▷ Pci express

Attualmente, il tipo più comune di slot di espansione disponibile è chiamato PCI Express. In questo articolo imparerai tutto ciò che devi sapere su questo tipo di connessione: i suoi inizi, come funziona, versioni, slot e altro.

Sin dal primo PC, rilasciato nel 1981, il team ha avuto slot di espansione in cui è possibile installare schede aggiuntive per aggiungere funzionalità non disponibili sulla scheda madre del team. Prima di parlare della porta PCI Express, dovremmo parlare un po 'della storia degli slot di espansione del PC e delle loro principali sfide, in modo da poter capire cosa rende diversa la porta PCI Express.

Indice dei contenuti

Tipi di slot di espansione

Di seguito sono elencati i tipi più comuni di slot di espansione che sono stati rilasciati per il PC nel corso della sua storia:

• ISA (Standard Industrial Architecture) MCA (Microchannel Architecture) EISA (Extended Industrial Standard Architecture) VLB (VESA Local Bus) PCI (Peripheral Component Compononnect) PCI-X (Extended Peripheral Component Interconnect) AGP (Accelerated Graphics Port) Express (Express Peripheral Component Interconnect)

In generale, vengono rilasciati nuovi tipi di slot di espansione quando i tipi di slot disponibili risultano troppo lenti per alcune applicazioni. Ad esempio, lo slot ISA originale disponibile sul PC IBM originale e sul PC IBM XT e sui suoi cloni aveva una velocità di trasferimento teorica massima (ovvero larghezza di banda) di soli 4, 77 MB / s.

La versione a 16 bit di ISA, rilasciata con l'IBM PC AT nel 1984, ha quasi raddoppiato la larghezza di banda disponibile a 8 MB / s, ma questo numero era estremamente basso anche al momento per applicazioni ad alta larghezza di banda come il video..

Successivamente, IBM ha rilasciato lo slot MCA per la sua linea di computer PS / 2 e, poiché era protetto da copyright, altri produttori potevano usarlo solo se avessero sottoscritto uno schema di licenza con IBM, cosa che hanno fatto solo cinque aziende (Tandy, Apricot, Dell, Olivetti e Research Machines).

Pertanto, gli slot MCA erano limitati a pochi modelli di PC di questi marchi. Nove produttori di PC si sono riuniti per creare lo slot EISA, ma non ha avuto successo per due motivi.

Innanzitutto, ha mantenuto la compatibilità con lo slot ISA originale, quindi la sua frequenza di clock era la stessa di quella dello slot ISA a 16 bit.

In secondo luogo, l'alleanza non includeva i produttori di schede madri, quindi poche aziende avevano accesso a questo slot, proprio come con lo slot MCA.

Il primo vero slot ad alta velocità che fu rilasciato fu il VLB. La massima velocità è stata raggiunta collegando lo slot al bus CPU locale, cioè al bus CPU esterno.

In questo modo, lo slot funzionava alla stessa velocità del bus esterno della CPU, che è il bus più veloce disponibile sul PC.

La maggior parte delle CPU all'epoca utilizzava una velocità di clock esterna di 33 MHz, ma erano disponibili anche CPU con velocità di clock esterne di 25 MHz e 40 MHz.

Il problema con questo bus era che era specificamente progettato per il bus locale dei processori di classe 486. Quando fu rilasciato il processore Pentium, era incompatibile con esso, poiché utilizzava un bus locale con specifiche diverse (frequenza di clock esterna di 66 MHz invece di 33 MHz e trasferimenti di dati a 64 bit anziché a 32 bit).

La prima soluzione a livello industriale è apparsa nel 1992, quando Intel ha guidato il settore a creare l'ultimo slot di espansione, il PCI.

Successivamente, altre compagnie aderirono all'alleanza, che oggi è conosciuta come PCI-SIG (PCI Special Interest Group). PCI-SIG è responsabile della standardizzazione degli slot PCI, PCI-X e PCI Express.

