PCI Express: шина будущего

Современное развитие компьютерной техники приводит к быстрому замещению всех технологий, использующихся в нем. Так, вместо параллельного и последовательного порта появилась шина USB, затем более быстрая USB 2.0, для более быстрого обмена данными с жестким диском реализован интерфейс Serial ATA, внедрена более быстрая память DDR SDRAM. Но в компьютере до сих пор остались "белые пятна", которых не коснулась модернизация. Одним из них является шина PCI, которая обеспечивает взаимодействие между различными устройствами и центральным процессором. Несмотря на популярность шины PCI, она вплотную подошла к своим пределам. Все-таки за десять лет жизни остальные компоненты далеко ушли вперед. Расширения стандарта PCI типа 64-битных слотов и тактовой частоты 66 МГц или 100 МГц слишком дороги и вряд ли успеют угнаться за растущими потребностями в высокой пропускной способности за следующие несколько лет. Значит, необходимо искать замену. В ее качестве выдвинута шина ввода/вывода третьего поколения (3rd Generation IO, 3GIO), которая не так давно была переименована в PCI Express. Поддерживать новую технологию будут как чипсет Intel Grantsdale, так и новая версия Microsoft Windows под названием Longhorn. Давайте повнимательнее рассмотрим новую технологию, которая должна служить компьютерной индустрии следующие десять лет. Новейшая история Спецификация PCI 1.0 была выдвинута Intel в 1991 году. Разработкой PCI занималась группа PCI Special Interest Group, в результате работы которой уже в мае 1993 года появилась версия PCI 2.0. Главным ее конкурентом в то время являлась VESA Local Bus (VL-bus или VLB), разработанная Ассоциацией по стандартам в области видеоэлектроники (Video Electronics Standards Association) и представлявшая собой 32-битную шину, которая использовала третий и четвертый разъем в виде продолжения обычного слота ISA. Шина работала на номинальной частоте 33 МГц и обеспечивала существенный прирост производительности по сравнению с ISA. Однако главная особенность шины, которая позволяла достичь высокой производительности, послужила и причиной ухода VLB с рынка. Она представляла собой прямое расширение шины 486 процессора/памяти, работающим на той же скорости, что и процессор. У этой схемы были существенные минусы: подключение слишком большого числа устройств приводило к опасности создания помех самому процессору. VESA рекомендовала использовать не более двух слотов на тактовых частотах 33 МГц или трех слотов, если они использовали специальный буфер. На более высоких тактовых частотах следовало подключать не более двух устройств, а на частоте 50 МГц оба устройства VLB должны быть встроены в материнскую плату. Поскольку шина VLB работает синхронно с процессором, увеличение частоты процессора приводило к появлению проблем с периферийными устройствами. Чем быстрее должна была работать периферия, тем она дороже стоила по причине трудностей, связанных с производством высокоскоростных компонентов. Лишь немногие устройства VLB поддерживали частоту выше 40 МГц. Шина PCI обладала несколькими преимуществами по сравнению с VLB. Она была разработана в качестве промежуточного решения: PCI являлась отдельной шиной, изолированной от процессора, но она сохранила доступ к основной памяти. Шина получила возможность независимой от процессора работы с номинальными частотами 25 МГц, 30 МГц и 33 МГц. По мере роста скоростей процессора частота PCI могла оставаться постоянной и составлять какую-то долю от значения FSB. Шина поддерживала удвоенное число слотов и/или периферийных устройств по сравнению с VLB -- пять или больше без всяких ограничений частоты или буферизации. Другие "умные" функции облегчали использование PCI. Технология Plug and Play позволяла производитель автоматическую конфигурацию периферии без настройки IRQ, DMA и адресов ввода/вывода через перемычки. К тому же шина поддерживала разделяемые между несколькими устройствами IRQ, а также и свою собственную систему прерываний (она скрывается за обозначениями #A, #B, #C и #D). Наконец, управление шиной PCI (PCI bus mastering) позволяло устройствами на шине получать контроль над ней и производить прямые передачи информации без участия процессора. В результате снижались задержки и нагрузка на процессор. Введение шины PCI вместе с процессором Pentium, усиленное очевидными преимуществами над конкурентами, позволило ей выиграть войну шин и стать доминирующим стандартом в 1994 году. С тех пор практически многие устройства от контроллеров жестких дисков и звуковых карт до сетевых плат базируются на PCI. С распространением массивов RAID, гигабитного Ethernet и других устройств с высокой пропускной способностью на системах потребительского класса пропускной способности PCI, которая составляет 133 Мбайт/с, стало не хватать. Производители чипсетов предвидели эти ограничения и вносили в свою продукцию различные изменения, чтобы снять часть нагрузки с шины PCI. Вначале ее освободили от передачи графической информации. Видеоадаптеры