Архитектура и пропускная способность
Архитектура PCIe определяет количество и тип линий передачи данных между устройствами. В случае PCIe x16 это 16 линий, а в случае PCIe x8 – 8 линий. Это означает, что устройство, подключенное к слоту PCIe x16, имеет больше доступной пропускной способности, чем устройство, подключенное к слоту PCIe x8. Разница в количестве линий приводит к различию в пропускной способности и возможностях подключенных устройств.
Пропускная способность шины определяется скоростью передачи данных между устройствами
Высокая пропускная способность позволяет обрабатывать большое количество данных в короткие промежутки времени, что может быть важно при использовании графических карт или других высокопроизводительных устройств
Важно отметить, что не все устройства требуют высокой пропускной способности, поэтому выбор между PCIe x16 и PCIe x8 может зависеть от конкретных потребностей и возможностей. Например, для подключения старых периферийных устройств достаточно будет PCIe x8, а для использования современных графических карт может потребоваться PCIe x16
Снизится ли скорость работы видеокарты PCI Express 3.0 на PCI Express 2.0
Часто появляется вопрос о том, теряется ли мощность устройств при использовании шины более низкого поколения. Например, что будет, если мы поставим видеокарту PCE Express 3.0 на материнскую плату с PCI Express 2.0.
Во-первых, все будет работать, так как шины совместимы, но насколько быстро? Здесь все зависит от мощности устройства, а именно, видеокарты. Если вы ставите среднюю или топовую видео карту, то внимательно посмотрите на скорость работы оперативной памяти, количество и частоту работы процессора. Возможно, пропускной способности шины PCI Express 2.0 просто не хватит для работы видео карты на 100%.
На моем личном опыте с видеокартой Radeon RX 580, падение мощности на стандарте PCI Express 2.0 по сравнению с использованием PCI Express 3.0 было примерно на 25-30%. Эта цифра тоже относительна, так как поменялась не только материнская плата, но и центральный процессор, частота оперативной памяти. Но можно отметить то, что по данным теста центральный процессор практически не использовался. Но также нужно брать в расчет возможности центрального процессора и оперативной памяти. Так как эта цифра будет изменяться. Естественно, если у вас бюджетная видеокарта, рассчитанная на обычную работу с компьютером, то падение скорости будет на 0.5 – 1%, так как пропускной способности стандарта PCI Express 2.0 будет более, чем достаточно.
Стандарт PCI Express является одной из основ современных компьютеров. Слоты PCI Express уже давно занимают прочное место на любой материнской плате декстопного компьютера, вытесняя другие стандарты, например, такие как PCI. Но даже стандарт PCI Express имеет свои разновидности и отличающийся друг от друга характер подключения. На новых материнских платах, начиная примерно с 2010 года, можно увидеть на одной материнской плате целую россыпь портов, обозначенных как PCIE или PCI-E, которые могут отличаться по количеству линий: одной x1 или нескольких x2, x4, x8, x12, x16 и x32.
Итак, давайте выясним почему такая путаница среди казалось бы простого периферийного порта PCI Express. И какое предназначение у каждого стандарта PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32?
Каковы различные форматы PCI Express?
Показаны различные контроллеры на материнской плате
Express x1 … Express 3.0 … Express x16. Что означает «х»? Как узнаете, поддерживает ли ваш пк? Если есть карта
PCI Express x1, и есть только разъем Express x16, совместимо ли это работает? Если нет, каковы ваши варианты?
Часто не совсем понятно, когда вы покупаете карту расширения для своего компьютера, такую как новая видеокарта, какая из различных технологий PCIe работает
с вашим пк лучше, чем другая.
Однако, насколько это сложно, все выглядит довольно просто, как только вы поймете две важные части информации о высокоскоростном порте: часть, описывающую физический размер,
и часть, описывающую технологическую версию, как описано ниже.
Вторая модификация PCI-E
На смену первому поколению данного графического интерфейса в 2007 году пришел PCI-E 2. 0 x16. Видеокарты 2-го поколения, как было отмечено ранее, физически и программно были совместимы с первой модификацией этого интерфейса. Только в таком случае существенно снижалось быстродействие графической системы до уровня версии интерфейса PCI Express 1.0 16х.
Теоретически предел передачи информации в этом случае был равен 16 Гб/с. Но 20 процентов полученного прироста расходовалось на служебную информацию. В итоге в первом случае реальная передача была равна: 8 Гб/с – (8 Гб/с х 20% : 100%) = 6,4 Гб/с. А для второго исполнения графического интерфейса это значение было уже таким: 16 Гб/с – (16 Гб/с х 20% : 100%) = 12,8 Гб/с. Разделив же 12,8 Гб/с на 6,4 Гб/с, получаем реальный практический прирост быстродействия в 2 раза между 1-м и 2-м исполнением PCI Express.
PCI против PCIe
В этой части я объясню сравнение PCI и PCI Express с трех аспектов. Читайте дальше, чтобы узнать о различиях между PCI и PCIe дальше.
Разъем PCI и слот PCIe
Тогда настала очередь представить слот PCIe. Этот слот имеет 7 версий: x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32, соответствующих 1/2/4/8/12/16/32 дорожкам соответственно. Среди них PCI-E x32 используется только в некоторых особых случаях из-за его большого размера, и почти нет соответствующего продукта массового производства.
PCI-E x12 в основном используется на серверах и не появится на потребительских платформах.PCI-E x2 в основном используется для внутренних интерфейсов, а не для слотов расширения. Даже если некоторые материнские платы предоставляют этот интерфейс, PCI-E x2 в основном отображается в виде интерфейса M.2 вместо слота PCI-E.
Поэтому основные слоты PCI-E на материнской плате в основном сосредоточены на четырех типах: PCI-E x1/x4/x8/x16. Познакомимся с ними подробнее:
- Разъем PCI-E x16: длина 89 мм, 164 контакта. Он часто используется для видеокарт и имеет обратную совместимость с устройствами x1/x4/x8.
- Разъем PCI-E x8: длина 56 мм, 98 контактов. Обычно он отображается в виде слота PCI-E x16, но только половина контактов данных действительна, а это означает, что фактическая пропускная способность составляет только половину истинного слота PCI-E x16. Цель состоит в том, чтобы обеспечить плавную установку графической карты с интерфейсом PCI-E x16 на интерфейс PCI-E x8.
- Разъем PCI-E x4: длина 39 мм, 64 контакта. Он в основном используется для установки твердотельных накопителей PCI-E или твердотельных накопителей M.2 (через адаптеры PCI-E). Но в большинстве случаев слот PCI-E x4 поставляется с интерфейсом M.2, когда он покидает завод.
- Разъем PCI-E x1: длина всего 25 мм, 36 контактов. Целевые продукты относительно обширны, включая независимые сетевые карты, независимые звуковые карты, карты расширения USB 3.0/3.1 и т. д.
Скорость PCI и PCIe
В этой части я расскажу о скорости PCI и PCI-E. Узнав об их разнице в скорости, вы поймете, почему интерфейс PCI заменен интерфейсом PCIe.
Скорость 32-разрядной шины PCI составляет 133 МБ/с, а скорость 64-разрядной шины PCI — 266 МБ/с. Что касается скорости PCIe, то она зависит от линий и версий. Давайте посмотрим на диаграмму производительности PCIe, которую предлагает Википедия:
В настоящее время большинство компьютеров используют версию PCIe 3.0. С этой версией даже PCIe x1 может быть намного быстрее, чем 64-битный PCI. С точки зрения скорости PCI и PCI-E, PCI-E выигрывает и полностью заменяет PCI.
Знаете ли вы, что такое SSD-накопитель? Эта статья объяснит некоторые термины SSD и поможет вам полностью понять SSD-диск.
Совместимость PCI и PCIe
Что касается совместимости, следует помнить несколько моментов:
- PCI: 32-разрядный интерфейс PCI несовместим с 64-разрядными продуктами PCI, а 64-разрядный интерфейс PCI совместим с 32-разрядными продуктами PCI.
- PCIe: интерфейсы PCI-E имеют разную длину. Чем больше у него полос, тем длиннее интерфейс. Как правило, длинные слоты совместимы с продуктами с коротким интерфейсом. Например, слот PCIe X16 может быть совместим с продуктами X4 или X8. Но короткие слоты несовместимы с продуктами с длинным интерфейсом, потому что их нельзя вставить.
- PCIe: существуют разные версии PCIe. Различные версии совместимы друг с другом. Например, PCIe 3.0 совместим с PCIe 2.0. Но производительность определяется младшей версией.
- PCI и PCIe: интерфейс PCI-E и интерфейс PCI несовместимы друг с другом.
PCI Express x1, x4, x8 и x16
Периферийный компонент Interconnect Express (PCI Express), официально сокращенно обозначаемый как PCIe, представляет собой стандарт высокоскоростной шины расширения последовательного компьютера, разработанный для замены старых стандартов шин PCI, PCI-X и AGP. Электрический интерфейс PCI Express также используется во множестве других стандартов, особенно в ExpressCard в качестве интерфейса карты расширения ноутбука и в SATA Express в качестве интерфейса хранилища.
В PCI Express x1 x указывает физический размер карты или слота PCIe, где x16 является наибольшим, а x1 — наименьшим. Интерфейс PCI Express обеспечивает широкополосную связь между устройством и материнской платой, а также другим оборудованием. Чем больше каналов данных подключено, тем больше пропускная способность между картой и хостом. Тем не менее, как правило, увеличение стоимости происходит с большим числом полос.
PCIe является обновленной версией протокола PCI. Подобно интерфейсам PCI / PCI-X, PCIe был разработан для сопряжения периферийных компонентов. PCIe отличается от PCI / PCI-X в нескольких отношениях. Однако ключевое отличие позволит нам лучше понять различия между вариантами протокола PCIe (x1, x4, x8, x16 и x32). Это ключевое отличие — «параллельная» передача данных по сравнению с «последовательной» передачей. В архитектуре PCI и PCI-X все карты совместно используют параллельные линии передачи данных к хосту и от него. Различия в скорости карт и типах слотов ограничивают скорость передачи данных.
PCI Express организован в полосах. Каждая полоса имеет независимый набор выводов передачи и приема, и данные могут быть отправлены в обоих направлениях одновременно. И здесь все становится сложнее. Пропускная способность в одном направлении для одной полосы PCIe 1.0 (x1) составляет 250 МБ / с, но, поскольку она может одновременно отправлять и получать 250 МБ / с, Intel предпочитает указывать доступную пропускную способность для слот PCIe 1.0 x1 со скоростью 500 МБ / с. Хотя это общая совокупная пропускная способность, доступная для одного слота, вы можете достичь этой цифры пропускной способности, только если вы читаете и пишете одновременно.
Соединения ‘PCIe x1’ имеют одну полосу данных Соединения ‘PCIe x4’ имеют четыре полосы данных Соединения ‘PCIe x8’ имеют восемь линий передачи данных Соединения ‘PCIe x16’ имеют шестнадцать линий передачи данных Соединения PCIe x32 имеют тридцать две линии полосы данных (в настоящее время очень редко)
Это позволяет каждому соединению карты получать независимую полосу пропускания от других карт, которые могут быть активными в системе. Количество дорожек указывается суффиксом протокола PCIe (× 1, × 4, × 8, × 16, × 32). Каждая полоса пропускания имеет скорость 250-1969 МБ / с, в зависимости от версии протокола PCIe (v1.x, v2.x, v3.0, v4.0). Карты PCIe всегда могут работать в слотах PCIe с теми же или большим количеством линий, чем карта. Например, карта x8 может работать в слоте с полосами x8, x16 или x32. Аналогично, карта x1 может работать в любом слоте PCIe.
Как выполняется контроль целостности данных
При передаче или приеме данных важно быть уверенным, что информация не была повреждена в процессе перемещения пакета информации от одного устройства к другому. Для контроля используются специальные коды проверки целостности. Для версий PCIe 1.0 и 2.0 использовалась кодировка 8b/10b
Начиная с 3-й версии интерфейса используется 128b/130b. Это значит, что в старых версиях PCIe каждый байт дополнялся двумя служебными битами, а PCIe 3.0 и последующие дополняют каждые 128 бит двумя служебными битами
Для версий PCIe 1.0 и 2.0 использовалась кодировка 8b/10b. Начиная с 3-й версии интерфейса используется 128b/130b. Это значит, что в старых версиях PCIe каждый байт дополнялся двумя служебными битами, а PCIe 3.0 и последующие дополняют каждые 128 бит двумя служебными битами.