Cosa sono le porte PCI Express

PCI Express, abbreviazione di PCI-E o PCIe, è l'ultima evoluzione del classico bus PCI e consente l'aggiunta di schede di espansione al computer.

È una porta seriale locale, a differenza del PCI, che è parallela, ed è stata sviluppata da Intel, che l'ha introdotta per la prima volta nel 2004, sul chipset 915P.

Possiamo trovare bus PCI Express in varie versioni; Esistono versioni 1, 2, 4, 8, 12, 16 e 32 corsie.

Ad esempio, la velocità di trasferimento di un sistema PCI Express a 8 corsie (x8) è di 2 GB / s (250 x8). PCI Express consente velocità dati da 250 MB / sa 8 GB / s nella versione 1.1. La versione 3.0 consente 1 GB / s (985 MB in realtà) per corsia mentre 2.0 solo 500 MB / s.

A cosa servono le porte PCI Express?

Questo nuovo bus viene utilizzato per collegare le schede di espansione alla scheda madre ed è destinato a sostituire tutti i bus di espansione interni di un PC, inclusi PCI e AGP (l'AGP è completamente scomparso, ma il classico PCI resiste ancora).

PCI, PCI-X e PCI Express

A proposito, alcuni utenti hanno difficoltà a distinguere tra PCI, PCI-X e PCI Express ("PCIe"). Sebbene questi nomi siano simili, si riferiscono a tecnologie completamente diverse.

Il PCI è un bus indipendente dalla piattaforma che si collega al sistema tramite un chip bridge (bridge, che fa parte del chipset della scheda madre). Ogni volta che viene rilasciata una nuova CPU, è possibile continuare a utilizzare lo stesso bus PCI ridisegnando il chip bridge invece di ridisegnare il bus, che era la norma prima della creazione del bus PCI.

Sebbene teoricamente fossero possibili altre configurazioni, l'implementazione più comune del bus PCI era con un clock a 33 MHz con un percorso dati a 32 bit, consentendo una larghezza di banda di 133 MB / s.

La porta PCI-X è una versione del bus PCI che funziona a frequenze di clock più elevate e con percorsi dati più ampi per le schede madri del server, ottenendo una larghezza di banda maggiore per i dispositivi che richiedono maggiore velocità, come le schede di memoria. controller di rete e RAID di fascia alta.

Quando il bus PCI si è rivelato troppo lento per le schede video di fascia alta, è stato sviluppato lo slot AGP. Questo slot è stato utilizzato esclusivamente per le schede video.

Infine, PCI-SIG ha sviluppato una connessione chiamata PCI Express. Nonostante il suo nome, la porta PCI Express funziona radicalmente diversa dal bus PCI.

Diversi bus PCI Express

• PCI Express 1x con una prestazione di 250 Mb / s è presente in una o due copie su tutte le schede madri attuali. PCI Express 2x con una prestazione di 500 Mb / s è meno esteso, riservato ai server. PCI Express 4x con una prestazione di 1000 Mb / s è riservato anche ai server. Il PCI Express 16x con una velocità di 4000 Mb / s è molto diffuso, presente in tutte le moderne schede grafiche ed è il formato standard delle schede grafiche. La porta PCI Express 32x con prestazioni di 8000 Mb / s è lo stesso formato di PCI Express 16x ed è spesso utilizzato su schede madri di fascia alta per alimentare bus SLI o Crossfire. I riferimenti di queste schede madri hanno spesso la menzione "32". Ciò consente due porte PCI Express cablate a 16 corsie, a differenza delle SLI convenzionali, cablate in 2 x 8 corsie o Basic Crossfire, cablate in 1 × 16 + 1 × 4 corsie. Queste schede madri sono inoltre caratterizzate dalla presenza di un ponte sud aggiuntivo, dedicato solo al bus 32x.

Il PCI-SIG ha annunciato il PCI Express nella revisione 4.0, offrendo il doppio della larghezza di banda per corsia rispetto alla revisione 3.0.