ушли на порт AGP и стали напрямую работать с чипсетом. Затем для связи северного и южного мостов стала использоваться специальная высокоскоростная линия, а затем на собственные линии к южному мосту стали подсоединяться IDE, USB и Super I/O. Наконец, в апреле Intel анонсировала архитектуру CSA, поддерживаемую северным мостом чипсетов i875/i865, убрав гигабитный Ethernet с шины PCI. Если AGP, CSA, Intel Hub Link, VIA V-Link и SiS MuTIOL можно назвать относительно успешными решениями в деле снятия нагрузки с шины PCI, они являются лишь промежуточными вехами. Новая шина PCI EXPRESS Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода/вывода третьего поколения (3rd Generation I/O -- 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет. Она призвана удовлетворить ряду требований. Она разработана с учетом применения на множестве сегментов рынка и будет играть роль единой архитектуры ввода/вывода для всех видов компьютеров. Напомним, что оригинальная спецификация разрабатывалась только для сегмента настольных ПК. Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность, ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов. Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами. Масштабируемость производительности достигается через повышение частоты и добавление линий к шине. PCI Express призвана обеспечить высокую пропускную способность на контакт с низким количеством служебной информации и низкими задержками. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический. Кроме того, шина может работать и в качестве соединения "точка-точка", когда устройства не разделяют общую шину. На самом деле PCI Express представляет собой целый аппаратный комплекс, затрагивающий северный/южный мост, коммутатор и конечные устройства. Новым термином здесь является коммутатор (switch). Он заменяет шину с множественными подключениями коммутируемой технологией. Коммутатор обеспечивает одноранговую связь между различными конечными устройствами, то есть предотвращает попадание излишнего трафика к мосту. Первые реализации шины будут сосуществовать с наследственными слотами PCI. Как вы можете увидеть на иллюстрации ниже, разъем 1X находится сразу позади слота PCI в задней части материнской платы, что позволяет устанавливать как обычную карту PCI, так и карту PCI Express. А среди особенных инноваций следует отметить использование отсеков устройств, позволяющих осуществлять "горячую замену". Мобильные пользователи не остались без внимания, поскольку для них предложен новый стандарт PCMCIA с кодовым названием NEWCARD. Форм-фактор нового стандарта таков, что карта NEWCARD практически в два раза уже одной карты CardBus. К сожалению, стандарт не предназначен для поддержки графических решений, так что пользователи ноутбуков вряд ли смогут модернизировать свои видеокарты. Однако возможности расширения относительно других устройств практически безграничны. Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Кстати, поскольку параллельно с разработкой PCI Express другие фирмы также анонсировали свои стандарты (например, PCI-X или HyperTransport), возникает резонный вопрос: не возникнет ли излишней конкуренции? Arapahoe, рабочая группа PCI Express, утверждает, что эти шины нацелены на другие области. Так, RapidIO и HyperTransport были разработаны для специфических применений, в то время как PCI Express выступает в роли универсального варианта. Вряд ли PCI Express сможет заменить HyperTransport в качестве связи между процессорами. PCI Express не хватает протокола когерентности кэшей, к тому же шина обладает более длительными задержками, чем параллельные проводники с синхронизацией по источнику. Очевидно, что AMD и nVidia бояться нечего. Вероятно, Intel не захочет менять шину Pentium 4 вообще, поскольку открытость стандарта PCI Express означает, что микропроцессорный гигант больше не сможет получать деньги за лицензирование шины P4 для третьих производителей чипсетов. PCI Express обладает великолепным потенциалом. Шина позиционируется как универсальное решение для связи компонентов платы и имеет очевидные преимущества по гибкости, что гарантирует ее пригодность для широкого диапазона вариантов реализации. Как и другие важные изменения, переход с PCI на PCI Express не случится за одну ночь. Слоты ISA жили на платах почти 10 лет, перед тем как они наконец-то исчезли. Так что не следует полагать, что периферия PCI скоро отомрет. Спецификации PCI Express Base 1.0a Specification и Card Electromechanical 1.0a Specification уже утверждены, хотя вряд ли мы увидим какие-либо решения на базе PCI Express до 2004 года. Вероятно, первыми появятся видеокарты от nVidia и ATi, сопровождаемые материнскими платами на новом чипсете Grantsdale от Intel. Что касается серверной стороны рынка, Intel планирует выпустить PCI Express в паре с чипсетами Lindenhurst и Twin Castle. Будущее выглядит в радужных тонах, на что немало влияют новые форм-факторы и потенциально высокая производительность. Виктор Сергеев
Весь номер

Новости партнеров: