Eine einfache Anleitung zu PCI Express

Was ist PCIe?

Intel benannte 3GIO am 23. Juli 2002 offiziell in Peripheral Component Interconnect Express um. Als wichtiger Zweig des Computerbusses übernahm Intel die in der Industrie weit verbreitete serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung, wodurch der Standard serieller Kommunikationssysteme verbessert wurde. Seine Schnittstelle variiert je nach Busbreite.

Die meisten Grafikkarten, SSDs, Ethernet-Hardware, WLAN und Festplattenverbindungen von PCs verwenden PCIe als Motherboard-Verbindung.

Verschiedene Versionen von PCIe

Seit der Veröffentlichung von PCI Express 1.0a im Jahr 2003 wurden nach vielen Anpassungen und Verbesserungen mehrere Versionen von PCI Express veröffentlicht, und PCI Express 6.0 sollte mittlerweile im Jahr 2021 veröffentlicht worden sein.

PCI-Express 1.0a und 1.1

PCI-SIG veröffentlichte PCIe 1.0a im Jahr 2003, die Datenrate pro Spur erreichte 250 MB/s und die Übertragungsrate 2,5 GT/s. Das 2005 eingeführte PCIe 1.1 brachte nur einige Verbesserungen, ohne die Datenrate zu erhöhen.

PCI-Express 2.0 und 2.1

Der 2007 von der PCI-SIG eingeführte PCI Express 2.0 erhöhte die Datenrate pro Spur auf 500 MB/s, so dass der 32-Lane-PCIe-Anschluss eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 16 GB/s unterstützen kann.

Darüber hinaus sind PCIe 2.0 Motherboard-Steckplätze vollständig abwärtskompatibel, während PCIe 2.0-Karten grundsätzlich abwärtskompatibel sind. PCIe 2.0 hat das Punkt-zu-Punkt Datenübertragungsprotokoll verbessert. Es kann Datenraten von bis zu 4 Gbit/s pro Spur bieten, ausgehend von einer Rohdatenrate von 5 GT/s.

PCIe 2.1 unterstützt die meisten der Verwaltungs-, Support- und Fehlerbehebungssysteme, die in PCI Express 3.0 implementiert werden, aber PCIe 2.1-Karten sind mit einigen älteren Motherboards mit 1.0/1.1a d aufgrund der höheren Leistung des Steckplatzes nicht kompatibel.

PCI Express 3.0 und 3.1

Im November 2010 führte die PCI-SIG PCI Express 3.0 mit einer Übertragungsrate von 8 GT/s ein. Das Kodierungsschema von PCIe 3.0 wurde von 8b/10b auf das effizientere 128b/130b geändert, wodurch der Bandbreiten-Overhead von 20 % im Vergleich zu PCIe 2.0 auf 1,54 % gesenkt wurde; andere Spezifikationen sind im Wesentlichen unverändert. Darüber hinaus unterstützt PCIe 3.0 auch die Abwärtskompatibilität.

Neben einer deutlichen Steigerung des Bandbreiten-Datendurchsatzes bietet PCIe 3.0 eine höhere Signalgeschwindigkeit und eine geringere Verzögerung bei der Datenübertragung. PCIe 3.0 optimiert auch die verbesserte Signalisierung und Datenintegrität.

PCIe 3.1, das im November 2014 veröffentlicht wurde, verbesserte die Energieverwaltung, Leistung und Funktionalität im Vergleich zu PCIe 3.0.

PCI Express 4.0

PCIe 4.0 ist am 8. Juni 2017 veröffentlicht worden und bietet mit 16 GT/s eine doppelt so hohe Bitrate wie PCIe 3.0 sowie Abwärts- und Vorwärtskompatibilität, verbesserte Flexibilität, Skalierbarkeit und geringen Stromverbrauch.

PCI-Express 5.0

PCI Express 5.0 ist offiziell am 29. Mai 2019 veröffentlicht worden, und die Bandbreite wurde auf 32 GT/s erhöht. In einer 16-Kanal-Konfiguration werden 63 GB/s in jeder Richtung erreicht.

PCI Express 6.0

PCIe 6.0 sollte mittlerweile im Jahr 2021 veröffentlicht worden sein, und die Bandbreite wird auf 64 GT/s steigen, mit 128 GB/s in jeder Richtung in einer 16-Kanal-Konfiguration.

Vorteile von PCIe

Der PCIe-Bus verwendet eine serielle Punkt-zu-Punkt Verbindung, was bedeutet, dass jedes PCIe-Gerät seine eigene unabhängige Datenverbindung hat und die gleichzeitige Datenübertragung zwischen den einzelnen Geräten sich nicht gegenseitig beeinflusst.

Der PCIe-Bus nutzt die serielle Verbindungsfunktion, um die Geschwindigkeit der Datenübertragung auf eine sehr hohe Frequenz zu bringen, und seine Übertragungsrate variiert je nach Bitbreite des Busses. Darüber hinaus unterstützt der PCIe-Bus einen bidirektionalen Übertragungsmodus, der höhere Übertragungsraten und -qualität bietet.

Hardware-Protokoll von PCIe

PCIe ist ein mehrschichtiges Protokoll, das aus einer Transaktionsschicht, einer Datenverbindungsschicht und einer physikalischen Schicht besteht.

Transaktionsschicht

PCIe ermöglicht es der Verbindung, anderen Datenverkehr zu übertragen, wenn das Zielgerät Antwortdaten sammelt, indem es eine geteilte Transaktionsmethode anwendet. Es verwendet eine vertrauenswürdige Flusskontrolle.

Datenverbindungsschicht

Die Datenverbindungsschicht sortiert die von der Transaktionsschicht erzeugten Pakete und kann TLP zuverlässig zwischen den beiden Endpunkten weiterleiten: Ack, das die LCRC-Prüfsummenkontinuitätsprüfung bestehen kann, wird als Ack (command correct response) bezeichnet; TLPs, die die Prüfung bestehen, werden als Nak (no answer) bezeichnet, TLPs, die nicht antworten, oder TLPs, die auf eine Zeitüberschreitung warten, werden erneut übertragen.

Physikalische Schicht

Die physikalische Schicht kann in elektrische und logische Spezifikationen unterteilt werden, die logische Spezifikation in MAC und PCS. Auf der elektrischen Ebene besteht jeder Kanal aus zwei unidirektionalen differentiellen Paaren, mit getrennten differentiellen Paaren für Senden und Empfangen, und insgesamt vier Datenleitungen pro Lane.

Die Verbindung zwischen den beiden PCIe-Geräten ist der Link. Da das Gerät wahlweise 2, 4, 8, 12, 16 oder 32 Kanal-Links unterstützen kann, gibt es zwei Möglichkeiten, eine gute Kompatibilität zu erreichen.

Anwendung von PCIe

PCIe wird in Verbraucher-, Server- und Industrieanwendungen eingesetzt. Im Jahr 2005 verwendeten fast alle Motherboards von PCs PCIe. Seit 2013 hat PCIe erfolgreich AGP als Standardschnittstelle für Grafikkarten in neuen Systemen ersetzt. PCIe wird nun in allen Arten von Netzwerkkarten, Soundkarten, Grafikkarten und aktuellen NVMe SSDs verwendet.