationer:

En enkel 32-bitars PCI-buss som körde på 33 MHz resulterade i hastigheter på cirka 133 MB/s för alla enheter tillsammans. Däremot överstiger en enda modern PCIe-fil i version 4.0 eller 5.0 den siffran flera gånger om, och en x16-länk kan nå flera GB/s per riktning.

PCIe-kortplatser: x1, x4, x8 och x16

I praktiken, när man tittar på ett moderkort ser man PCIe-kortplatser av olika längder. Dessa längder motsvarar det maximala antalet banor de fysiskt kan erbjuda:

• PCIe x1: den kortaste.
• PCIe x4: lite längre.
• PCIe x8: mellanliggande.
• PCIe x16: den längsta och vanligaste för grafikkort.

Varje kortplatstyp kan erbjuda från 1 till 16 effektiva banor , men det är viktigt att skilja mellan två begrepp: kortplatsens mekaniska längd och den faktiska elektriska anslutningen . En kortplats formad som x16 kan bara kopplas som x8 eller x4, vilket minskar bandbredden även om den fysiskt tillåter isättning av x16-kort.

PCIe x1-kortplats

PCIe x1-kortplatsen är den minsta och använder en enda fil. Den används vanligtvis för kort som inte kräver mycket bandbredd : ljudkort, nätverkskort, USB-portexpansionskort, mellanregisterkort etc.

Med de nuvarande generationerna av PCIe (4.0 och 5.0) erbjuder även en enda x1-fil mer än tillräckligt med prestanda för Gigabit-nätverk, professionellt ljud eller mycket av den extra lagringen, vilket gör dessa platser mycket användbara.

PCIe x4-kortplats

X4-kortplatsen är ett slags mellanting. Den erbjuder fyra banor, vilket gör den perfekt för nätverkskort med mycket hög hastighet, RAID-kontroller, NVMe-adaptrar eller kraftfulla inspelningskort . Många NAS-lagringskonfigurationer eller M.2-expansioner använder just x4-bandbredd.

Faktum är att moderna NVMe SSD-diskar, även om de är monterade i M.2-sockel, använder internt PCIe x4 , vilket är de facto-standarden för att uppnå mycket höga läs- och skrivöverföringar.

PCIe x8-kortplats

PCIe x8-kortplatser blir allt vanligare, särskilt på moderkort i mellan- till högprissegmentet och i professionella tillämpningar. Med åtta tillgängliga banor är de idealiska för grafikkort i mellanklassen, NVMe-adaptrar med flera kortplatser, 40 GbE-nätverkskort eller komplexa lagringskonfigurationer.

Vissa budget-GPU:er är utformade för att fungera elektriskt vid x8 trots att de passar i x16-kortplatser, och andra moderkort använder mekaniska x16-kortplatser kopplade som x8 när du monterar mer än ett grafikkort.

PCIe x16-kortplats

Stjärnan i showen är PCIe x16-kortplatsen . Den är den längsta och är främst avsedd för dedikerade grafikkort , även om den också används för nätverks- och lagringskort i serverklass.

På många moderkort är den översta x16-platsen direkt ansluten till processorn med 16 fulla banor , medan de nedre kortplatserna, även om de har samma längd, kan vara kopplade som x8 eller x4 på grund av begränsningar i tillgängliga banor.

Detta är viktigt om du vill installera flera GPU:er eller högpresterande grafikkort : du måste kontrollera moderkortets specifikationer för att se hur många banor varje kortplats erbjuder beroende på den installerade kombinationen. Konsumentplattformar (Ryzen, Intel Core) har vanligtvis mellan 16 och 24 PCIe-banor direkt till processorn , medan mer avancerade processorer som Threadripper Pro eller serverprocessorer (EPYC, Xeon) erbjuder 64 banor eller fler , vilket möjliggör flera GPU:er med äkta x16-hastigheter.

Datatopologi: parallell vs seriell

Skillnaden i filosofi mellan PCI/PCI-X och PCI Express kan sammanfattas som delad parallell kontra punkt-till-punkt seriell . I PCI och PCI-X ansluts alla enheter till samma buss, och data skickas parallellt över flera linjer samtidigt. Detta fungerade bra vid låga frekvenser, men när hastigheterna ökade uppstod störningar och synkroniseringsproblem.

Med PCI Express används ett nätverk av dedikerade länkar istället för en enda delad buss. Varje enhet har sin egen länk till switchen eller processorn, bestående av en eller flera banor. Resultatet är ett mycket effektivare och mer skalbart system som är mindre störningsbenäget , vilket möjliggör ökade frekvenser och bandbredd utan de fysiska begränsningarna hos parallella bussar.

Fysiska slotstorlekar och kompatibilitet

På äldre moderkort var det vanligt att hitta flera 32-bitars PCI-kortplatser (cirka 85 mm långa ) och ibland en 64-bitars eller PCI-X-kortplats (cirka 130 mm). Dessa tar upp en avsevärd mängd plats och delar alla samma buss.

Moderna moderkort använder huvudsakligen PCIe x1-, x4-, x8- och x16 -kortplatser . En praktisk fördel med PCI Express är att ett kortare kort kan installeras i en längre kortplats (till exempel ett x1-kort i en x4- eller x16-kortplats) så länge kortplatsen är öppen eller designen tillåter det. Kortet kommer att fungera med det antal banor som det är designat för.

Det du inte kan göra är tvärtom: ett x16-kort passar inte fysiskt i en x1-kortplats. Du kan inte heller blanda PCI och PCIe: de är inte kortplatskompatibla , även om det finns specifika adaptrar för vissa mycket specifika fall.

Prestanda: Varför PCIe har gjort PCI föråldrat

Om vi ​​jämför rena prestandasiffror halkade PCI tydligt efter. En 32-bitars PCI-buss vid 33 MHz var begränsad till 133 MB/s för alla enheter tillsammans, medan en enda modern PCIe-fil kan hantera hundratals MB/s eller flera GB/s beroende på generation.

Även en PCIe x1-anslutning av tidig generation kunde hantera Gigabit-nätverk, flerkanaligt ljud och grundläggande lagring utan problem. I andra änden av spektrumet kan en välutnyttjad PCIe x16-kontakt flytta flera GB/s per riktning , vilket är avgörande för högpresterande grafikkort, AI-acceleratorer eller masslagringskontroller.

Förutom rå bandbredd introducerar PCI Express förbättringar som trafikprioritering, realtidsöverföringar, bättre feldetektering och algoritmer för paketvidarebefordran , samt möjligheten att ge varje enhet en dedikerad kanal, vilket förhindrar att flera enheter måste kämpa om samma buss.

PCIe och grafikkort: Adjö AGP, hej multi-GPU

Innan PCIe blev utbrett använde kraftfulla grafikkort AGP-kortplatser (Accelerated Graphics Port) . PCI Express gjorde AGP onödigt: en PCIe x16-kortplats erbjuder betydligt mer bandbredd än AGP 8x och kan också leverera upp till 75 W ström till grafikkortet direkt från moderkortet.

Med rätt hårdvara kan ett moderkort med två PCIe x16-kortplatser hantera två grafikkort samtidigt. Tillverkare som Nvidia och AMD har utvecklat sina egna tekniker (SLI, CrossFire, etc.) för att tillåta två GPU:er att arbeta tillsammans och dela renderingsbelastningen mellan sig. I vissa professionella och avancerade spelsystem har flera GPU:er till och med använts parallellt för datoranvändning, AI eller 3D-rendering.

I detta sammanhang har PCI och AGP helt ersatts. Moderna grafikkort är nästan uteslutande PCI Express , och gränssnittet är så väletablerat att det fortfarande utgör grunden för AI-acceleratorer och specialbyggda kort i servrar.

Andra användningsområden för PCIe-kortplatser

PCIe handlar inte bara om grafikkort. Expansionsplatser är fortfarande mycket användbara för att lägga till funktioner eller utöka en dators prestanda, särskilt när moderkortet har begränsade portar eller när professionella funktioner krävs.

Vanliga användningsområden för PCIe idag inkluderar:

• Utöka lagringsutrymmet med kort som lägger till flera NVMe SSD-diskar.
• Uppdatera nätverksanslutning med 2,5G, 10G eller högre Ethernet-adaptrar, eller avancerade WiFi-kort.
• Lägg till ytterligare portar USB, Thunderbolt, SATA eller eSATA med specifika kort.
• Integrera professionella ljudgränssnitt för högkvalitativ musikproduktion eller ljudredigering.
• Montera dedikerade RAID-kontroller för avancerade lagringsservrar eller NAS.
• Installera GPU-acceleratorer, FPGA:er eller dedikerade kort för AI, maskininlärning och vetenskapliga arbetsbelastningar.