Questa recensione include margini di corsia, ridotta latenza del sistema, capacità RAS superiori, etichette e crediti estesi per dispositivi di servizio, scalabilità per corsie e larghezza di banda aggiuntive, integrazione della piattaforma e virtualizzazione I / O migliorata.

Differenze tra PCI e PCI Express

• PCI è un bus, mentre PCI Express è una connessione seriale punto-punto, ovvero collega solo due dispositivi; nessun altro dispositivo può condividere questa connessione. Solo per chiarire, su una scheda madre che utilizza slot PCI standard, tutti i dispositivi PCI sono collegati al bus PCI e condividono lo stesso percorso di dati, quindi può verificarsi un collo di bottiglia (cioè una riduzione delle prestazioni perché più il dispositivo desidera trasmettere i dati contemporaneamente). Su una scheda madre con slot PCI Express, ogni slot PCI Express è collegato al chipset sulla scheda madre utilizzando una corsia dedicata, non condividendo questa corsia (percorso dati) con altri slot PCI Express. Inoltre, i dispositivi integrati nella scheda madre, come driver di rete, SATA e USB, si collegano in genere al chipset della scheda madre utilizzando connessioni PCI Express dedicate. PCI e tutti gli altri tipi di slot di espansione utilizzano comunicazioni parallele, mentre PCI Express si basa su comunicazioni seriali ad alta velocità, la porta PCI Express si basa su singole corsie, che possono essere raggruppate per creare connessioni a larghezza di banda più elevata. La "x" che segue la descrizione di una connessione PCI Express si riferisce al numero di corsie utilizzate dalla connessione.

Di seguito è riportata una tabella comparativa delle principali specifiche degli slot di espansione esistenti per il PC.

scanalatura	orologio	Numero di bit	Dati per ciclo di clock	Larghezza di banda
ISA	4, 77 MHz	8	1	4, 77 MB / s
ISA	8 MHz	16	0.5	8 MB / s
MCA	5 MHz	16	1	10 MB / s
MCA	5 MHz	32	1	20 MB / s
EISA	8, 33 MHz	32	1	33, 3 MB / s (16, 7 MB / s in genere)
VLB	33 MHz	32	1	133 MB / s
PCI	33 MHz	32	1	133 MB / s
PCI-X 66	66 MHz	64	1	533 MB / s
PCI-X 133	133 MHz	64	1	1.066 MB / s
PCI-X 266	133 MHz	64	2	2.132 MB / s
PCI-X 533	133 MHz	64	4	4.266 MB / s
AGP x1	66 MHz	32	1	266 MB / s
AGP x2	66 MHz	32	2	533 MB / s
AGP x4	66 MHz	32	4	1.066 MB / s
AGP x8	66 MHz	32	8	2.133 MB / s
PCIe 1.0 x1	2, 5 GHz	1	1	250 MB / s
PCIe 1.0 x4	2, 5 GHz	4	1	1.000 MB / s
PCIe 1.0 x8	2, 5 GHz	8	1	2.000 MB / s
PCIe 1.0 x16	2, 5 GHz	16	1	4.000 MB / s
PCIe 2.0 x1	5 GHz	1	1	500 MB / s
PCIe 2.0 x4	5 GHz	4	1	2.000 MB / s
PCIe 2.0 x8	5 GHz	8	1	4.000 MB / s
PCIe 2.0 x16	5 GHz	16	1	8.000 MB / s
PCIe 3.0 x1	8 GHz	1	1	1.000 MB / s
PCIe 3.0 x4	8 GHz	4	1	4.000 MB / s
PCIe 3.0 x8	8 GHz	8	1	8.000 MB / s
PCIe 3.0 x16	8 GHz	16	1	16.000 MB / s

Trasferimento dati sulla porta PCI Express

La connessione PCI Express rappresenta un progresso straordinario nel modo in cui i dispositivi periferici comunicano con il computer.

Differisce dal bus PCI in molti modi, ma il più importante è il modo in cui i dati vengono trasferiti.

