Pci express 3.0 и 4.0: в чем разница

Жизнь на быстрых полосах

PCI-E с момента своего создания претерпел множество изменений; в настоящее время новые материнские платы обычно используют версию 3 стандарта, более быстрая версия 4 становится все более и более распространённой, и уже выпущена спецификация версии 5. Но все разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть четырёх основных размеров : x1, x4, x8 и x16. (Порты x32 существуют, но встречаются крайне редко и обычно не встречаются на потребительском оборудовании.)

Карты разного размера поддерживают разное максимальное количество линий PCI-Express.

Различные физические размеры позволяют использовать разное количество одновременных подключений контактов данных к материнской плате: чем больше порт, тем больше максимальное количество подключений к карте и порту. Эти соединения в просторечии известны как «дорожки», при этом каждая дорожка PCI-E состоит из двух сигнальных пар, одна для отправки данных, а другая для приёма данных. Различные версии стандарта PCI-E допускают разную скорость на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос на одном порте PCI-E и подключённой к нему карте, тем быстрее могут передаваться данные между периферийным устройством и остальной частью компьютерной системы.

Возвращаясь к нашей метафоре бара: если вы представите каждого посетителя, сидящего за стойкой, как устройство PCI-E, то дорожка x1 будет одним барменом, обслуживающим одного клиента. Но у посетителя, сидящего на отведённом месте «x4», будет четыре бармена, которые будут приносить ему напитки и еду, а на месте «x8» будет восемь барменов только для её напитков, а на сиденье «x16» будет целых шестнадцать барменов только для него. А теперь мы перестанем говорить о барах и барменах, потому что нашим бедным образным пьющим грозит отравление алкоголем.

Преимущества PCI-E

Технология PCI Express позволила получить преимущество по сравнению с PCI в следующих пяти областях:

1. Более высокая производительность. При наличии всего одной линии пропускная способность PCI Express в два раза выше, чем у PCI. При этом пропускная способность увеличивается пропорционально количеству линий в шине, максимальное количество которых может достигать 32. Дополнительным преимуществом является то, что информация по шине может передаваться одновременно в обоих направлениях.
2. Упрощение ввода-вывода. PCI Express использует преимущества таких шин, как AGP и PCI-X и обладает при этом менее сложной архитектурой, а также сравнительной простотой реализации.
3. Многоуровневая архитектура. PCI Express предлагает архитектуру, которая может подстраиваться к новым технологиям и не требует значительного обновления ПО.
4. Технологии ввода/вывода нового поколения.  PCI Express дает новые возможности получения данных при помощи технологии одновременных передач данных,  обеспечивающей своевременное получение информации.
5. Простота использования. PCI-E значительно упрощает обновление и расширение системы пользователем. Дополнительные форматы плат Express, такие, как ExpressCard, значительно увеличивают возможности добавления высокоскоростных периферийных устройств в серверы и ноутбуки.

Что такое PCI Express.

PCI Express (PCIe, PCI-e) – это один из протоколов передачи данных. Он служит для обеспечения взаимодействия различных устройств в современных компьютерах. PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) это по сути соединение (посредник), который передаёт данные от одного блока другому. Эти данные передаются двумя способами — либо параллельным либо последовательным.Кому интересно узнать про эти способы прошу под спойлеры.

Версии PCI Express

Первая версия PCI Express разрабатывалась самой фирмой Intel и вышла в 2002 году. Она вытеснила устаревший стандарт PCI (Peripheral Component Interconnect). В настоящий момент последней версией является PCI-E 5.0. Перед отправкой через PCI данные кодируются в блоки.В версиях PCI-E 1.0 и PCI-E 2.0 применялась схема кодирования, которая обозначалась как 8b/10b. Это значит, что каждый 8 битный блок кодируется в 10-ти битный. При таком кодировании только 80% передаваемых данных являются полезными, а оставшиеся 20% обеспечивают правильную работу протокола. Протокол – тут означает «схема», «порядок», «алгоритм».В версиях PCI-E 3.0 и выше применяется уже другой способ кодировки, который обозначается как 128b/130b. Это значит, что каждый 128 битный блок кодируется в 130 битный. При таком способе кодировки, полезный процент передаваемых данных достигает 98,46%.С каждой новой версией увеличивалась и тактовая частота шины, то есть скорость передачи данных. Измеряется в гигатранзакциях в секунду (ГТ/с). В PCI-E 1.0 она составляла 2,5 ГТ/с, то есть 2,5 миллиардов битов в секунду. Если перевести эти данные в привычные нам цифры, то получится: 2,5*109 Бит/с = 312,5‬ Мегабайт/с — 20% = 250 Мегабайт/с.В последней версии PCI-E 5.0 скорость возросла аж до 32ГТ/с, что значит 32*109 Бит/с = 4000‬ Мегабайт/с = 4 Гигабайт/с. Так как при кодировании 128b/130b полезные данные составляются 98,46, то реальная пропускная способность PCIe 5.0 будет равна 3,938 Гигабайт/с.Приведу таблицу со всеми версиями PCI-E, где можно посмотреть и пропускную способность каждой версии.

