PCI Express szabvány

Átírás

1 Kurucz István Programozó matematikus szak Levelező tagozat PCI Express szabvány A tavalyi évben jelent meg a PCI buszt leváltó PCI Express szabvány, hogy mi is ez az újítás tulajdonképpen, és, hogy jelent-e előrelépést az eddigi teljesítményhez képest, ezt szeretném dolgozatomban részletezni. A PCI-Express interfész az eddigi PCI és AGP foglalatokat hivatott felváltani. Tény, hogy a PCI számos alkalmazási területen, mint például a szövegszerkesztés, táblázatkezelés, vagy az internetezés, még hosszú évekig megfelelő megoldást jelenthetne. Emellett azonban egyes, maximális teljesítményt igénylő területeken a PCI által képviselt szűk keresztmetszet jelentős, áthidalhatatlan akadályt jelent. Az átlagfelhasználó ezzel a problémával elsősorban a grafikai szoftverek, játékok, és egyéb multimédia alkalmazások használatakor találkozhat, a vállalati rendszerekben pedig a hálózat, illetve az adattároló alrendszerek teljesítményét csökkentheti számottevően. Az olyan alkalmazások, mint az egyre valósághűbbé váló játékok, a videószerkesztés és -tömörítés, a professzionális képfeldolgozás, a beszédhang-felismerés, vagy a fejlett titkosítási technológiák, mind - mind óriási teljesítményt, az összeköttetési technológiától pedig igen nagy áteresztőképességet, sávszélességet igényelnek. Alig több, mint10 évvel ezelőtt, amikor bevezették az ISA és VESA szabványokat leváltó PCI-buszt. Egészen kiválónak számított a 133 megabájtos másodpercenkénti sebesség, mellyel az új szabvány kommunikált a számítógép többi részegységével. Ugyan ez a sebesség megosztott volt, tehát ha egyszerre használtunk két bővítőkártyát, már csak 66 megabájt volt az elérhető sebesség, de ez is bőven elégnek bizonyult.

2 Az új generációs játékok és főleg a 3D-s gyorsítókártyák megjelenésével, melyek jóval több adatot dolgoztak fel, mint elődeik, egyre szűkösebb lett az összességében 133 megabájtos keresztmetszet. Ekkor került kidolgozásra az önállóan működő, lényegében videokártyák számára kidolgozott AGP szabványt. Ennek a csatolónak a sebessége 256 megabájt volt másodpercenként és ezen a keresztmetszeten senkivel nem kellett osztoznia, a többi kártyának pedig megmaradt a PCI csatoló. Az AGP szabvány nem csak gyorsabb volt, mint a PCI, hanem tartalmazott még egy újítást: ha a videokártyának betelik a saját memóriája, hozzáférhet az alaplapi RAM-hoz. A szabvány továbbfejlesztésének köszönhetően eljutottak a nyolcszoros AGP-ig, mely jelentős fejlődés az első szériához képest, hiszen másodpercenként két gigabájtos adatátviteli sebességet tud biztosítani. A fejlődés azonban nem állt meg, kidolgozták hát az utódnak szánt PCI express szabványt, mely számos újítást tartalmaz. A videokártyák számára négy gigabájtos adatátviteli sebességet biztosít (tehát a nyolcszoros AGP dupláját), a többi kártyának pedig 250 megabájtot másodpercenként, ráadásul nem összesen, hanem bővítőhelyenként.

3 A jelenleg alkalmazott PCI busz, illetve bővítőkártya foglalatok leváltására készített, soros összeköttetésre épülő PCI Express szabvány alapjait a chipóriás Intel Corp. fejlesztette ki 3GIO (3. generációs I/O), illetve Arapahoe kódnév alatt.a 3GIO technológia piaci bevezetésében mérföldkőnek számított a PCI - SIG döntése, amelynek értelmében a később PCI Express névre átkeresztelt megoldás hivatalosan is a jelenlegi PCI busz utódja lesz a PC-ben, munkaállomásokban, és szerverekben. Szintén jelentős siker volt az Intel, illetve a PCI-SIG számára, hogy a technológiát a chipóriás legfőbb riválisa, az Advanced Micro Devices (AMD) is elfogadta hangsúlyozva, hogy a szabvány nagyszerűen megférhet saját, HyperTransport elnevezésű összeköttetési technológiája mellett. A PCI Express felépítése A PCI Express architektúra középpontjában egy központi egység (root complex) áll,ehhez a gyökér (központi) egységhez a switch-eken (kapcsoló) keresztül férhetnek hozzá a végponti eszközök, vagyis a különféle egyéb chipek.

