Новые шины. Часть 2. PCI Express на практике — что нас ожидает?
АрхивПлатформаПродолжаем разговор о шине PCI Express. Рассмотрим некоторые практические вопросы реализации этой технологии.
Продолжение. Начало см. в статье «PCI Express — общая концепция и возможности».
Читайте также в других статьях этого цикла:
• Новые шины. Часть 3. Шина HyperTransport — альтернативы нет?
• Новые шины. Часть 4. Новые технологии («четыре кита») Rambus. XDR DRAM.
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).
|
Рис. 1. Разъемы PCI Express x1 и x16 рядом с обычным PCI. |
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).
|
Рис. 2. Цоколевка слотов PCI Express x1 и x4. |
|
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. |
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. |
|
Таблица 1. Число контактов в разъемах и полоса пропускания шин PCI, PCI-X, AGP и PCI Express | |||
|
Тип слота |
Число контактов в разъеме |
Полоса пропускания, Мбайт/с | |
|
Теоретическая |
Эффективная | ||
|
PCI (32 бит 33 МГц) |
120 |
133 |
~110 |
|
PCI-X (64 бит 133 МГц) |
184 |
1064 |
~900 |
|
PCI Express x1 |
36 |
250* |
~220* |
|
PCI Express x4 |
64 |
1000* |
~800* |
|
PCI Express x8 |
98 |
2000* |
~1600* |
|
PCI Express x16 |
164 |
4000* |
~3200* |
|
PCI Express x32 |
294 |
8000* |
~6400* |
|
AGP 8x |
124 |
2133 |
~2000 |
|
* — в каждом направлении независимо. | |||
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. |
|
Мобильные графические модули MXM Недавно компания NVIDIA представила новый (открытый, предусмотрена совместимость с чипами ATI) стандарт на графические модули для ноутбуков. Он получил название MXM (Mobile PCI-Express Module). В его основе заложена шина PCI Express x16, что по идее Nvidia, должно облегчить процесс создания и модернизации видеосистем у ноутбуков. То есть это новый стандарт для ноутбучных графических плат стандарта PCI Express. На модулях MXM помимо собственно графического контроллера будут устанавливаться микросхемы памяти. Разъем MXM содержит 230 контактов, среди которых линии как для самой шины PCI Express x16, так и для других интерфейсов — LVDS, VGA, SDTV, HDTV и два DVI.
Если стандарт MXM будет принят рынком, то, используя модули MXM, ноутбуки могут быть легко модернизированы и переконфигурированы (расширение линейки продукции). Сейчас стандарт существует в виде трех разновидностей: MXM-I (70x68 мм) для легких ноутбуков, MXM-II (73x78 мм) для ноутбуков среднего класса и MXM-III (82x100 мм) для наиболее производительных систем (desktop replacement). Эти спецификации отличаются друг от друга не только размерами (форм-фактором), но и требованиями к энергопотреблению (до 18, 25 и 35 Вт, соответственно) и охлаждению графических модулей. |
PCI Express на практике. Что нас ожидает?
Итак, основные преимущества шин PCI Express — высокая производительность, упрощение и унификация процедур ввода-вывода, легкость использования (новый форм-фактор, компактность, горячее подключение), комплексная дешевизна (в перспективе не дороже «обычной» шины PCI), ориентация на нужду мультимедиа и цифрового дома, а также совершенная архитектура, позволяющая легко ускорять и улучшать шину в будущем (например, уже идет работа над технологией Advanced Switching).
|
Фото 1. |
Индустрия дружно рапортует о полной готовности к использованию шины PCI Express. Например, только во время трехдневного февральского Intel Developer Форума было более сорока пресс-релизов и демонстраций самых различных продуктов для PCI Express: от аппаратных средств отладки и системных плат на чипсетах Intel (см. фото 1) до самых разнообразных контроллеров (графических, сетевых, SCSI, InfiniBand и RapidIO). Наиболее интересными из них являются система редактирования HDTV-видео на ПК с PCI Express от ATI/Pinnacle, мультиканальная PCI Express-видеосистема HDTV от Philips, а также самый компактный в мире гигабитный Ethernet-микроконтроллер Yukon-EC от Marvell (фото 2), который уже взяли на вооружение для своих материнских плат компании ASUSTeK, ECS, Gigabyte и MSI (Intel тоже предлагает аналогичный микроконтроллер). У Nvidia и ATI уже есть свои видеокарты для PCI Express, причем у Nvida — полная линейка GeForce PCX от самых дешевых (PCX 4300) и средних (PCX 5300) до дорогих PCX 5950/5750. Неплохо обстоят дела и с серверными компонентами — там присутствуют всевозможные 1- и 10-гигабитные сетевые решения, контроллеры InfiniBand и RapidIO и SCSI-RAID контроллеры жестких дисков от Adaptec и LSI для шины PCI Express x8 (см. фото 3 и обзоры на www.terralab.ru/system/29386 и www.terralab.ru/system/32360/page2.html).