Что это дает? При кодировании 8b/10b 20% пропускной способности шины тратится на передачу служебной информации. Кодировка 128b/130b позволяет уменьшить эти потери до 1.5%.
На иллюстрации выше показано начало таблицы кодирования данных при использовании кодировки 8b/10b. Исходный байт разделяется на две части. Младшие 5 бит дополняются одним контрольным, в свою очередь также старшие три бита также дополняются еще одним. В результате имеем формулу 5b/6b и 3b/4b.
Принцип кодирования – тема объемная, и если ее и рассматривать, то в отдельном материале.
Сколько линий PCIe необходимо?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определиться с конфигурацией будущей системы. Я сейчас не затрагиваю тему разгона, ибо это несколько иной подход к выбору материнской платы, а исхожу из требований к использованию каких-либо плат расширения. Вариант офисного компьютера также оставлю за рамками разговора, т. к. в большинстве случаев достаточно минимальной конфигурации с использованием встроенного в процессор видеоядра и установка каких-либо дискретных адаптеров скорее всего не планируется.
Если будущий ПК предназначен для сборки игровой системы нижне-среднего уровня без разгона и использования флагманских CPU и GPU, то будет использоваться только внешняя видеокарта в сочетании с 1-2-3 накопителями. Значит, рассматривать можно платы, начиная с младших чипсетов. Даже у них есть возможность установки некоторых дополнительных адаптеров.
А кстати, сколько вот для этих «некоторых дополнительных адаптеров» линий-то нужно? Давайте попробуем свести это в табличку:
| Плата расширения | Кол-во линий PCIe |
| Видеокарта AMD/NVidia | 16 |
| RAID-контроллер | 4-8 |
| SSD PCIe x4 | 4 (каждый) |
| Адаптер SSD M.2 накопителей | 4-8 |
| Звуковая карта | 1 |
| Адаптер USB 3.2 Gen1 | 1-4 |
| Адаптер USB 3.2 Gen2 | 4 |
| Адаптер eSATA | 1 |
Это не весь возможный перечень. При необходимости, можно установить адаптер LPT и прочих портов, дополнительный сетевой контроллер и т. п. Как бы то ни было, надо точно знать, какой разъем для такой платы нужен и сколько линий PCIe он требует.
Если же выбор останавливается на топовом железе, то в любом случае в вашем распоряжении будет максимально возможное количество линий, и остается только не выйти за их лимит, утыкивая материнскую плату разнообразными адаптерами, накопителями и т. п.
Почему я должен беспокоиться о PCI Express 5.0?
Такие вещи, как наши видеокарты, на самом деле не нуждаются в непомерно высокой пропускной способности, которую обеспечивает PCIe 5.0, по крайней мере, прямо сейчас. В конце концов, даже самой большой и самой мощной из текущей линейки NVIDIA, RTX 3090, не удается полностью заполнить соединение PCIe 4.0 x16. Однако существует множество вариантов использования, в которых PCIe 5.0 может пригодиться, как для потребительских, так и для более профессиональных случаев. Устройства, которым может быть выгодна большая пропускная способность, смогут использовать ее должным образом, в то время как другие, которым действительно не нужна большая скорость, могут вместо этого работать более эффективно, используя меньшее количество полос.
С точки зрения потребителя, основным преимуществом PCIe 5.0 является высокоскоростное хранилище. Что касается хранилища, диски NVMe со скоростью PCIe 5.0 будут молниеносными. Например, Samsung 980 Pro , который часто считается золотым уровнем накопителей PCIe 4.0, может достигать скорости последовательного чтения до 6900 мегабайт в секунду. Накопитель со скоростью PCIe 5.0 потенциально может достичь вдвое большей скорости. Высокоскоростное хранилище сейчас важнее, чем когда-либо, и такие вещи, как Microsoft DirectStorage, обещают значительно улучшить наши игровые возможности. Итак, хотя PCIe 5.0 сейчас не является абсолютно необходимым, вполне вероятно, что он пригодится в будущем.
PCIe 5.0 также станет очень важным для центров обработки данных, поскольку для связи необходимы быстрое хранилище и высокоскоростная сеть. Некоторые серверные сетевые интерфейсы ожидают перехода от сетей 100 GbE к 400 GbE в недалеком будущем, и PCIe 5.0 сделает это возможным. Пропускная способность канала PCIe 5.0 x16 в полнодуплексном режиме составляет 128 ГБ / с. Для полнодуплексного канала 400 GbE требуется пропускная способность 800 Гбит / с. В байтах это соответствует совокупной пропускной способности 100 ГБ / с, которую может обрабатывать соединение PCIe 5.0 x16.
Преимущества PCI-E
Технология PCI Express позволила получить преимущество по сравнению с PCI в следующих пяти областях:
- Более высокая производительность. При наличии всего одной линии пропускная способность PCI Express в два раза выше, чем у PCI. При этом пропускная способность увеличивается пропорционально количеству линий в шине, максимальное количество которых может достигать 32. Дополнительным преимуществом является то, что информация по шине может передаваться одновременно в обоих направлениях.
- Упрощение ввода-вывода. PCI Express использует преимущества таких шин, как AGP и PCI-X и обладает при этом менее сложной архитектурой, а также сравнительной простотой реализации.
- Многоуровневая архитектура. PCI Express предлагает архитектуру, которая может подстраиваться к новым технологиям и не требует значительного обновления ПО.
- Технологии ввода/вывода нового поколения. PCI Express дает новые возможности получения данных при помощи технологии одновременных передач данных, обеспечивающей своевременное получение информации.
- Простота использования. PCI-E значительно упрощает обновление и расширение системы пользователем. Дополнительные форматы плат Express, такие, как ExpressCard, значительно увеличивают возможности добавления высокоскоростных периферийных устройств в серверы и ноутбуки.
Основные характеристики PCI–Express (1.0, 2.0 и 3.0)
Несмотря на то, что названия PCI и PCI-Express очень похожи, принципы соединения (взаимодействия) у них кардинально отличаются. В случае PCI-Express используется линия – двунаправленное последовательное соединение, типа «точка-точка», данных линий может быть несколько. В случае с видеокартами и материнскими платами (не учитываем Cross Fire и SLI), которые поддерживают PCI-Express x16 (то есть большинство), можно запросто догадаться, что таких линий 16 (рис.3), довольно часто на материнских платах с PCI-E 1.0, можно было наблюдать второй слот x8, для работы в режиме SLI или Cross Fire.
Ну, а в PCI, устройство подключается к общей 32- х разрядной параллельной шине.
Рис. 3. Пример слотов с различным количеством линий
(как уже говорилось ранее, наиболее часто используется х16)
Для интерфейса пропускная способность составляет 2,5 Гбит/c. Эти данные нужны нам, чтобы отслеживать изменения этого параметра в различных версиях PCI-E.
Далее, версия 1.0 эволюционировала в PCI-E 2.0
. В результате данного преображения, мы получили в два раза большую пропускную способность, то есть 5 Гбит/c, но хотелось бы отметить, что в производительности графические адаптеры, особо не выиграли, так как это просто версия интерфейса. Большая часть производительности зависит от самой видеокарты, версия интерфейса может только незначительно улучшать или тормозить передачу данных (в данном случае «торможения» нет, и присутствует неплохой запас).
Точно так же в 2010 году, с запасом, был разработан интерфейс PCI-E 3.0
, на данный момент он используется во всех новых системах, но если у Вас все ещё 1.0 или 2.0, то не горюйте – ниже мы поговорим о относительно обратной совместимости различных версий.
В версии PCI-E 3.0, пропускная способность была увеличена в два раза по сравнению с версией 2.0. Также там было произведено немало технических изменений.
К 2015 году ожидается появление на свет PCI-E 4.0
, что для динамической IT-индустрии абсолютно неудивительно.
Ну да ладно, будем заканчивать с этими версиями и цифрами пропускной способности, и затронем очень важный вопрос обратной совместимости различных версий PCI-Express.
PCIe 3.0 и 2.0
Давайте подробнее рассмотрим эти две функции в прямом сравнении.
1. Скорости линий PCIe
Первое и самое важное различие между ними заключается в том, что пропускная способность версии 2.0 составляет 0,50 ГБ/с, а пропускная способность более новой версии 3.0 – 0,985 ГБ/с. Это соответствует идее о том, что каждое последующее поколение PCIe удваивает пропускную способность, доступную для каждой линии
Это соответствует идее о том, что каждое последующее поколение PCIe удваивает пропускную способность, доступную для каждой линии.
2. Ответственность за размер и скорость устройства
Несмотря на то, что версия PCIe напрямую не связана с шиной и слотом PCIe на материнской плате, она может напрямую влиять на карты расширения.
Например, плата расширения PCIe V3.0 M.2 NVMe SSD занимает четыре линии PCIe. Однако он может занимать только твердотельные накопители более старого поколения, такие как Samsung 970 Evo со скоростью чтения 3,5 ГБ/с.
На PCIe V4.0 карту расширения NVMe SSD можно установить с SSD нового поколения, например Samsung 980 Pro, который может развивать скорость до 7,0 ГБ/с (удвоение скорости SSD предыдущего поколения).
Помимо скорости, размер и полосы, занимаемые устройством, также могут меняться с каждым последующим поколением. Например, карта расширения, предназначенная для использования ВОСЕМЬ линий PCIe версии 2.0, будет работать так же в слоте с ЧЕТЫРЬМЯ линиями PCIe версии 3.0, если ее перепроектировать с помощью разъема версии 3.0 x4.
3. Кодирование — для опытных пользователей
То, как данные кодируются, сильно влияет на общую пропускную способность любого устройства, включая пропускную способность протокола PCIe.
PCIe 2.0 использует систему кодирования 8b/10b. Это означает, что из каждых 10 бит, передаваемых от источника к получателю, 8 бит составляют данные, а оставшиеся 2 бита (20% от общего объема передачи) считаются служебными. Это не очень эффективно.
В PCIe 3.0 данные кодируются с использованием гораздо более эффективной системы кодирования 128b/130b. Соотношение накладных расходов здесь намного ниже.
Таким образом, благодаря улучшенному алгоритму кодирования PCIe 3.0 может обеспечить более высокую пропускную способность без существенного удвоения скорости передачи.
PCIe 2.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5,0 ГТ/с (Гигаобмен в секунду), тогда как PCIe 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 8,0 Гигаобмен в секунду
Обратите внимание, что, несмотря на удвоение пропускной способности на каждой линии PCIe, фактическая скорость передачи не удваивается (т. е
не составляет 10 ГТ/с). Это стало возможным благодаря лучшему кодированию, которое снижает накладные расходы на передачу.
Это подводит нас к следующему пункту:
4. Низкое энергопотребление
Итак, как упоминалось ранее, PCIe 3.0 удваивает пропускную способность без удвоения фактической скорости передачи (благодаря лучшему алгоритму кодирования). Это означает, что он может передавать больше данных за такт по сравнению с предыдущим поколением. В результате достигается более высокая эффективность.
Это также приводит к прямому снижению энергопотребления.
Меньшее количество передач -> более низкое энергопотребление -> требуются электрические компоненты меньшего размера -> более дешевая плата расширения
5. Расширенное использование
Как PCIe 2.0, так и 3.0 совместимы со всеми другими поколениями стандарта PCIe, однако для пользователей, которые надеются получить максимальную производительность от своей системы с течением времени и идти в ногу с тенденциями в области PCIe, лучше всего перейти с материнской платой PCIe 3.0 вместо материнской платы PCIe 2.0 по нескольким причинам.
Первая причина в том, что третье поколение намного быстрее, вы можете наслаждаться более высокими скоростями. Высокая скорость передачи означает, что PCIe 3.0 обеспечивает более высокую производительность для таких приложений, как рендеринг видео или игр.
Кроме того, поскольку новые устройства, которые выпускаются, намного быстрее, если у вас есть материнская плата со слотами PCIe 2.0, вы не сможете полностью использовать некоторые карты нового поколения.
Старый слот 2.0 ограничивает производительность новой карты 3.0, поэтому вы можете недоиспользовать ее.
Все это говорит о том, что когда дело доходит до компьютеров, иногда новее всегда лучше.
На самом деле, я бы порекомендовал вам также рассмотреть более новые материнские платы PCIe v4.0. Хотя в настоящее время это не обязательно для базового варианта использования, если вы собираете производительный или игровой ПК, настоятельно рекомендуется использовать PCIe версии 4.0.