4 Az adatok továbbítását a PCI Express esetében simplex, vagyis egyirányú átvitelre alkalmas, soros adatvonalak oldják meg, amelyek vonalanként két vezetékből állnak, sebességük pedig egyenként 2,5 Gbit/s. Ez az érték az első generációs megoldások esetében az adatátviteli csatornák számának növelésével a többszörösére emelhető, a későbbiekben pedig a specifikációs módosításokkal az egyes csatornák sebessége is növekedni fog. Egyes szakértők szerint a csatornák sebessége már a 2004-es bevezetéskor az eredeti duplája, 5 Gbit/s lesz, később pedig a 10 Gbit/s-t is eléri majd. A minimum két érpár (egy bemeneti és egy kimeneti) alkalmazásával a rendszer "dual simplex" módú működésre is képes, vagyis az eszköz a bemeneti vonalakon gond nélkül fogadhatja az adatokat, miközben a kimeneti vonalakon maga is adatokat küld. A PCI Express technológia hagyományos (4 rétegű ) huzalozás esetén legfeljebb 20 colos (50 cm) vezetékhosszt enged meg az összekapcsolt eszközök között, de minőségi alkatrészekkel ez a távolság jelentősen növelhető. A szinkronizálást akárcsak a Serial ATA, az InfiniBand új változatának esetében, itt is 8b/10b kódolással valósították meg a fejlesztők, amely annyit jelent, hogy a vezérlő minden 8 bit adatot 10 bites jellel továbbít. Ez 20 százalékos csökkenést okoz az adatátviteli sebességben, ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a szinkronizációs információt a forrás az adatfolyamba építse, és így szükségtelenné váljon a külön szinkronjel. A soros adatátviteli módszer több jelentős előnnyel is rendelkezik a párhuzamos változatokhoz képest. A vezérlő a jóval kevesebb vezeték miatt egyszerűbb és olcsóbb lehet, miközben az adatátvitelért felelős vezetékek áthallása kisebb, a zajérzékenység pedig csökken. Soros adatátvitel esetén a vezetékek vékonyabbak, és jóval hosszabbak lehetnek, így a külső eszközök csatlakoztatása is könnyen megoldható. A PCI Express összeköttetések x1, x2, x4, x8, x12, x16, és x32-es kialakításba konfigurálhatóak. Az x1 jelen esetben négy vezetéket, vagyis két kimenetit (egy kimeneti csatorna), és két bemenetit (egy bemeneti csatorna) jelent. Az x32-es konfiguráció 2,5 Gbit/s vonalsebességgel számolva 10 GByte/s, illetve a 20 százalékos veszteség miatt 8 GByte/s sávszélesség elérését teszi lehetővé.

5 A specifikáció szerint a bemeneti és kimeneti vonalak (csatornák) száma minden eszköz esetében egyező kell, hogy legyen, vagyis például x8 konfiguráció esetén 8 bemeneti csatornához mindenképpen 8 kimeneti vonalat kell kapcsolni, nem lehet sem több, sem kevesebb. Az összeköttetés csomag-alapú, rétegekre bontott jellege (a hálózatokhoz hasonlóan) megkönnyíti az egyes területek szétválasztását, így következésképpen a jövőbeli javítások/módosítások egyszerű megvalósítását. A rendszer három fő rétegből áll: Az adatok előkészítését sorban a szállítási, adatkapcsolati, és fizikai rétegek végzik, a vevő oldalon pedig szintén a fizikai, adatkapcsolati, és szállítási rétegek felelősek az átvitt adat visszaalakításáért, feldolgozásáért. A PCI Express bejelentését követően a szakértők azonnal felvetették a kérdést, hogy az új buszra épülő alaplapokon milyen bővítőfoglalatok, másnéven slotok lesznek. Az új foglalatok képesek lesznek-e a jelenlegi PCI (illetve AGP) kártyák fogadására is, vagy teljesen új formában öltenek testet. A választ a PCI Express Card Electromechanical Specification 1.0 specifikáció kiadása adta meg.