Eftersom varje kortplats har sin egen dedikerade länk försämras inte prestandan hos ett PCIe-kort lika mycket när man lägger till fler kort , till skillnad från vad som hände med den klassiska PCI-bussen.

Fel och tillförlitlighet i PCI Express

I professionella system och serversystem är PCIe-tillförlitlighet avgörande. Standarden definierar olika typer av fel och hur de ska hanteras:

• Korrigerbara felDe hanteras av själva PCIe-hårdvaran, påverkar inte långsiktig dataintegritet och är vanligtvis transparenta för användaren.
• Icke-dödliga, okorrigerbara felDessa fel orsakar dataförlust eller informationsförlust på enhetsnivå, men själva PCIe-gränssnittet förblir stabilt. De hanteras vanligtvis med enhetsspecifik programvara.
• Allvarliga, okorrigerbara felDe äventyrar PCIe-gränssnittets tillförlitlighet. De tvingar vanligtvis fram Starta om komponenten eller hela länken för att återställa systemet.

I tillverkarlevererad utrustning rekommenderas det vanligtvis att använda diagnostikverktyg som proprietära verktyg (till exempel SupportAssist-applikationer) i händelse av ett allvarligt PCIe-fel. Dessa kan köra snabba och omfattande tester, uppdatera drivrutiner och optimera systemet för att minska problem.

PCI- och PCIe-kompatibilitet

Även om PCI och PCI Express är separata standarder, utformades PCIe på programvarunivå för att utnyttja samma programmeringsmodell . Det innebär att många operativsystem och drivrutiner kunde anpassas utan större förändringar, och båda standarderna har kunnat samexistera i åratal på hybridmoderkort som erbjöd både PCI- och PCIe-platser.

Kompatibilitet är dock inte fysisk: du kan inte sätta in ett PCI-kort i en PCIe-kortplats eller vice versa . Specifika adaptrar har tillverkats för specifika användningsområden, men detta är inte en generell eller rekommenderad lösning om du inte vet exakt vad du gör.

Med tiden, och med tanke på att PCIe erbjuder betydligt högre hastighet, flexibilitet och kompatibilitet med moderna operativsystem, har PCI-kort blivit alltmer marginaliserade på marknaden. Det blir alltmer sällsynt att se PCI-kortplatser på nya moderkort, och tillverkare har fokuserat alla sina ansträngningar på PCI Express.

Varför PCIe är nutidens och framtidens gränssnitt

Kombinationen av bandbredd, skalbarhet och kompatibilitet har gjort PCI Express till ryggraden för expansion i datorer, arbetsstationer och servrar . Det är lika lämpligt för att installera ett enkelt ljudkort som för att installera flera AI-GPU:er eller NVMe-lagringsrack.

Framsteg inom mjukvara (spel, 4K- och 8K-videoredigering, virtuell verklighet, AI, big data) har kontinuerligt drivit behovet av snabbare överföringshastigheter . Successionella versioner av PCIe (4.x, 5.x och 6.x som för närvarande är under utveckling) minskar gapet mellan vad processorn kräver och vad expansionssystemet kan leverera.

Idag, även om många funktioner som tidigare krävde ett separat kort nu är integrerade direkt i moderkortet (ljud, nätverk, ibland Wi-Fi), är PCIe-kortplatser fortfarande viktiga för avancerade konfigurationer . Om du vill bygga en dator som inte blir föråldrad på kort sikt är det en bra idé att hålla koll på hur många PCIe-kortplatser moderkortet erbjuder, hur många banor processorn har och hur dessa banor är allokerade till GPU, SSD och eventuella andra kort du planerar att lägga till.

PCI var en nyckelstandard som definierade en era, men det är PCI Express som nu står för huvuddelen av prestandan i moderna datorer. Att förstå hur dess kortplatser, banor och versioner fungerar är ett av de bästa sätten att undvika flaskhalsar och få ut det mesta av ditt system.