2020-01-15
146
В плане практической реализации шина PCI Express представляет собой целый аппаратный комплекс, затрагивающий северный и южный мосты чипсета, коммутатор и конечные устройства. Новым термином здесь является коммутатор (switch). Он заменяет одну шину с множественными подключениями коммутируемой технологией (рис. 7).
Рис. 7. Обобщенная схема использования шин и устройств PCI Express в компьютере или сервере.
Шины PCI Express показаны оранжевым цветом.
Коммутатор обеспечивает одноранговую связь между различными конечными устройствами, то есть предотвращает попадание излишнего трафика к мосту. PCI Express призвана обеспечить высокую пропускную способность на контакт с низким количеством служебной информации и низкими задержками. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический.
Примерные схемы включения PCI Express в различные типовые вычислительные системы выглядят следующим образом (на рисунках шины PCI Express показаны оранжевыми линиями).
Рис. 8. Использование PCI Express в настольных компьютерах.
Шины PCI Express показаны оранжевым цветом.
В «десктопных» системах шина PCI-Express 16x в первую очередь вытеснит AGP 8x в качестве «графиеской шины», соединяющей видеокарту и северный мост чипсета. Во вторую очередь на PCI-Express пересадят многие интегрированные устройства — гигабитный сетевой контроллер, RAID-контроллер и прочие. К обычным PCI-слотам добавят пару PCI-Express x1. В качестве межчипсетной шины (соединяющей мосты чипсета) PCI Express будет выступать вместе со старыми шинами (Intel HubLink, VIA VLink, SiS MuTIOL) — производители чипсетов пока не желают отказываться от своих проприетарных шин.
С серверными архитектурами все проще — там не предусматривается традиционной «двухмостовой» чипсетной схемы. На PCI-Express переведут интегрированные гигабитные сетевые контроллеры; традиционные периферийные шины (PCI-X, SATA, LPC) сохранятся, но к чипсету будут подключаться через специальные мосты на шину PCI Express. Аналогичная схема предусмотрена для сетевых решений — но в силу специфики периферии там новая шина вытеснит практически все остальные.
Рис. 9. Использование PCI Express в серверных системах.
Шины PCI Express показаны оранжевым цветом.
Рис. 10. Использование PCI для сетевых коммуникаторов.
Шины PCI Express показаны пурпурным цветом.
Как видно из этих рисунков, PCI Express предполагается использовать для связи всех ключевых компонентов системы, кроме «внешних» (USB 2.0) и накопителей на магнитных дисках (SATA как более подходящий для работы именно с HDD). Некоторое время слоты PCI и PCI-X продолжат свое существование (они будут подключаться через специальные мосты PCI-to-PCI Express), но почти все интегрированные контроллеры будут подключаться уже с использованием PCI Express. В том числе, PCI Express свяжет между собой северный и южный мосты чипсета. Поскольку реализация что шины AGP, что предназначающейся ей на смену PCI Express x16 требует весьма сложной разводки9, то слот AGP из будущих чипсетов исчезнет полностью. Впрочем, SiS, VIA и ALi/ULi на первых порах будут выпускать чипсеты с шиной AGP и PCI Express x1, но без PCI Express x16. Например, на фото показан сэмпл платы на одном из таких новых чипсетов от ALi.
Рис. 11. Чипсет ALi M1683 с южным мостом ALi M1566 для Pentium 4 с шинами AGP и PCI Express x1.
Разъемы PCI Express
Разъемы PCI Express по ширине и форме не сильно отличаются от PCI и располагаются в тех же местах на системной плате (фото 1).
Условно разъем делится на две части — через первую (она ближе к задней стенке корпуса) поступает питание, а вторая (близкая к чипсету и отделенная ключом) — собственно интерфейсная (рис. 2).
Аббревиатуры: GND (Ground) — «земля», SMCLK и SMDAT — (System Management Bus) Clock и Data — опорный сигнал и сигнал данных, JTAG1-JTAG5 — контакты интерфейса JTAG, WAKE# — линия сигнала пробуждения устройства, PRSNTn# — (Present) — n-я линия обнаружения установленной платы PCI Express (по одной на каждый уровень — x1, x4, x8, x16), PWRGD — Power Good, REFCLK — Reference Clock, опорный тактовый сигнал шины, HSIp(k)-HSIn(k) — k-я линия приема данных, HSOp(k)-HSOn(k) — k-я линия передачи данных.