La connessione PCI Express è un altro esempio della tendenza a migrare il trasferimento di dati dalla comunicazione parallela alla comunicazione seriale. Altre interfacce comuni che utilizzano la comunicazione seriale sono USB, Ethernet (rete) e SATA e SAS (archiviazione).

Prima di PCI Express, tutti i bus PC e gli slot di espansione utilizzavano la comunicazione parallela. Nella comunicazione parallela, più bit vengono trasferiti contemporaneamente nel percorso dei dati, in parallelo.

Nella comunicazione seriale, viene trasferito solo un bit nel percorso dati per ciclo di clock. Inizialmente, ciò rende la comunicazione parallela più veloce della comunicazione seriale, poiché maggiore è il numero di bit trasmessi contemporaneamente, più veloce sarà la comunicazione.

La comunicazione parallela, tuttavia, soffre di alcuni problemi che impediscono alle trasmissioni di raggiungere velocità di clock più elevate. Maggiore è l'orologio, maggiori sono i problemi di interferenza elettromagnetica (EMI) e ritardo di propagazione.

Quando la corrente elettrica scorre attraverso un cavo, attorno ad esso viene creato un campo elettromagnetico. Questo campo può indurre corrente elettrica nel cavo adiacente, corrompendo le informazioni trasmesse da esso.

Come abbiamo discusso in precedenza, ogni bit di comunicazione parallelo viene trasmesso su un cavo separato, ma è quasi impossibile realizzare quei 32 cavi esattamente della stessa lunghezza su una scheda madre. A velocità di clock più elevate, i dati trasmessi su cavi più corti arrivano prima dei dati trasmessi su cavi più lunghi.

Cioè, i bit in comunicazione parallela potrebbero arrivare in ritardo. Di conseguenza, il dispositivo ricevente deve attendere l'arrivo di tutti i bit per elaborare i dati completi, rappresentando una perdita significativa di prestazioni. Questo problema è noto come ritardo di propagazione ed è esacerbato dall'aumento delle frequenze di clock.

Il progetto di un bus che utilizza la comunicazione seriale è più semplice da implementare rispetto a quello di un bus che utilizza la comunicazione parallela, poiché sono necessari meno cavi per trasmettere i dati.

In una tipica comunicazione seriale, sono necessari quattro cavi: due per trasmettere dati e due per ricevere, di solito con una tecnica di interferenza anti-elettromagnetica chiamata cancellazione o trasmissione differenziale. In caso di cancellazione, lo stesso segnale viene trasmesso su due cavi, mentre il secondo cavo trasmette il segnale "riflesso" (polarità invertita) rispetto al segnale originale.

Oltre a fornire una maggiore immunità alle interferenze elettromagnetiche, le comunicazioni seriali non subiscono ritardi di propagazione. In questo modo, possono raggiungere frequenze di clock più elevate più facilmente rispetto alle comunicazioni parallele.

Un'altra differenza molto importante tra comunicazione parallela e comunicazione seriale è che la comunicazione parallela è in genere half duplex (gli stessi cavi vengono utilizzati per trasmettere e ricevere dati) a causa dell'elevato numero di cavi necessari per la sua implementazione.

La comunicazione seriale è full duplex (esiste un set separato di cavi per trasmettere dati e un altro set di cavi per ricevere dati) perché sono necessari solo due cavi in ​​ciascuna direzione. Con la comunicazione half-duplex, due dispositivi non possono parlarsi contemporaneamente; l'uno o l'altro sta trasmettendo dati. Con la comunicazione full duplex, entrambi i dispositivi possono trasmettere dati contemporaneamente.

Questi sono i motivi principali per cui gli ingegneri hanno adottato la comunicazione seriale invece della comunicazione parallela con la porta PCI Express.

La comunicazione seriale è più lenta?

Dipende da cosa stai confrontando. Se si confronta una comunicazione parallela a 33 MHz che trasmette 32 bit per ciclo di clock, sarà 32 volte più veloce di una comunicazione seriale a 33 MHz che trasmette solo un bit alla volta.

