Шина PCI Express (PCIe, PCI-e)

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) (официальные сокращения: PCIe или PCI-e) - это стандарт универсальной высокоскоростной последовательной шины расширения компьютера, разработанный для замены старых стандартов шин PCI, PCI-X и AGP. Спецификации форматов поддерживаются и разрабатываются PCI-SIG (PCI Special Interest Group), группой из более чем 900 компаний, которые также поддерживают стандартные спецификации PCI.

Интерфейс предназначается для подключения к компьютеру широкого спектра устройств: видеокарт, контроллеров накопителей информации, сетевых, периферийных устройств. Распространен как в настольных, так и в мобильных компьютерах.

- весь канал передачи данных шины PCIe разделяется на полосы, между которыми распределяются передаваемые пакеты с данными. Количество полос может составлять от 1 до 32 на разъем. Суммарно же количество полос, которое предоставляет контроллер шины может составлять от 40 и выше. Количество полос автоматически согласовывается во время инициализации устройства и может быть ограничено любой конечной точкой. Например, однополосная карта PCI Express (x1) может быть вставлена в многополосный слот (x4, x8 и т. Д.), И цикл инициализации автоматически согласовывает максимальное количество взаимно поддерживаемых полос. Канал может динамически понижать свою конфигурацию для использования меньшего количества полос, обеспечивая отказоустойчивость в случае наличия плохих или ненадежных полос. Стандартом PCI Express определены следующие ширины каналов: x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32. 32-полосные разъемы встречаются крайне редко и, как правило, в серверных системах.

- межсоединение (интерконнект), или канал. Это логическое соединение, через которое устройства PCI Express обмениваются друг с другом данными. Представляет собой канал связи типа "точка-точка" между двумя портами PCI Express. На физическом уровне канал представляет собой одну или несколько полос. Все устройства должны поддерживать как минимум однополосное (x1) соединение.

- полоса канала. Физически одна полоса состоит из двух пар проводников, одна из которых предназначена для передачи данных, а другая - для приема. Таким образом, каждая полоса является полнодуплексной.

- взаимосовместимость разъемов PCIe с разным количеством полос. Карта PCIe физически подходит и работает правильно в любом слоте PCIe, размер которого не меньше размера карты (например, карта PCIe x1 работает в одноименном слоте любого размера).

По аналогии с эталонной моделью передачи данных OSI, PCIe имеет собственную модель, которая состоит из следующих уровней:

1. Физический уровень (physical layer). Подразделяется на логический и электрический подуровни (logical and electrical sublayers) и содержит подуровень физического кодирования потока битов (physical coding sublayer (PCS)). Как и в случае с другими протоколами последовательной передачи с высокой скоростью передачи данных, тактовый сигнал идет вместе с данными. На физическом уровне PCI Express версии 2.0 использует схему кодирования 8b/10b битового потока (линейный код), чтобы ограничить длину повторяющихся нулей или единиц для предотвращения потери данных. В этой схеме кодирования каждые восемь (некодированных) битов полезной нагрузки данных заменяются 10 (закодированными) битами передаваемых данных, что увеличивает трафик на 20%. Начиная с версии 3.0 вместо 8b/10b применяют метод 128b/130b со скремблированием, который является более эффективным.

2. Канальный уровень (data link layer). Является уровнем, обеспечивающим гарантированную доставку данных.

Содержит в себе также подуровень доступа к среде (media access control (MAC)). Упорядочивает пакеты уровня транзакции (TLP), которые генерируются им. На передающей стороне канальный уровень снабжает каждый передаваемый пакет уникальным идентификатором и добавляет в него код избыточности (Link CRC или LCRC) для возможности восстановления поврежденных данных. Получатель пакетов на канальном уровне проверяет LCRC и их порядковые номера. Если проверка LCRC завершается неудачно (что указывает на ошибку данных), или порядковый номер выходит за пределы допустимого диапазона, то неверный TLP, а также любые TLP, полученные после неправильного TLP, считаются недействительными и отбрасываются. Получатель отправляет сообщение отрицательного подтверждения (NAK) с порядковым номером недопустимого TLP, запрашивая повторную передачу всех TLP, предшествующих этому порядковому номеру. Если полученный TLP проходит проверку LCRC и имеет правильный порядковый номер, он считается действительным.

Если передатчик принимает сообщение NAK или подтверждение (NAK или ACK) не получено до истечения периода тайм-аута, передатчик должен повторно передать все TLP, для которых отсутствует положительное подтверждение (ACK). Количество TLP, которые хранятся в буфере отправителя до тех пор, пока на них не придет подтверждение получения/неполучения, ограниченно самим буфером.

3. Уровень транзакций (transaction layer). На этом уровне PCI Express реализует разделенные транзакции (транзакции с запросом и ответом, разделенные по времени), позволяя каналу передавать другой трафик, в то время как целевое устройство собирает данные для ответа.

PCI Express использует управление потоком на основе кредита. В этой схеме устройство объявляет начальную сумму кредита для каждого полученного буфера на своем уровне транзакции. Устройство на противоположном конце ссылки при отправке транзакций на это устройство подсчитывает количество кредитов, которые каждый TLP потребляет со своей учетной записи. Передающее устройство может передавать TLP только в том случае, если при этом количество использованных кредитов не превышает его кредитный лимит. Когда принимающее устройство завершает обработку TLP из своего буфера, оно сигнализирует о возврате кредитов отправляющему устройству, что увеличивает лимит кредита на восстановленную сумму. Преимущество этой схемы (по сравнению с другими методами, такими как состояния ожидания или протоколы передачи на основе рукопожатия) заключается в том, что задержка возврата кредита не влияет на производительность при условии, что предел кредита не исчерпан. Как правило, предел кредита не превышается, если каждому устройству назначен адекватный размер буфера.