Рис. 1. Разъемы PCI Express x1 и x16 рядом с обычным PCI.
Рис. 2. Цоколевка слотов PCI Express x1 и x4.
Желтым цветом обозначены контакты,
по которым передаются данные.
Важным отличием является то, что длина интерфейсной части разъемов PCI Express варьируется в зависимости от числа линий — x1 совсем крошечная, x16 сопоставима по размерам с обычным слотом PCI или AGP, ну а слот x32 по размерам получится даже больше разъемов PCI-X (см. таблицу 1 и фото 3). Впрочем, в реальных устройствах x32 мы увидим еще не скоро. Установить более быструю плату в более медленный разъем (x4 в x1, например) не получится — она просто туда не влезет; а вот установка «медленной» платы (например, x1) в «быстрый» слот (x4, x8 или x16) не должна вызывать проблем (при этом она, естественно, будет работать на низшей скорости).
Рис. 4. Разъемы PCI Express. Слева направо и снизу вверх: x1, x4, x8, x16 и x32.
Вверху — ExpressCard двух размеров.
На каждую пару сигнальных проводников в разъемах PCI Express приходится по две «земли», экранирующих данную линию. За счет этого количество контактов разъема возрастает, хотя если сопоставить число контактов у шин PCI Express и соответствующих им по быстродействию параллельных шин, выигрыш будет очевидным (см. таблицу 1). Помимо них, естественно, разводится питание +12 и +3,3 вольт (уровень +5 В теперь отсутствует), линия «дежурного» питания (тоже 3,3 В) и некоторые специальные линии — SMBus, JTag (рис. 2). Точно так же, как линии приема и передачи разводятся дифференциальные линии передачи тактового сигнала REFCLK (два проводника и две земли, хотя этот сигнал не используется при передаче данных). Для реализации «горячего подключения» и определения типа установленной карты разводятся линии обнаружения карты PRSNT; для реализации «спящего режима» — линия «пробуждения» WAKE. Конечно, для внутрисистемных межсоединений эти линии можно не разводить; впрочем, они и занимают не так уж много места. И уж во всяком случае, разводить несколько независимых линий по два проводника + «земля» проще, нежели одну широкую шину.
В число «приятных особенностей» новых слотов без сомнения можно отнести изначально присутствующую возможность «горячего подключения» устройств — это нужно, в основном, для серверных и мобильных систем. В будущем обещают появление специальных боксов для удобной установки новых устройств «на лету» и для обычной персоналки. Еще из приятного — сильно возросшие возможности схем питания: на слот x1 подается до 10 ватт, на слот x4 — до 25 ватт, а на x16 — аж до 75 ватт, причем стандартом предусмотрена возможность установки на материнскую плату второго коннектора питания, аналогичного тому, который уже присутствует в разъеме. Суммарно эти два коннектора прокормят настоящую печку — до 140 ватт почти любой из современных видеокарт еще достаточно далеко. Соответственно изменятся требования и к системе питания компьютеров: стандартный 20-контактный разъем питания ATX 2.01 увеличивается на четыре контакта (усиление шин +12, 5,0 и +3,3 вольт), а необходимая мощность блоков питания устанавливается на уровне 300 Вт.
Стандартизованы и размеры для карт PCI Express — их высота составит 106,7 мм; длина — произвольная, но не более 312 мм (и, кстати, судя по фотографиям серверных RAID-контроллеров, это, похоже, не предел). Как и с PCI, предусмотрен «узкий» low-profile-вариант (64,4мм). Кроме того, разъемы PCI Express смогут иметь специальные защелки для надежного крепления карт.
Ну а мобильные пользователи получат превосходную замену старой доброй PCMCIA (CardBus) в виде вдвое более компактной ExpressCard, где достоинства PCI Express проявятся в полной мере — скорость работы намного вырастет (до уровня шины PCI Express x1), карты можно будет безбоязненно вставлять и вынимать не выключая ноутбук, уже есть вариант платы двойной ширины — с двумя разъемами, она имеет ширину прежней PCMCIA (см. фото 3 и 4).
Рис. 4. Карты ExpressCard двойной и одинарной ширины.