Разъёмы PCI-E в компьютере

На современных материнских платах используются разъёмы PCI различных видов с различным количеством линий (каналов передачи данных). Используются разъёмы начиная с x1 до X16 линий. Внешне они отличаются только размерами, независимо от времени выпуска материнской платы. Они совместимы между собой. То есть, в разъём PCIe x16 можно подключить устройство с любым разъёмом PCI-E, в том числе и с разъемом PCIe x1, PCIe x4 или PCIe x8.

Скорость передачи данных будет ограничена возможностями разъёма PCI версии 1.0

Нужен ли в компьютере PCI-E 4.0?

Как я уже писал выше, на сегодняшний день уже существует 5 версия PCI-Express, но она на практике пока не используется. А вот PCI-Express 4.0 понемногу начал поддерживаться. Например: компания AMD стала использовать его в своих процессорах Ryzen.Intel в отличие от AMD не спешит с вводом поддержки PCI-E 4.0 в свои процессоры, считая это преждевременным. И в самом деле, пропускная способность PCI 3.0 x16 будет достаточной для игр в 4к разрешении со скоростью 144кб/с. Разница в пропускной способности новой версии заметна лишь в синтетических тестах. На практике же, такие огромные скорости передачи данных ни где не используются. И в ближайшие 3-4 года данная ситуация вряд-ли сильно поменяется.Так нужен ли в компьютере PCI-E 4.0 сегодня, в 2020 году?Ответ: на данный момент необходимости в новом PCI-Express 4.0 пока нет. Материнские платы, которые способны принять на свой борт процессоры с поддержкой новой версии PCI уже есть. Но, вот только цены на них уж больно кусачие.

Extended Configuration Space

The PCI Express bus extends the from 256 bytes to 4096 bytes. This extended configuration space *cannot* be accessed using the legacy PCI method (through ports 0xCF8 and 0xCFC). Instead, an is provided.

However, the legacy configuration space for PCI-E devices can still be accessed using the latter.

Changes from the PCI Configuration Space

Распиновка PCI-Express 1x

Conclusion

In “PCI Express 5 vs. 4: What’s New?” we explain how PCI Express is the system backbone that transfers data at high bandwidth between CPUs, GPUs, FPGAs and ASIC accelerators using links of variable lane widths depending on the bandwidth needs of the linked devices.

We also detail how the latest PCI Express standard, PCIe 5, represents a doubling over PCIe 4 with a raw speed of 32GT/s vs. 16GT/s translating to aggregate bandwidth for a x16 link of ~128GB/s vs. ~64GB/s.

We then explored how the higher data rates of PCIe 5 are enabling system designers to support a new generation of cloud computing and AI/ML applications.

Lastly, we highlighted Rambus’ comprehensive interface solution for PCI Express 5 (PCIe 5.0) which comprises a PCIe 5.0 PHY and a co-verified digital controller. This comprehensive solution significantly reduces integration complexity for chip designers while providing state-of-the-art performance.

Explore more primers: – The ultimate guide to HBM2e implementation & selection – MACsec Explained: From A to Z – Hardware Root of Trust: Everything you need to know – DDR5 vs DDR4 – All the Design Challenges & Advantages

Сколько линий PCIe необходимо?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определиться с конфигурацией будущей системы. Я сейчас не затрагиваю тему разгона, ибо это несколько иной подход к выбору материнской платы, а исхожу из требований к использованию каких-либо плат расширения. Вариант офисного компьютера также оставлю за рамками разговора, т. к. в большинстве случаев достаточно минимальной конфигурации с использованием встроенного в процессор видеоядра и установка каких-либо дискретных адаптеров скорее всего не планируется.

Если будущий ПК предназначен для сборки игровой системы нижне-среднего уровня без разгона и использования флагманских CPU и GPU, то будет использоваться только внешняя видеокарта в сочетании с 1-2-3 накопителями. Значит, рассматривать можно платы, начиная с младших чипсетов. Даже у них есть возможность установки некоторых дополнительных адаптеров.

