Технология PCI Express «в разрезе»: что, зачем и почему

Новое поколение технологий приносит новые скорости и новые  технологические решения. Правда, на деле случалось не раз, что революционные нововведения оказывались не всегда своевременными и не такими уж полезными, как красиво заявлялось при их выпуске. Традиционно, отдуваться за эксперименты приходится конечному покупателю. Примеров самых передовых, но неоцененных или невостребованных  технологий можно привести множество – шина EISA, память RDRAM, слоты AMR/CNR и многое другое.

Не касаясь тупиковых ветвей эволюции ПК, сегодня стоит поговорить о своевременности внедрения новых технологий на примере шины PCI Express. Сегодня можно с уверенностью сказать, что от перехода на этот шинный стандарт никуда не деться. Попробуем рассмотреть ключевые особенности новоявленной шины, ее сходства и отличия от распространенных сейчас PCI и AGP.

Прежде всего, не стоит рассматривать PCI Express как банального наследника традиций PCI. Консорциум разработчиков нового интерфейса, ранее носившего название 3GIO, ставил перед собой цель разработать новую высокоскоростную шину с максимальной масштабируемостью, простой разводкой, низким уровнем паразитных излучений и электромагнитных помех. Это лишь краткий перечень требований к новому интерфейсу, некоторые особенности его реализации в конкретных условиях, как, например, поддержка "горячего" подключения, требуются лишь в определенных специфических приложениях. Сначала -

Первые разработки шины PCI, стартовавшие в начале 90-х годов, были призваны избавиться от множества присутствовавших на тот момент несовместимых шинных интерфейсов – VLB (VESA Local Bus), EISA, ISA и Micro Channel. Наряду с этим преследовалась цель избавиться от тяжкого наследия фрагментированной шины ISA и впервые добиться соединений класса "чип-чип".

На момент появления в 1993 году базовой версии шины Peripheral Component Interconnect (PCI) - IEEE P1386.1, предусматривались революционные усовершенствования: расширение шины данных до 32 бит, поддержка адресации до 4 ГБ данных (32 бита), а также использование режима синхронного обмена данными. По тем временам тактовая частота шины 33 МГц удовлетворяла условиям работы с периферией в настольных и серверных системах, все были довольны. Последовавший за этим резкий скачок тактовых частот процессоров и памяти привел к увеличению тактовой частоты PCI до 66 МГц, хотя, тактовые частоты процессоров за этот же период скакнули с 33 МГц до 3,0+ ГГц. Все последующие варианты PCI – AGP, PCI-X, MiniPCI, CardBus, несмотря на привнесение определенных дополнений, например, иных форм-факторов разъемов, новых сигнальных уровней и даже передачи данных по фронтам импульса (Double Data Rate/ Quadruple Data Rate), тем не менее, несли в себе ограничения, накладываемые самой топологией интерфейса.

Возможности наращивания пропускной способности шины PCI за счет увеличения тактовой частоты без усложнения схем разводки и соответствующего адекватного удорожания к настоящему времени исчерпаны полностью. А ведь на очереди появились такие актуальные интерфейсы, как 1/10 Gigabit Ethernet, IEEE 1394B, которые полностью выбирают пропускную возможность шины одним устройством и даже выходят за эти рамки. PCI душит рост скорости периферии, критичными становятся ограничения по числу сигнальных контактов шины, торможение процессов реального времени и требования по энергосбережению современных ПК. Если вспомнить наиболее производительные версии шины PCI, например, серверную PCI-X и графическую AGP, то в этом случае мы упираемся в укорачивание проводников шины за счет высокой частоты, требование к установке своего контроллера на каждый слот и достаточно высокую стоимость ее реализации.

Грядет тотальное торжество последовательных шин

Итого, параллельные шины себя исчерпали, рано или поздно взоры разработчиков должны были обратиться в сторону последовательных. Так оно и есть, в результате чего практически все современные индустриальные интерфейсы к настоящему времени перебрались на такой принцип обмена данными. Взгляните на приведенную ниже таблицу: речь идет не только о сетевых интерфейсах, которым на роду написано быть последовательными; все остальные ключевые шины уже имеют последовательную природу.

Между прочим, внешние интерфейсы уже давно перебрались на последовательную топологию, и в самых своих свежих реализациях – USB 2.0, IEEE1394b, показывают скорости, которые немыслимы для параллельных соединений. С этой точки зрения шина PCI в наших компьютерах действительно, выглядит своеобразным анахронизмом.