|
Фото 2. |
|
Фото 3. |
Еще больше продуктов для PCI Express было показано во время недавней выставки CeBIT 2004. Прежде всего, это многочисленные материнские платы на чипсетах Intel Alterwood и Grandsdale от всех ведущих производителей. Их официальный выход состоится, по всей видимости, в начале лета этого года. На первых десктопных материнских платах с PCI Express будут установлены один-два (изредка четыре) разъема x1 и обязательный разъем x16 для видеокарты (поскольку шина AGP этими чипсетами уже не будет поддерживаться). Кроме того, шина PCI Express будет использоваться для соединения между собой северного и южного мостов. По-прежнему на плате будет от одного до четырех-пяти слотов PCI для прежней периферии.
Чипсеты для серверов и рабочих станций на разе Intel Xeon с поддержкой PCI Express (Lindenhurst и Tumwater) тоже подготовлены, продемонстрированы Intel и партнерами в работе и вот-вот должны быть выпущены на рынок. Как и в настольных системах, шина между северным и южным мостом заменена на PCI Express, чипсет для рабочих станций имеет шину x16 вместо AGP, пара разъемов x4 соседствует с традиционными слотами PCI-X, интегрированные контроллеры частично переведены на прогрессивный стандарт. Более того, на 2005 год намечен выпуск PCI Express-систем на Intel Itanium.
Впрочем, пропускной способности обычной шины PCI (до 133 Мбайт/с) пока еще хватает для многих применений. Среди приоритетных направлений применения PCI Express можно выделить шесть основных:10
1. Трехмерные графические контроллеры (видеокарты).
2. Гигабитные и более быстрые полнодуплексные сетевые контроллеры (от 100 Мбайт/с в каждом направлении).
3. Контроллеры RAID-массивов жестких дисков (ATA, SATA и SCSI). Здесь 100–130 Мбайт/с достигаются шутя, нетрудно получить и намного большие скорости. Одно название Ultra320 SCSI говорит само за себя.
4. Сверхвысокоскоростные специализированные устройства ввода-вывода, критичные к прерываниям потока данных: индустриальные ЦАП и АЦП, контроллеры видеозахвата и видеовывода (например, HDTV).
5. Контроллеры быстрых внешних серверных соединений (FibreChannel, InfiniBand, RapidIO).
6. Внутренние соединения высокоскоростных компонентов компьютера — южного моста с северным, мостов для других шин, свитчей.
Очевидно, что большинство из этих применений пока критичны лишь для серверных и профессиональных систем, и куда менее важны для персональных - для локальной сети Fast Ethernet11 пока вполне достаточно, RAID является в наших краях довольно редким гостем (и в своем домашнем варианте неплохо уживается и с шиной PCI), а профессиональным видеомонтажом занимаются немногие. Маркетологи, правда, ухватились за четвертый пункт, но скажите, вы часто занимаетесь обработкой несжатого видеопотока, тем более — рекламируемого HDTV, требующего помимо профессиональной платы видеозахвата специальной высокопроизводительной дисковой подсистемы (диска так на четыре SCSI по 10-15K RPM), соответствующего объема памяти и процессора? Правда, PCI Express в отношении к видео и новому поколению ТВ-тюнеров имеет одно важное преимущество — она может обеспечить непрерывный одновременный двунаправленный поток данных, что важно именно для таких применений.
