Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) широко
используется в качестве универсальной шины
ввода/вывода уже на протяжении более десяти
лет, однако сегодня она уже вплотную
подошла к своим пределам. Расширения
стандарта PCI, типа 64-битных слотов и
тактовой частоты 66 МГц или 100 МГц, слишком
дороги и вряд ли успеют угнаться за
растущими потребностями в высокой
пропускной способности в следующие
несколько лет. В качестве замены
устаревающей PCI выдвинута шина ввода/вывода
третьего поколения (3rd Generation IO, 3GIO), которая
не так давно была переименована в PCI Express.
Новейшая история
Спецификация PCI 1.0 была выдвинута Intel в
далёком 1991 году. Разработкой PCI занималась
группа PCI Special Interest Group, в результате работы
которой уже в мае 1993 года появилась версия
PCI 2.0. Главным конкурентом новой шины
являлась VESA Local Bus (VL-bus или VLB), разработанная
Ассоциацией по стандартам в области
видеоэлектроники (Video Electronics Standards Association) и
представлявшая собой 32-битную шину, которая
использовала третий и четвёртый разъём в
виде продолжения обычного слота ISA. Шина
работала на номинальной частоте 33 МГц и
обеспечивала существенный прирост
производительности по сравнению с ISA.
Поскольку шина VLB работает синхронно с
процессором, увеличение частоты процессора
приводило к появлению проблем с периферией
VLB. Чем быстрее должна была работать
периферия, тем она дороже стоила по причине
трудностей, связанных с производством
высокоскоростных компонент. Лишь немногие
устройства VLB поддерживали скорость выше 40
МГц.
Шина PCI обладала несколькими
преимуществами по сравнению с VLB. Она была
разработана в качестве промежуточного
решения: PCI являлась отдельной шиной,
изолированной от процессора, однако она
сохранила доступ к основной памяти. Шина
получила возможность асинхронной работы от
процессора с номинальными частотами 25 МГц,
30 МГц и 33 МГц. По мере роста скоростей
процессора частота шины PCI могла оставаться
постоянной и составлять какую-то долю от
шины FSB. Шина поддерживала удвоенное число
слотов и/или периферийных устройств по
сравнению с VLB - пять или больше, без всяких
ограничений частоты или буферизации.
Другие "умные" функции облегчали
использование PCI. Технология Plug and Play
позволяла производитель автоматическую
конфигурацию периферии без настройки IRQ, DMA
и адресов ввода/вывода через перемычки. К
тому же шина поддерживала разделяемые
между несколькими устройствами IRQ, а также и
свою собственную систему прерываний (она
скрывается за обозначениями #A, #B, #C и #D).
Наконец, управление шиной PCI (PCI bus mastering)
позволяло устройствами на шине получать
контроль над ней и производить прямые
передачи информации без участия процессора.
В результате снижались задержки и нагрузка
на процессор.
Введение шины вместе с процессором Pentium,
усиленное очевидными преимуществами над
конкурентами, позволило PCI выиграть войну
шин и стать доминирующим стандартом в 1994
году. С тех пор практически все
периферийные устройства, от контроллеров
жёстких дисков и звуковых карт до видеокарт
и сетевых плат, базировались на шине PCI.
С распространением массивов RAID,
гигабитного Ethernet и других устройств с
высокой пропускной способностью на
системах потребительского класса,
пропускной способности PCI в 133 Мбайт/с стало
не хватать. Производители чипсетов
предвидели эти ограничения и вносили в свою
продукцию различные изменения, чтобы снять
часть нагрузки с шины PCI.
До 1997 года графическая подсистема
наиболее сильно нагружала шину PCI. Выпуск
вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного
графического порта AGP (Accelerated Graphics Port)
послужил двум целям: увеличить графическую
производительность и убрать графические
данные с шины PCI. Однако AGP явился лишь
первым шагом в деле уменьшения нагрузки
шины PCI. После этого производителям
чипсетов пришлось переделать связь между
северным и южным мостом. Старые чипсеты,
типа линейки Intel 440, использовали шину PCI для
связи между мостами. Шине PCI приходилось не
только передавать информацию между мостами,
но и обслуживать другие устройства PCI, в том
числе IDE, Super I/O (параллельный и
последовательный порты, PS/2), а также USB.
Чтобы исправить ситуацию, Intel VIA и SiS стали
использовать для связи северного и южного
мостов специальную высокоскоростную линию,
а затем перенесли IDE, Super I/O и USB на
собственные выделенные линии к южному
мосту.
Наконец, в апреле Intel анонсировала
архитектуру CSA, поддерживаемую северным
мостом чипсетов i875/i865, убрав гигабитный
Ethernet с шины PCI.
Если AGP, CSA, Intel Hub Link, VIA V-Link и SiS MuTIOL можно
назвать относительно успешными решениями в
деле снятия нагрузки с шины PCI, они являются
лишь промежуточными вехами.
Новая шина
Шина PCI Express, ранее известная как шина
ввода/вывода третьего поколения (3rd Generation I/O,
3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на
себя задачу по связи компонентов внутри
компьютера на ближайшие десять лет. Она
разработана с учётом применения на
множестве сегментов рынка, в роли единой
архитектуры ввода/вывода для настольных ПК,
мобильных решений, серверов, устройств
связи, рабочих станций и встроенных
устройств. Напомним, что оригинальная
спецификация разрабатывалась только для
сегмента настольных ПК.
Что касается стоимости внедрения, то
новая шина призвана соответствовать уровню
PCI или даже быть ниже него. Последовательная
шина требует наличия меньшего числа
проводников на печатной плате, облегчая
дизайн платы и увеличивая его
эффективность - ведь освободившееся место
можно использовать для других компонентов.
Шина поддерживает совместимость с PCI на
программном уровне, то есть существующие
операционные системы будут загружаться без
каких-либо изменений. Кроме того,
конфигурация и драйверы устройств PCI Express
будут совместимы с существующими PCI-вариантами.
Масштабируемость производительности
достигается через повышение частоты и
добавление линий к шине. PCI Express призвана
обеспечить высокую пропускную способность
на контакт с низким количеством служебной
информации и низкими задержками.
Поддерживаются несколько виртуальных
каналов на один физический.
Шина может работать и в качестве
соединения "точка-точка", когда
устройства не разделяют общую шину.
Среди других преимуществ следует
отметить:
- возможность эффективно работать с
различными структурами данных;
- низкое энергопотребление и поддержку
функций энергосбережения;
- качество стратегий обслуживания;
- поддержку "горячей замены" и "горячей
установки" устройств;
- обеспечение целостности данных и
обнаружение ошибок на нескольких уровнях;
- изохронную передачу данных;
- узловую передачу при использовании
чипов-мостов и одноранговую передачу с
помощью коммутаторов;
- многоуровневую технологию с поддержкой
пакетной коммутации.
На самом деле PCI Express представляет собой
целый аппаратный комплекс, затрагивающий
северный/южный мост, коммутатор и конечные
устройства. Новым термином здесь является
коммутатор (switch). Он заменяет шину с
множественными подключениями
коммутируемой технологией. Коммутатор
обеспечивает одноранговую связь между
различными конечными устройствами, то есть
предотвращает попадание излишнего трафика
к мосту.
Архитектура PCI Express состоит из уровней, что
облегчает кросс-платформенный дизайн.
В самом низу находится физический уровень
(Physical Layer). Основной физический принцип
связи PCI Express заключается в использовании
двух дифференциальных сигналов с низким
напряжением для приёма и для передачи.
Встраивание сигнала данных с помощью схемы
кодирования 8/10b позволяет достичь высоких
скоростей передачи. Изначальная пропускная
способность составляет 2,5 Гбит/с в каждом
направлении, причём по мере развития
кремниевых технологий скорость передачи
будет расти. Возможно достижение
пропускной способности 10 Гбит/с в обоих
направлениях.
Одна из наиболее впечатляющих функций PCI
Express заключается в возможности
масштабирования скорости, используя
несколько линий передачи. Физический
уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8,
X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким
линиям прозрачна для остальных слоёв.
Канальный уровень (Data Link Layer) гарантирует
надёжную передачу и целостность данных для
каждого пакета, переданного по связи PCI Express.
Помимо использования нумерации пакетов и
контрольной суммы CRC канальный уровень
применяет протокол управления потоком с
разрешениями на передачу, который передаёт
данные только в случае готовности буфера
приёма на принимающей стороне. В результате
этого число повторов пакетов снижается, что
позволяет более эффективно использовать
пропускную способность шины. Ошибочные
пакеты передаются повторно.
Уровень транзакций (Transaction Layer) создаёт
пакеты и передаёт информацию от
программного уровня на канальный уровень в
виде отдельных транзакций. Каждый пакет
имеет уникальный идентификатор, также
уровень поддерживает 32-битную или
расширенную 64-битную адресацию памяти.
Дополнительные функции включают
"no-snoop", "relaxed ordering" и установку
приоритетов, что позволяет осуществлять
маршрутизацию и задавать качество
обслуживания QOS.
Более того, уровень транзакций знаком с
четырьмя адресными пространствами: память,
пространство ввода/вывода,
конфигурационное пространство (три этих
пространства уже существовали в
спецификации PCI) и новое пространство
сообщений Message Space. Последнее позволяет
заменить сигналы боковой полосы частот
(side-band) в спецификации PCI 2.2 и убрать все "специальные
циклы" старого формата. Сюда относятся
прерывания, запросы управления
энергосбережением и сброс.
Наконец, программный уровень (Software Layer)
отвечает за программную совместимость.
Процесс инициализации и работы с
устройствами шины остался неизменным по
сравнению с PCI, что позволяет существующим
операционным системам поддерживать PCI Express
без всяких изменений. Устройства
нумеруются таким образом, чтобы
операционная система смогла обнаружить их
и выделить необходимые ресурсы, в то время
как работа с шиной построена на модели PCI
загрузка-сохранение с разделяемой памятью.
Впрочем, нам ещё предстоит увидеть, будет ли
требоваться модификация на самом деле,
поскольку "поддержка PCI Express" заявлена
как одна из функций следующей операционной
системы Microsoft с кодовым названием Longhorn.
Тонкий намёк, что предыдущие операционные
системы могут и не поддерживать PCI Express.
Среди других инноваций следует отметить
использование отсеков устройств,
позволяющих осуществлять "горячую
замену".
Мобильные пользователи не остались без
внимания, поскольку для них предложен новый
стандарт PCMCIA с кодовым названием NEWCARD. Форм-фактор
нового стандарта таков, что карта NEWCARD
практически в два раза уже одной карты CardBus.
К сожалению, стандарт не предназначен для
поддержки графических решений, так что
пользователи ноутбуков вряд ли смогут
модернизировать свои видеокарты. Однако
возможности расширения относительно
других устройств практически безграничны.
Поскольку PCI Express обеспечивает скорость
передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина
является очень эффективным решением по
отношению стоимость/число контактов.
На повестке дня находится ещё один вопрос:
начнёт ли PCI Express новую войну шин с другими
решениями типа PCI-X и HyperTransport? Рабочая группа
PCI Express, Arapahoe, утверждает, что эти шины
нацелены на другие области. RapidIO и HyperTransport
были разработаны для специфических
применений, в то время как PCI Express выступает
в роли универсального варианта.
Вряд ли PCI Express сможет заменить HyperTransport в
качестве связи между процессорами. PCI Express
не хватает протокола когерентности кэшей, к
тому же шина обладает более длительными
задержками, чем параллельные проводники с
синхронизацией по источнику. Очевидно, что
AMD и nVidia бояться нечего.
Заключение
PCI Express обладает великолепным потенциалом.
Шина позиционируется как универсальное
решение для связи компонентов платы и имеет
очевидные преимущества по гибкости, что
гарантирует её пригодность для широкого
диапазона вариантов реализации.
Как и другие важные изменения, переход с PCI
на PCI Express не случится за одну ночь. Слоты ISA
жили на платах почти 10 лет, перед тем как они
наконец-то исчезли. Так что не следует
полагать, что периферия PCI скоро отомрёт.
Спецификации PCI Express Base 1.0a Specification и Card
Electromechanical 1.0a Specification уже утверждены, хотя
вряд ли мы увидим какие-либо решения на базе
PCI Express до 2004 года. Вероятно, первыми
появятся видеокарты от nVidia и ATi,
сопровождаемые материнскими платами на
новом чипсете Grantsdale от Intel. Что касается
серверной стороны рынка, Intel планирует
выпустить PCI Express в паре с чипсетами Lindenhurst и
Twin Castle. Будущее выглядит в радужных тонах,
на что немало влияют новые форм-факторы и
потенциально высокая производительность.
| 