А кстати, сколько вот для этих «некоторых дополнительных адаптеров» линий-то нужно? Давайте попробуем свести это в табличку:

Это не весь возможный перечень. При необходимости, можно установить адаптер LPT и прочих портов, дополнительный сетевой контроллер и т. п. Как бы то ни было, надо точно знать, какой разъем для такой платы нужен и сколько линий PCIe он требует.

Если же выбор останавливается на топовом железе, то в любом случае в вашем распоряжении будет максимально возможное количество линий, и остается только не выйти за их лимит, утыкивая материнскую плату разнообразными адаптерами, накопителями и т. п.

Стандарты PCI-e передачи

PCI Express 1.0a

В 2003 году представили PCIe 1.0a со скоростью передачи данных 250 МБ / с и скоростью передачи 2,5 гигатрансфера в секунду (GT / s). Скорость передачи выражается в передачах в секунду, а не в битах в секунду, поскольку количество передач включает служебные биты, которые не обеспечивают дополнительной пропускной способности; PCIe 1.x использует схему кодирования 8b / 10b, что приводит к 20% (= 2/10) расходам на исходную полосу пропускания канала.

PCI Express 2.0

Объявили о PCI Express Base 2.0 в 2007 году. Стандарт PCIe 2.0 удваивает скорость передачи данных по сравнению с PCIe 1.0 до 5 ГТ / с, а пропускная способность на полосу увеличивается с 250 МБ / с до 500 МБ. / с. Следовательно, 32-полосный разъем PCIe (× 32) может поддерживать совокупную пропускную способность до 16 ГБ / с. Слоты материнской платы PCIe 2.0 полностью обратно совместимы с картами PCIe v1.x. Карты PCIe 2.0 также обычно обратно совместимы с материнскими платами PCIe 1.x, используя доступную пропускную способность PCI Express 1.1. В целом, графические карты или материнские платы, разработанные для версии 2.0, будут работать с другими версиями 1.1 или 1.0a. Как и 1.x, PCIe 2.0 использует схему кодирования 8b / 10b, поэтому обеспечивает эффективную максимальную скорость передачи 4 Гбит / с для каждой полосы по сравнению со скоростью исходных данных 5 ГТ / с.

PCI Express 2.1

PCI Express 2.1 вышла в 2009 году, она поддерживает большую часть систем управления, поддержки и устранения неполадок, которые запланированы для полной реализации в PCI Express 3.0. Однако скорость такая же, как у PCI Express 2.0. Увеличение мощности из слота нарушает обратную совместимость между картами PCI Express 2.1 и некоторыми старыми материнскими платами с 1.0 / 1.0a, но большинство материнских плат с разъемами PCI Express 1.1 поставляются с обновлением BIOS их производителями через служебные программы для поддержки обратной совместимости карт. с PCIe 2.1.

PCI Express 3.0

Спецификация PCI Express 3.0 стала доступна в конце 2010 года. Новые функции PCI Express 3.0 включают ряд оптимизаций для улучшенной передачи сигналов и целостности данных, включая выравнивание передатчика и приемника, усовершенствования системы ФАПЧ, восстановление тактовых данных и улучшения каналов для поддерживаемых в настоящее время топологии. PCI Express 3.0 обновляет схему кодирования до 128b / 130b по сравнению с предыдущей кодировкой 8b / 10b, уменьшая накладные расходы на полосу пропускания с 20% от PCI Express 2.0 примерно до 1,54% (= 2/130). Это достигается с помощью операции XOR известного двоичного полинома в качестве скремблера к потоку данных в топологии обратной связи. Скорость передачи данных PCI Express 3.0 8 ГТ / с эффективно обеспечивает 985 МБ / с на полосу, что почти вдвое увеличивает пропускную способность полосы пропускания по сравнению с PCI Express 2.0.

PCI Express 4.0

PCI Express 4.0 был анонсирован в 2017 году, обеспечивая скорость передачи данных 16 ГТ / с, что удваивает пропускную способность, обеспечиваемую PCI Express 3.0, при сохранении обратной и прямой совместимости как в программной поддержке, так и в используемом механическом интерфейсе. Спецификации PCI Express 4.0 также включают OCuLink-2, альтернативу разъему Thunderbolt. OCuLink версии 2 будет иметь скорость до 16 Гб / с (всего 8 ГБ / с для 4 полос), а максимальная пропускная способность разъема Thunderbolt 3 составляет 5 ГБ / с. Кроме того, необходимо изучить оптимизацию активной и неактивной мощности.

Enhanced Configuration Mechanism

The enhanced configuration mechanism makes use of memory mapped address space range/s to access PCI configuration space. Put simply, the memory address determines the segment group, bus, device, function and register being accessed. On x86 and x64 platforms, the address of each memory area is determined by the ACPI ‘MCFG’ table. The format of this ACPI table is:

For non-x86 systems the method varies, but usually systems provide themselves with a Device Tree which is parsed at runtime.

To access a specific register within a device’s PCI configuration space, you have to use the device’s PCI Segment Group and bus to determine which memory mapped PCI configuration space area to use, and obtain the starting physical address and starting bus number for that memory mapped area. Once you have the correct starting physical address and starting bus number for that memory mapped area you would use the following formula to determine where the (4096-byte) area for a function’s PCI configuration space is: .

Note that it may be a good idea to determine «physical address for this function’s PCI configuration space» as part of PCI enumeration and store this physical address alongside any other information you’re using to manage PCI devices and drivers (e.g. in your «device manager’s» hierarchical tree of device info).

Also note that for absolute maximums (with 65536 PCI segment groups and 256 bus segments per segment group), the amount of physical address space consumed by memory mapped PCI configuration space ranges would be (up to) 16 TiB (or 244 bytes); and ACPI’s «MCFG» table may (in theory) be slightly larger than 256 MiB (a 16-byte entry for each individual PCI bus within each PCI segment group plus the 36-byte table header).

Accessing a specific device within the space can be as follows: (each device descriptor is 4096 bytes or 4K long), therefore the former can be interpreted as an array of the type: .

Finding devices can be done the same as PCI, with the difference that the kernel accesses a memory region rather than using CPU I/O.

Применение PCI Express в компьютере. Разъемы PCI Express

Контроллер (управляющее устройство) линий PCIe не так давно встраивался только в чипсет (главную микросхему) материнской платы. Но, начиная с 2009 года, контроллер PCIe добавляется производителями также и непосредственно в центральный процессор. Это уменьшает задержки и позволяет процессору более эффективно взаимодействовать с другими устройствами. Версии и количество линий PCIe в разных моделях процессоров и чипсетов отличается. Бо́льшая их часть формируется в разъемы, размещаемые на материнской плате. Они позволяют подключать к компютеру разнообразные устройства (видеокарты, звуковые карты, сетевые карты, Wi-Fi-адаптеры и др.). На материнской плате современного компьютера можно найти разъемы PCIe нескольких видов, отличающихся количеством используемых в них линий PCIe (от х1 до х16 линий). Не зависимо от того, насколько старым является компьютер, и какая версия PCIe в нем используется, эти разъемы всегда выглядят одинаково:на изображении: верхний разъем — PCIe x4, по средине — PCIe x16, внизу — PCIe x1

Разные версии PCIe являются полностью совместимыми. То есть, если в старый компьютер, где используется версии PCIe 2.0, установить, например, видеокарту с PCIe 4.0, она будет нормально работать. Однако, реальная скорость обмена данными при этом у нее будет ограничена возможностями PCIe 2.0. И наоборот, в самый новый компьютер с PCIe 4.0 можно без проблем установить старую видеокарту с PCIe 2.0. Еще одной особенностью PCIe является совместимость разных ее разъемов. В разъем PCIe x16 можно подключить не только видеокарту, но и абсолютно любое другое устройство PCIe, в том числе и с разъемом PCIe x8, PCIe x4 или PCIe x1. Совместимость разъемов сохраняется также и в обратную сторону. То есть, в разъем PCIe x1 можно установить видеокарту с разъемом PCIe x16. Физически она туда не войдет, но если разрезать заднюю стенку разъема (как на изображении ниже), то все получится. Это, конечно же, «кустарщина» и без крайней надобности так делать не нужно. Тем более, что видеокарта при таком подключении будет работать в режиме PCIe x1, что весьма негативно скажется на ее быстродействии.

В ноутбуках для установки дополнительных устройств вместо упомянутых выше разъемов используется более компактный вариант — Mini PCIe. Линии PCIe используются также для создания некоторых других разъемов, в чатности, разъемов M.2 (служат для подключения современных запоминающих устройств, а также устройств некоторых других типов).

на изображении — разъем M.2 с запоминающим устройством в нем

Распиновка PCI-Express 4x

Что такое PCI Express и что он обозначает?

PCI Express означает Peripheral Component Interconnect Express и представляет собой стандартный интерфейс для подключения периферийного оборудования к материнской плате на компьютере. Другими словами, PCI Express или сокращенно PCIe — это интерфейс, который подключает к материнской плате внутренние карты расширения, такие как видеокарты, звуковые карты, адаптеры Ethernet и Wi-Fi . Кроме того, PCI Express также используется для подключения некоторых типов твердотельных накопителей, которые обычно очень быстрые.

Какие типы слотов и размеров PCI Express существуют, и что означают линии PCIe? Для подключения плат расширения к материнской плате PCI Express использует физические слоты. Обычными слотами PCI Express, которые мы видим на материнских платах, являются PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8 и PCIe x16. Число, которое следует за буквой «х», говорит нам о физических размерах слота PCI Express, который, в свою очередь, определяется количеством контактов на нем. Чем больше число, тем длиннее слот PCIe и тем больше контактов, которые соединяют плату расширения с гнездом.

Кроме того, число «х» также указывает, сколько полос доступно в этом слоте расширения. Вот как сравниваются часто используемые слоты PCIe:

• PCIe x1: имеет 1 полосу , 18 контактов и длину 25 мм
• PCIe x4: имеет 4 линии , 32 контакта и длину 39 мм
• PCIe x8: имеет 8 линий , 49 контактов и длину 56 мм
• PCIe x16: имеет 16 линий , 82 контакта и длину 89 мм

Линии PCI Express — это пути между набором микросхем материнской платы и слотами PCIe или другими устройствами, являющимися частью материнской платы, такими как разъем процессора, слоты M.2 SSD, сетевые адаптеры, контроллеры SATA или контроллеры USB.

В PCI Express каждая полоса индивидуальна, что означает, что она не может быть разделена между различными устройствами. Например, если ваша видеокарта подключена к слоту PCIe x16, это означает, что она имеет 16 независимых линий, выделенных только для нее. Никакой другой компонент не может использовать эти полосы, кроме графической карты.

Вот идея, которая может упростить вам понимание того, что такое линии PCI Express: просто представьте, что PCI Express — это магистраль, а автомобили, которые едут по ней, — это данные, которые передаются. Чем больше полос движения доступно на шоссе, тем больше автомобилей можно проехать по нему; чем больше у вас PCIe-линий, тем больше данных можно передать.

Карта PCI Express может устанавливаться и работать в любом слоте PCIe, доступном на материнской плате, если этот слот не меньше платы расширения. Например, вы можете установить карту PCIe x1 в слот PCIe x16. Тем не менее, вы не можете сделать обратное. Например, вы можете установить звуковую карту PCIe x1 в слот PCIe x16, но вы не можете установить графическую карту PCIe x16 в слот PCIe x1.

Какие версии PCI Express существуют, и какую скорость передачи данных (пропускную способность) они поддерживают?

Сегодня используются четыре версии PCI Express: PCI Express 1.0, PCI Express 2.0, PCI Express 3.0 и PCI Express 4.0. Каждая версия PCIe поддерживает примерно удвоенную пропускную способность предыдущего PCIe . Вот что предлагает каждый из них:

• PCI Express 1.0: имеет пропускную способность 250 МБ / с на линию
• PCI Express 2.0: имеет пропускную способность 500 МБ / с на линию
• PCI Express 3.0: имеет пропускную способность 984,6 МБ / с на линию
• PCI Express 4.0: имеет пропускную способность 1969 МБ / с на линию

Помните, что слоты PCIe могут предложить не одну, а несколько дорожек? Значения полосы пропускания, которые мы разделили, умножаются на количество линий, доступных в слоте PCIe. Если вы хотите рассчитать, сколько пропускной способности доступно для определенной платы расширения, вам нужно умножить пропускную способность PCIe на линию на количество доступных для нее линий.

Например, графическая карта, которая поддерживает PCI Express 4.0 и подключена к слоту PCIe x16, имеет доступ к общей пропускной способности около 31,51 ГБ / с. Это результат умножения 1969 МБ / с на 16 (пропускная способность PCIe на линию * 16 линий). Впечатляет, правда?

Вот как масштабируются версии PCI Express, если принять во внимание линии PCI Express:

В будущем появятся новые версии PCI Express, такие как PCI Express 5.0 и PCI Express 6.0. Спецификация PCIe 5.0 была доработана летом 2019 года, предлагая пропускную способность до 3938 МБ / с на линию и до 63 ГБ / с в конфигурации x16. Однако, скорее всего, мы не увидим его в ближайшее время на компьютерном оборудовании потребительского уровня.