Основой нового интерфейса, как известно, в общем случае будут являться дифференциальные сигнальные пары контактов, совершающие обмен данными по схеме "точка-точка". Благодаря новой топологии мы сразу получаем массу положительных моментов: удешевление конструкции, снижение габаритов, более простая разводка печатных дорожек с упрощенными требованиями к борьбе с паразитными излучениями, и, главное, возможность работы на гораздо более высоких частотах, с поддержкой "горячей" замены периферийных устройств. Уходит в прошлое такой важный для параллельного интерфейса параметр, как нужда в синхронизации сигнальных линий всей шины.

Архитектуру PCI Express можно рассматривать послойно, в сравнении с адресной моделью PCI. Конфигурация PCI Express является стандартной для устройств, определенных plug-and-play спецификациями PCI: программный уровень генерирует запросы чтения/записи, уровень транзакций транспортирует эти запросы к периферийным устройствам с помощью разделенного пакетного протокола. Для поддержания высокой производительности шины соединительный (link) уровень добавляет пакетам очередность и CRC; базовый физический уровень состоит из двойного симплексного канала, осуществляющего функции приемной и передающей пары. Таким образом, исходная скорость 2,5 Гб/с в каждом направлении позволяет говорить о создании дуплексного коммуникационного канала производительностью до 200 МБ/с, что в четыре раза превышает возможности классической шины PCI.

Рассматривая процессы, протекающие в шине на сигнальном уровне, нельзя не отметить уникальные плюсы PCI Express - значительное снижение затухания в линиях передачи и повышенная чувствительность приемной части интерфейса. Из чего напрашивается вывод о менее критичных требованиях к импедансу входных цепей, а также возможность увеличения длины разводки проводников шины  - в нынешней версии стандарта PCI-E они лимитируются 12 дюймами для системных плат, 3,5 дюймами для контроллеров и 15 дюймами для межчиповых соединений. При этом не предъявляется никаких дополнительных требований к технологии разводки печатной платы: могут использоваться как обычные 4-слойные PCB толщиной 0,062 дюйма, так и варианты с шестью и более слоями.

Теоретически, требования, выдвигаемые стандартом PCI Express, с легкостью могут быть адаптированы для нужд устройств любого уровня – от мобильного телефона до сервера уровня предприятия, а также, в перспективе, могут быть переложены для применения других физических типов носителей.  Именно такая гибкость и необходима для интерфейса, собирающегося прослужить стандартом ближайшее обозримое будущее.

Использование новых разъемов и других конструктивных возможностей, оговоренных спецификациями нового стандарта, позволяет говорить об увеличении энергопотребления конечных контроллеров до 75 Вт (при токе до 5,5 А)!

Такие мощные контроллеры потребуют дополнительных мер по отводу тепла из корпуса, зато отпадет нужда в подводке разъемов дополнительного питания, которые так характерны для нынешнего поколения видеокарт AGP 8x.

Системы питания компьютеров с поддержкой разных вариантов PCI Express отличаются от привычных нам спецификаций ATX12 и, скорее, схожи с требованиями, предъявляемыми к питанию серверных систем. Так, привычный 20-контактный разъем питания ATX удлиняется и в нем появляются четыре дополнительных контакта, как раз для усиления силовых шин +12 В, 5,0 В и +3,3 В. Соответственно, до 75 Вт повышаются ограничения на питание одного слота в BIOS. При этом нижняя граница мощности для блоков питания устанавливается на уровне примерно 300 Вт. Словом, хотя изменения в цепях питания и не носят такой радикальный характер, как при переходе с AT на ATX, с мыслью о неминуемом апгрейде БП придется свыкнуться.

Варианты PCI Express: их будет много

Версии PCI Express будут внедряться в зависимости от ставящихся перед интерфейсом задач и типом устройства. Например, серверы, где востребована максимальная пропускная способность, будут оборудованы максимальным количеством слотов PCI Express с максимальными показателям. В то же время, для нужд ноутбуков в большинстве случаев будет достаточно архитектуры PCI Express x1. Для настольных ПК и рабочих станций понадобится комбинация из различных вариантов реализации шины.

Совершенно новые требования выдвигаются к механическим показателям PCI Express. Для того, чтобы периферийные платы не имели возможности вывалиться из слота при вибрации или транспортировке, разработаны повышенные требования к защелкам и крепежу разъемов PCI Express.

