Модификации шины PCI.

С момента появления и до наших дней шина PCI претерпела ряд существенных изменений, большая часть которых выражались в увеличении тактовой частоты шины, а вместе с этим и пропускной способности.

· PCI 2.2 — допускается 64-бит ширина шины и/или тактовая частота 66 МГц, т.е. пиковая пропускная способность до 533 МБ/сек.;

· PCI-X, 64-бит версия PCI 2.2 с увеличенной до 133 МГц частотой (пиковая пропускная полоса 1066 МБ/сек.);

· PCI-X 266 (PCI-X DDR), DDR версия PCI-X (эффективная частота 266 МГц, реальная 133 МГц с передачей по обоим фронтам тактового сигнала, пиковая пропускная полоса 2.1 ГБ/сек);

· PCI-X 533 (PCI-X QDR), QDR версия PCI-X (эффективная частота 533 МГц, пиковая пропускная полоса 4.3 ГБ/сек.);

· Mini PCI — PCI с разъемом в стиле SO-DIMM, применяется преимущественно для миниатюрных сетевых, модемных и прочих карточек в ноутбуках;

· Compact PCI — стандарт на форм фактор (модули вставляются с торца в шкаф с общей шиной на задней плоскости) и разъем, предназначенные в первую очередь для промышленных компьютеров и других критических применений;

· Accelerated Graphics Port (AGP) — высокоскоростная версия PCI оптимизированная для графических ускорителей. Отсутствует арбитраж шины (т.е. допустимо только одно устройство, за исключением последней, 3.0 версии стандарта AGP, где устройств и слотов может быть два). Передачи в сторону ускорителя оптимизированы, есть набор специальных дополнительных возможностей специфических для графики. Впервые данная шина появилась вместе с первыми системными наборами для процессора Pentium II. Существует три базовых версии протокола AGP, дополнительная спецификация на питание (AGP Pro) и 4 скорости передачи данных — от 1х (266 МБ/сек) до 8х (2ГБ/сек), в том числе допустим сигнальные уровни 1.5, 1.0 и 0.8 вольт.

· CARDBUS — 32 разрядную версию шины для PCMCIA карт, с горячим подключением и некоторыми дополнительными возможностями, тем не менее, имеющую много общего с базовой версией PCI.

Основное развитие шины идет по следующим направлениям:

1. Создание специализированных модификаций (AGP);

2. Создание специализированных форм факторов (Mini PCI, Compact PCI, CARDBUS);

 

3. Увеличение разрядности;

4. Увеличение тактовой частоты и применение DDR/QDR схем передачи данных.

Все это вполне логично, учитывая огромный срок жизни подобного всеобщего стандарта. Причем, пункты 1 и 2 не ставят своей целью сохранение совместимости с базовыми PCI картами, а вот пункты 3 и 4 выполняются за счет увеличения оригинального PCI разъема, и допускают установку обычных 32х разрядных PCI карт. Стоит отметить, что в ходе эволюции шины случались и сознательные потери совместимости со старыми картами, даже для базового варианта разъема PCI — например, в спецификации 2.3 исчезло упоминание о поддержке 5 вольт сигнального уровня и питающего напряжения. В результате, серверные платы снабженные этой модификацией шины могут пострадать при установке в них старых, пятивольтовых карт, хотя, с точки зрения геометрии разъема, эти карты к ним подходят.

Однако, как и любая другая технология (например, архитектуры процессорных ядер), шинная технология имеет свои разумные границы масштабирования, при приближении к которым увеличение пропускной полосы дается все большей и большей ценою. Возросшая тактовая частота требует более дорогостоящей разводки и накладывает существенные ограничения на длину сигнальных линий, увеличение разрядности или использование DDR решений также влечет за собою множество проблем, которые в итоге банально выливаются в рост стоимости. И если в серверном сегменте, решения подобные PCI-X 266/533 еще будут некоторое время экономически оправданными, то в потребительских PC мы их не увидим. Очевидно, что в идеале пропускная способность шин должна расти синхронно с ростом производительности процессора, при этом цена реализации должна не только сохраняться прежней, но и в идеале снижаться. На данный момент это возможно только при использовании новой шинной технологии.

Шина процессоров постоянно масштабируется и по частоте и по напряжению. Пропускная способность оперативной памяти увеличивается, чтобы соответствовать процессорам. Соответственно, как показано на рисунке 1.6.1, системный набор микросхем (чипсет) обычно разделен на концентратор памяти и концентратор ввода-вывода, поскольку шина памяти часто меняется (вслед за процессорами). Одной из основных функций такого разделения является изоляция изменений в шине памяти, от стабильной шины ввода-вывода.

 

Рис 1.6.1. Системный набор микросхем

Современные приложения более зависимы от аппаратных средств, и в частности, от подсистемы ввода-вывода. Обработка потоков данных от различных аудио и видео источников являются теперь обычным делом для мобильных или настольных систем, но в стандарте PCI 2.2 или PCI-X нет встроенных механизмов для поддержки время-связанных данных. Многие приложения связи и системы контроля, так же должны передавать и обрабатывать данные в режиме «реального времени». Современные системы, как показано на рисунке 1.6.2., должны одновременно обрабатывать несколько конкурирующих потоков данных от разных источников. Более неприемлемо трактовать все данные, как одинаковые – более важно, например, обработать потоковые данные, поскольку устаревшие данные «реального времени» абсолютно бесполезны. Данные должны быть «помечены» таким образом, чтобы система ввода-вывода могла назначить им правильные приоритеты обработки.

Рис. 1.6.2. Функционирование современных систем.

Последние достижения в высоко-скоростных, мало-контактных (low-pin-count), «точка-точка» технологиях предлагают возможности для увеличения пропускной способности шины ввода-вывода. Множественные соединения «точка-точка» влекут за собой появление в топологии ввода-вывода нового элемента – коммутатора (switch). На основе этих разработок была создана новая, высокоскоростная шина PCI Express. Для обеспечения совместимости с существующими приложениями и драйверами сохранена модель адресации PCI. Конфигурация PCI Express использует стандартный механизм PCI Plug-and-Play. Программный уровень генерирует запросы на чтение и запись, которые передаются уровнем транзакций устройствам ввода-вывода с использованием пакетно-ориентированного, с разделяемыми транзакциями (split-transaction) протокола. Уровень «Link” добавляет последовательный номер и CRC код (код контроля ошибок – см. статью "CRC"), что обеспечивает высоконадежный механизм передачи. Физический уровень состоит из двух каналов, которые реализованы, как передающая пара и принимающая пара. Начальная скорость в 2.5 Giga transfers/second/direction обеспечивает канал связи с пропускной способностью в 200MB/s, что почти в 2 раза больше, чем у PCI.

Рис. 1.6.1 Модификации PCI-x

Наиболее скоростным интерфейсом PCI на данный момент является шина PCI-x. PCI-X является существенно доработанной версией параллельной шины Peripheral Components Interconnect (PCI). Она построена на классической шинной топологии и требует для подключения большое число дорожек/контактов. Как я уже упоминал выше, доступная пропускная способность разделяется между всеми устройствами. В отличие от обычной PCI в компьютере, имеющей ширину 32 бита, PCI-X является 64-битной шиной. В результате пропускная способность автоматически удваивается, равно как число дорожек/контактов и размеры слота. Но всё остальное, включая протоколы передачи, сигналы и типы разъёмов, обратно совместимо. То есть в слот PCI-X можно установить 32-битную карту PCI (3,3 В). Кроме того, многие 64-битные карты PCI-X могут работать в 32-битных слотах PCI, но, конечно, с заметно сниженной пропускной способностью. Но даже такое расширение шины всё равно не обеспечивало достаточную пропускную способность для профессиональных контроллеров накопителей SCSI, iSCSI, Fibre Channel, 10-Гбит/с Ethernet, InfiniBand и прочего. Поэтому группа PCI-SIG (Special Interest Group) добавила в спецификацию несколько скоростных градаций, меняющихся от PCI-X 66 до PCI-X 533. В следующей таблице дана подробная информация.

Табл. 1.6.1 Частоты и пропускные спсобности PCI-x.

Как можно видеть, по достижении 133 МГц с PCI-X 133 тактовая частота больше не возрастала. Чтобы обеспечить более высокую пропускную способность, были задействованы две технологии. PCI-X 266 опирается на технологию удвоенной передачи данных Double Data Rate, когда данные передаются на спаде и возрастании тактового импульса. PCI-X 533 заходит ещё дальше и использует учетверённую передачу данных (Quad Data Rate). Intel уже давно использует эту технологию для FSB процессоров Pentium 4 и Xeon.