6 A PCI Express új, x1, x4, x8, és x16 kialakítású bővítőfoglalatokat támogat, amely slotok sem fizikailag, sem elektromosan nem kompatibilisek a jelenlegi PCI, illetve AGP kártyákkal. A meglévő PCI kártyák használhatóságát a kiegészítő PCI foglalatok azonban még jó ideig biztosítani fogják az alaplapokon. A nagyobb PCI Express foglalatokban a specifikáció szerint használhatóak lesznek a kisebb foglalathoz tervezett kártyák, fordítva azonban már nem igaz mindez. Az AGP 8X slot helyét egy x16 PCI Express foglalat fogja átvenni 4 GByte/s sávszélességgel, az AGP port útja tehát itt véget ér. Az AGP portot egyébként egyáltalán nem öröklik a PCI Express-alapú alaplapok, így a jelenlegi AGP videókártyák ezekben teljesen használhatatlanok. Azonban léteznek olyan megoldások, amelyek segítségével régebbi AGP-s grafikus kártyáinknak akár a legújabb PCI Express alaplapokon is hasznát vehetjük.. Használatával tehát egyelőre feleslegessé válhat a legújabb PCI Express grafikus kártyák és alaplapok megvásárlása, igaz azt egyelőre nem lehet tudni, hogy a híd vajon csak a belépő szintű és középkategóriájú kártyák, vagy akár a nagyobb méretű csúcskategóriás termékek csatlakoztatását is lehetővé teszi-e.

7 Azonban a korábbi AGP kártyák gyors cseréjét nem csak híd megvásárlása halaszthatja. Hiszen megvizsgálva a szabvány gyakorlati haszna egy átlag felhasználó számára nem számottevő-ha nem videokártyákról van szó- a hangkártyák nem igényelnek óriási sávszélességet és rendszerint kevés egyéb bővítőkártyát használ az átlag tulajdonos, ha mégis, annak általában kevés az adatátviteli igénye. Még egy USB2-es csatolót tartalmazó bővítőkártya is legfeljebb hatvan megabájtot használ (felét a PCI nyújtotta lehetőségeknek) Ugyan az eszköz óriásinak tűnő, négy gigabájtnyi sávszélességet kap másodpercenként az új rendszerben, ami közel akkora, mint leggyorsabb alaplapi RAMmodul, a DDR2-533 sebessége, ám ha emellé odaállítunk egy modern videokártyát, pl. az Nvidia Geforce 6800 Ultra memóriájának a sebessége eléri a 35 gigabájtot másodpercenként, tehát közel a tízszeresét a PCI-Expressnek, de az AGP-s Radeon 9600-nak is tíz gigabájt a kapacitása, aminek nagy része így elvész. Tehát még a PCIexpress sem elég gyors a videokártyák igényeihez képest, és valószínűleg a harminckétszeres verzió sem lesz az. A videokártyák memóriái ugyanis mindig egy lépéssel az alaplapi memóriák és csatolók előtt fognak járni. Másik érdekes tényező, hogy a videokártyát el kell látni wincheszteren tárolt, majd processzor által részben feldolgozott adattal, tehát elkerülhetetlen a csatoló közbeiktatása. Ugyanakkor ebben az esetben nem kevés, hanem sok, feleslegesen sok a négy gigabájtos sebesség. Akkor, amikor a legújabb fejlesztésű játékoknál a nyolcszoros AGP alig egy százalékos gyorsulást képes produkálni a négyszereshez képest (tehát még a négyszeres AGP keresztmetszete is bőven elégséges, mi több: kihasználatlan) felesleges újra megkétszerezni a keresztmetszetet. Ilyen fejlődési ütem mellett jó pár év múlva lesz csak szűkös a nyolcszoros keresztmetszet.

8 Rengeteg az interneten található teszteredmény bizonyítja, hogy gyakorlatilag semmiféle gyorsulást nem jelentett a nyolcszoros AGP szabvány elterjedése a négyszereshez képest, ami meg a kétszereshez képest nem jelentett jelentős gyorsulást, így feltételezhető, hogy rövidtávon milyen hatással lesz a teljesítményre a PCIexpress.