А отказ от использования AGP и вовсе можно назвать форменным безобразием — переход с AGP 8X на PCI Express x16, безусловно, повысит пропускную способность шины (см. таблицу 1), но ведь предыдущее удвоение скорости шины AGP (с 4x до 8x) не принесло пока сколько-нибудь видимой прибавки скорости (в большинстве тестов разница между «быстрым» и «медленным» решением с легкостью укладывается в 0,5%), так что если видеокарты на PCI Express и заработают быстрее, то по совершенно иным причинам, нежели большая «скорострельность» новой шины. Между тем форменный отказ от шины AGP (которую собираются быстро и бесшумно «похоронить»12) приведет к тому, что провести дешевый апгрейд на «топовую» конфигурацию скоро станет затруднительно. Поскольку выпускать графические чипы для обеих шин — себе в убыток, то все видеокарты будущего, скорее всего, будут исключительно в исполнении PCI Express. Производители видеокарт, правда, выкручиваются из положения, создавая специальные переходники, позволяющие «легким движением руки» сделать из AGP-видеокарты PCI-Express-вариант (подход, хорошо отработанный на SATA-винчестерах) и наоборот — «переносить» новые варианты на старую шину.13 Первый подход пока больше свойственен NVIDIA с HSI Bridge14, горячий сторонник второго — канадская ATI. В любом случае подход явно искусственный и, скорее всего, ничего хорошего пользователям не сулящий (возросшие цены, возможные проблемы совместимости, отсутствие всех преимуществ «полноценного» PCI Express). Единственное реальное преимущество — видеокарте больше не потребуется дополнительный коннектор питания. Читать дальше >>>
10. Особо подчеркнем, что технология PCI Express НЕ предназначена для связи процессора, системной памяти и кластеров между собой. [вернуться]
11. В крайнем случае — Gigabit Ethernet, стесненного рамками PCI. [вернуться]
12. Если получится, конечно. Вот PS/2 хоронят уже сколько лет… [вернуться]
13. Intel также выпустила Serial-to-Parallel PCI Bridge — Host Bus Adapter (HBA) 41210, позволяющий подключать к шине PCI Express x8 или x4 две независимые шины (канала, сегмента) PCI или PCI-X (вплоть до PCI 2.3 и PCI-X 133 МГц v1.0a) и шину SMbus. Арбитр поддерживает до шести Bus-master-устройств (слотов) для каждого параллельного канала и горячее подключение для шины PCI Express с удобной утилитой конфигурирования подключенных под Windows. Мост Intel 41210 является чисто аппаратным решением, то есть не требует установки специальных драйверов для работы в режиме совместимости. [вернуться]
14. Впрочем, этот чип универсален — позволяет и AGP > PCI Express осуществлять, и наоборот. [вернуться]
Краткие итоги
Как бы мы не относились к новой шине, постепенный переход на PCI Express практически неизбежен. Технология очень интересная, с огромным потенциалом и отличными возможностями — прекрасный преемник «старичка» Peripheral Component Interconnect на ближайшие 8–10 лет. Возможно, чуть преждевременная для «обычных пользователей», но совершенно неизбежная. Если же рассматривать возможных конкурентов — шины PCI-X, HyperTransport (о ней — в следующей статье) или RapidIO, то война не состоится — уж слишком все эти шины различны и нацелены каждая на свой «кусок пирога» (сегмент рынка), хотя у PCI Express этот «кусок», безусловно, самый смачный, а применение остальных шин достаточно специфично.15 AMD уже поддержала стандарт PCI Express (продолжая развитие своего HT, разумеется). Так и напрашивается аналогия с противостоянием замечательного интерфейса FireWire (IEEE1394/b) и USB 2.0. Первый всем был хорош, да только так и остался узкоспециализированным решением, задавленным бесплатным «ставленником» Intel. Что касается возможности применения PCI Express в качестве шины памяти или процессора (системной), то это совершенно отпадает, поскольку ее текущие возможности (максимум 6,4 Гбайт/с) явно не способны удовлетворить будущим запросам эти шин. В этом смысле, шинам AMD HyperTransport и Rambus Redwood/XDR явно нечего бояться.
См. далее «Часть 3. Шина HyperTransport — альтернативы нет?»
Предлагаем обсудить этот материал в нашем форуме
15. Поскольку активно продвигаемая Intel несколько лет назад шина InfiniBand также имеет непосредственное отношение к быстрым последовательным межсоединениям, возникает желание как-то соотнести ее с PCI Express. Соотнести не получается — две технологии не имеют ничего общего не эволюционно, ни конструктивно. InfiniBand — это стандарт межсоединений для кластеров, который должен прийти на смену Myrinet и SCI. [вернуться]