Tuttavia, se si confronta la stessa comunicazione parallela con una comunicazione seriale che funziona a una frequenza di clock molto più elevata, la comunicazione seriale può effettivamente essere molto più veloce.

Basta confrontare la larghezza di banda del bus PCI originale, che è 133 MB / s (33 MHz x 32 bit), con la larghezza di banda più bassa che può essere ottenuta con una connessione PCI Express (250 MB / s, 2, 5 GHz x 1 bit).

L'idea che la comunicazione seriale sia sempre più lenta della comunicazione parallela proviene da computer più vecchi che avevano porte chiamate "porta seriale" e "porta parallela".

A quel tempo, la porta parallela era molto più veloce della porta seriale. Ciò è dovuto al modo in cui queste porte sono state implementate. Ciò non significa che le comunicazioni seriali siano sempre più lente delle comunicazioni parallele.

Slot e schede grafiche

La specifica PCI Express consente agli slot di avere dimensioni fisiche diverse, a seconda del numero di corsie collegate allo slot.

Ciò riduce le dimensioni dello spazio richiesto sulla scheda madre. Ad esempio, se è richiesto uno slot con una connessione x1, il produttore della scheda madre può utilizzare uno slot più piccolo, risparmiando spazio sulla scheda madre.

Molte schede madri hanno slot x16 collegati a guide x8, x4 o persino x1. Con scanalature più grandi è importante sapere se le loro dimensioni fisiche corrispondono davvero alle loro velocità. Inoltre, alcune macchine possono rallentare quando le loro corsie sono condivise.

Lo scenario più comune è sulle schede madri con due o più slot x16. Con più schede madri, ci sono solo 16 corsie che collegano i primi due slot x16 al controller PCI Express. Ciò significa che quando si installa una singola scheda video, sarà disponibile una larghezza di banda x16, ma quando si installano due schede video, ciascuna scheda video avrà una larghezza di banda x8 ciascuna.

Il manuale della scheda madre dovrebbe fornire queste informazioni. Ma un consiglio pratico è quello di guardare dentro lo slot per vedere quanti contatti hai.

Se vedi i contatti in uno slot PCI Express x16 tagliare metà di quello che dovrebbero essere, ciò significa che mentre questo slot è fisicamente uno slot x16, in realtà ha otto corsie (x8). Se con questo stesso slot vedi che il numero di contatti è ridotto a un quarto di quello che dovrebbe avere, stai vedendo uno slot x16 che in realtà ha solo quattro corsie (x4).

È importante capire che non tutti i produttori di schede madri seguono questa procedura; alcuni usano ancora tutti i contatti anche se lo slot è collegato a un numero minore di corsie. Il miglior consiglio è quello di controllare il manuale della scheda madre per le informazioni corrette.

Per ottenere le massime prestazioni possibili, sia la scheda di espansione che la porta PCI Express devono avere la stessa revisione. Se si dispone di una scheda video PCI Express 2.0 e la si installa su un sistema con una porta PCI Express 3.0, si sta limitando la larghezza di banda a PCI Express 2.0. La stessa scheda video installata in un sistema precedente con un controller PCI Express 1.0 sarà limitata alla larghezza di banda di PCI Express 1.0.

Usi e benefici

Con PCIe, gli amministratori dei data center possono trarre vantaggio dalla rete ad alta velocità sulle schede madri del server e connettersi alle tecnologie di rete Gigabit Ethernet, RAID e Infiniband all'esterno del rack del server. Il bus PCIe consente inoltre connessioni tra computer cluster utilizzando HyperTransport.

Per laptop e dispositivi mobili, le mini card PCI-e vengono utilizzate per collegare adattatori di rete wireless, archiviazione su disco SSD e altri acceleratori di prestazioni.

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PCI Express esterno (ePCIe) consente di collegare la scheda madre a un'interfaccia PCIe esterna. Nella maggior parte dei casi, i progettisti utilizzano ePCIe quando il computer richiede un numero insolitamente elevato di porte PCIe.