Kako funkcionira PCI-Express

PCI ili “Peripheral Component Interconnect” (spoj perifernih komponenti) je toliko standardni dio računalne arhiteture, da ga većina ljudi uzima zdravo za gotovo. Godinama je PCI sabirbnica bila funkcionalan način za spajanje zvuka, videa i mreže na matičnu ploču.

No PCI ima i svojih nedostataka. Dok su procesori, grafičke kartice, zvučne i mrežne kartice napredovali kroz vrijeme, PCI je ostao isti. Ima fiksnu širinu od 32 bita i može podnjeti samo 5 uređaja u isto vrijeme. Novija, 64-bitna PCI-X sabirnica pruža veću širinu frekvencijskog pojasa, ali ta išta širina nagomilava probleme koji se pojavljuju kod PCI.

Noviji protokol, pod nazivom PCI Express (PCIe) uklanja većinu tih nedostaka, pruža veću širinu frekvencijskog pojasa i kompatibilan je sa najnovijim operacijskim sustavima. U ovom članku ćemo razjasniti po čemu se razlikuju PCI i PCIe. Također ćemo pogledati kako PCI Express ubrzava računalo, kako može poboljšati grafičke performanse, i zašto je zamjenio AGP utor.

Serijska veza visoke brzine

U bližoj povijesti računala, velike količine podataka su se premještale putem serijskih veza. Računala su razdvajala podatke u manje pakete i potom premještala pakete s jednog mjesta na drugo, jedan po jedan. Serijske veze su pouzdane, ali mana im je sporost, pa su proizvođači počeli koristiti paralelne veze kako bi slali više paketa istovremeno.

Otkrilo se da i paralelne veze imaju svoje probleme kad brzine postaju sve veće i veće, primjerice, žice mogu proizvoditi elektromagnetske smetnje, pa smo se sad vratili na visoko, optimizirane serijske veze. Mnogobrojna poboljšanja u hardveru i procesu podjele, označavanja i sastavljanja paketa, su omogućila mnogo brže serijske veze, kao što su USB 2.0 i FireWire.

PCI Express je serijska veza koja radi više na principu mreže, a ne sabirnice. Umjesto jedne sabirnice koja rukuje s podacima iz više različitih izvora, PCIe ima prekidač koji kontrolira nekoliko serijski veza tipa “od točke do točke”. Te veze vode izravno u uređaje kojima su namjenjeni podaci. Svaki uređaj ima vlastitu vezu, pa zato više ne moraju djeliti širinu frekventnog pojasa, kao što su to radili putem normalne sabirnice.

PCI Express kanali

Kad se računalo upali, PCIe očitava koji uređaji su spojeni na matičnu ploču. Tada identificira kanale između uređaja i tako mapira gdje će promet ići i određuje širinu svakog kanala. Ova identifikacija uređaja i veza je isti protokol koji PCI korisit, pa PCIe ne iziskuje promjene softvera ili operacijskog sustava.

Svaki PCI Express kanal se sastoji od dva para žica, jedan par za slanje, a drugi za primanje. Podatkovni paketi se kreću u kanalu brzinom od jednog bita po krugu. x1 veza, koja je najmajna PCIe veza, ima jedan kanal koji se sastoji od četiri žice. Ona prenosi jedan bit po krugu, u oba smjera. x2 veza se sastoji od osam žica i odašilje dva bita odjednom, x4 veza šalje četiri bita, i dalje na isti način. Ostale konfiguracije su x12, x16 i x32.

Na slici su prikazani slijedeći PCI slotovi, odozgo prema dole:

PCI Express je dostupan za stolna računala i laptope. Njegovo korištenje može smanjiti troškove proizvodnje matične ploče, jer njegove veze sadrže manje pinova od PCI veze. Također može potencijalno podržavati više uređaja, uključujući Ethernet kartice, USB 2.0 i video kartice.

Ali kako jedna serijska veza može biti brža od 32 žice koje ima PCI ili 64 žice koje ima PCIx? U nastavku ćemo pogledati kako PCIe može ostvariti veću širinu frekventnog pojasa u serijskom obliku.

Dva po dva

Ono ‘x’ u nazivu „x16“ možemo tumačiti kao znak množenja. PCIe veze su umnošci s brojem jedan, dva, četiri i tako dalje.

Brzina PCIe veze

32-bitna PCI sabirnica ima maksimalnu brzinu od 33 MHz, što omogućava prolaz 133MB podataka kroz sabirncu u jednoj sekundi. 64-bitna PCI-X sabirnica je dvostruko šira od PCI sabirnice. Različite PCI-X specifikacije omogućavaju različite brzine prijenosa podataka, od 512MB do 1GB u sekundi.