Несмотря на то, что новый стандарт дает некую свободу конечным производителям при разработке крепежа, жестко оговоренными остаются следующие требования: энергопотребление – не более 75 Вт, вес – не более 350 граммов, высота – не более 115,15 мм.

Конечно, под такими монстрами прозрачно подразумеваются графические карты с интерфейсом PCI Express 16x; во всех других случаях требования к крепежу и другим характеристикам контроллеров значительно скромнее.

Особняком стоит реализация PCI Express для мобильных устройств в виде стандарта ExpressCard. Первыми поддержку модулей этого подстандарта получат ноутбуки и миниатюрные настольные ПК, хотя, уже известны случаи представления концепций серверных плат с разъемом ExpressCard. основное преимущество применения таких модулей  - подключение периферии практически без нужды использования крепежного инструмента, а также инсталляции дополнительных драйверов. Технология  ExpressCard заменит собой все устаревшие параллельные шины, в результате останутся только три современных интерфейса - PCI Express, USB 2.0 и FireWire.

В настоящее время разработано два форм-фактора модулей ExpressCard – ExpressCard/34 (ширина 34 мм) и ExpressCard/54 (ширина 54). Оба модуля имеют высоту 5 мм, как у стандарта PC Card Type II; длина модулей 75 мм, что на 10,6 мм меньше, чем у PC Card. При этом, модули ExpressCard/34 и ExpressCard/54 обладают одинаковым интерфейсом. Каждый слот под модули ExpressCard может обслуживать шину PCI Express x1.

Сравнивая возможности господствовавшей многие годы параллельной шины PCI и архитектуру PCI Express, можно выделить пять наиболее значимых преимуществ последней:

• Высокая производительность – повышение пропускной способности версии x1 как минимум вдвое по сравнению с PCI, возможность линейного наращивания производительности путем линейного расширения шины. Помимо этого, PCI Express является реально дуплексной шиной.

• Упрощение разводки периферии – стандартизация там, где ранее использовались всевозможные варианты PCI - AGP, PCI-X и др.; снижение комплексных затрат на разработку и внедрение систем.

• Уровневая архитектура – основные затраты на развитие PCI Express в дальнейшем ложатся лишь на разработку соответствующей обвязки, можно экономить на возможности работы с прежним программным обеспечением.

• Следующее поколение периферии  – PCI Express позволяет реализовать новые возможности обмена данными и мультимедийным контентом за счет изохронной природы передачи (т. е. разнесения отдельных частей сигнала по времени).

• Простота использования – производить апгрейд и доработку систем устройствами PCI Express станет значительно легче. Теперь появится возможность использовать PCI Express карты с "горячим" подключением.

В заключение попробуем ответить на заданный в начале вопрос – действительно, своевременно ли появление PCI Express? Тональность ответа явно будет разной в зависимости от того, кому задан вопрос – разработчику, производителю или конечному покупателю. В первом случае, ответ будет в большинстве своем восторженно-утвердительный., ведь именно разработчиков железа порадует унификация сигнальных уровней и топологии большинства шин системы! Производители системных плат, видеокарт и прочей обвязки ПК, скорее всего, с досадой припомнят Конфуция с его замечанием о жизни в эпоху перемен, ведь им теперь приходится наперед просчитывать баланс спроса на системы с новой,  старой и смешанной архитектурой, а это влечет за собой неуверенность в правильности выбранной стратегии в плане маркетинга и логистики. С другой стороны, "мутная водичка" – подходящий момент для того, чтобы изменить расстановку сил и выбиться в лидеры.

Наверно, в самой странной ситуации останутся потребители, следившие за последними разработками и прикупившие себе самые продвинутые версии видеокарт с шиной AGP 8x. Вот уж кого уверяли, что круче некуда и это надолго! Да, возможности этого интерфейса действительно, до конца так и не были использованы, но время не ждет, на горизонте – новая 16x вершина, которую, вроде бы, обещают надолго. Слабым, но утешением могут служить два тезиса: во-первых, PCI Express – это действительно надолго; во-вторых, на протяжении 2004 года никто от старых добрых слотов отказываться не спешит, в большинстве своем новые платы будут обладать всем набором шин, включая PCI, AGP и PCI Express. Время для того, чтобы состариться, у ваших AGP 8x еще есть.