Jedan PCI Express kanal, s druge strane, može upravljati s 200MB prometa u oba smjera u sekundi. x16 PCI veza može prenositi nevjerovatnih 6.4GB podataka u sekundi u oba smjera. Pri ovim brzinama, x1 veza može bez problema upravljati s gigabitnim ethernetom, ali i ostalim aplikacijama na različitim uređajima. x16 veza može lako upravljati sa zahtjevnim grafičkim karticama, koje šalju veliki protok podataka.

Kako je ovo moguće? Nekoliko jednostavnih otkrića su omogućili ovaj ogroman skok u brzini povezivanja:

• Određivanje prioriteta podataka, čime se omogućuje rukovanje, najprije najvažnijim podacima, kako bi se spriječilo „začepljivanje“

• Prijenosi podataka na temelju realnog vremena

• Poboljšanja u fizičkim materijalima od kojih su sačinjene veze

• Bolja detekcija grešaka

• Bolje metode raspodjele podataka u pakete i ponovnog sastavljanja tih paketa. Također, pošto svaki uređaj ima svoj vlastiti prekidač veze “od točke do točke”, signali iz različitih izvora više ne moraju putovati kroz istu sabirnicu.

Usporavanje sabirnice

Smetnje i gubitak signala su vrlo česti kod paralelnih veza. Loši materijali i isprepleteni signali iz susjednih žica stvaraju “šum”, što usporava vezu. Dodatna širina frekventnog pojasa PCI-X sabirnice znači više podataka i više šuma. PCI protokol ne određuje prioritet podataka, pa se važniji podaci mogu naći u stanju čekanja. Koristeći Accelerated Graphics Port (spomenuti AGP) utor za grafičke kartice, drastično se smanjuje količina prometa, tako da nemože zadovoljiti današnje brže procesore i ostale I/O uređaje.

Ustanovili smo da PCIe može eliminirati potrebu za AGP sabirnicom. x16 PCIe sabirnica može preuzeti mnogo više podatak u sekundi, nego što to mogu trenutne AGP x8. K tome, x16 PCIe utor može pružiti 75 watta električne energije grafičkoj kartici. AGP x8 veza može samo 25, odnosno 42 watta. Ali to nije sve, PCI expres ima još aduta u sebi za najnovije i buduće grafičke tehnologije.

S adekvatnim hardverom, matična ploča s dva x16 PCIe utora može podržavati dvije grafičke kartice u isto vrijeme. Nekoliko proizvođača, već neko v rijeme, razvija i lansira sustave koji iskorištavaju ovu prednost:

Nvidia Scalable Lin Interface (SLI): S matičnom pločom koja podržava SLI, dvije SLI grafičke kartice i SLI konektorom, korisnik može spojiti dvije grafičke kartice u jedan sustav. Kartice rade zajedno na način da podjele ekran po pola. Svaka od njih upravlja polovicom ekrana a konektori se brinu da sve bude sinkronizirano.

ATI CrossFire: Dvije ATI Radeon grafičke kartice, jedna s kompozitnim čipom, spojene u kompatibilnu matičnu ploču. ATI tehnologija se fokusira na kvalitetu slike i ne zahtjeva dvije identične grafičke kartice. S druge strane, sustav s visokim performansama moraju imati identične grafičke kartice. Crossfire djeli posao grafičke obrade na jedan od tri načina:

• Djeljenjem ekrana po pola, svakoj kartici jedna polovica (tzv. „scissoring“)

• Podjelom ekrana na pločice (poput šahovske ploče), na način da jedna kartica obrađuje „bijela polja“, a druga kartica „crna“.

• Na način na svaka kartica obrađuje svaki drugi okvir

Alienware Video Array: Dvije serijske kartice se kombiniraju s Video Merger Hub čvorištem i pripadajućim softverom. Ovaj sustav koristi specijalizirano hlađenje i napajanje, kako bi podnjeo svu toplinu i energiju koju proizvode grafičke kartice. Ova tehnologija može podržati čak četiri grafičke kartice istovremeno.

Pošto su PCI, PCI-X i PCIe međusobno kompatibilni, sva tri mogu zajedno postojati. Zasad su grafičke kartice učinile brz prelaz na PCIe format, zbog velike potrebe za PCI expres mogućnostima. Mrežne i zvučne kartice, ali i ostali periferni uređaji nisu toliko brzi što se tiče prelaza. No pošto je PCIe kompatibilan sa svim trenutnim operativnim sustavima i pruža veće brzine, vrlo je vjerojatno da će potpuno zamjeniti PCI kao standard.

Što se tiče veličine…

Manje PCIe kartice će pristajati u veće PCIe uore. Računalo će jednostavno zanemariti dodatne spojeve. Primjerice, x4 kartica se može uključiti u x16 utor. Međutim, x16 kartica će biti preširoka za x4 utor.

Piše: S.M.