PCI-E: 8 أشياء تحتاج إلى معرفتها مبكرًا

1. ما هو PCI Express وماذا يمثل؟

وفقًا للتعريف بواسطة Wikipedia ، PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) ، offيتم اختصاره رسميًا كـ PCIe أو PCI-e ، وهو معيار ناقل لتوسيع الكمبيوتر التسلسلي عالي السرعة ، مصمم ليحل محل معايير ناقل PCI و PCI-X و AGP الأقدم. كواحد من الناقلات عالية السرعة داخل أجهزة الكمبيوتر ، فإن PCI-E ليس فقط قناة بيانات ولكن أيضًا واجهة شبكة اللوحة الأم. الأخير هو جزء الفتحة الطويلة على لوحة التحكم.

 

PCIe هو الناقل الأكثر أهمية في نظام الخادم لأن الإشارات مترابطة من خلال PCIe ، مما يمكّن وحدة المعالجة المركزية من تحقيق الاتصال مع الأجهزة الخارجية المختلفة. إذا قارنا كل جزء من البيانات بسيارة صغيرة ، فإن ناقل PCIe يشبه الممرات ثنائية الاتجاه. لكن مواصفات PCIe لها حد السرعة الخاص بها ، مما يشير إلى أنه إذا كان هناك المزيد من الممرات الموجودة ، فستكون السرعة أسرع ، أي سيكون هناك المزيد من نقل البيانات.

 

2. الوضع الحالي والاتجاه المستقبلي لـ PCI-E

أصدرت المواصفات الأساسية لـ PCIe 6.0 نسختها المسودة 0.5 حتى الآن ، وأكمل معيار PCIe 6.0 التفسير للإصدار 0.5 ، والذي من المتوقع إطلاقه offرسميًا في عام 2021. ومع ذلك ، لا تزال مواصفات PCIe 6.0 CEM قيد المناقشة من قبل PCI-SIG.  

يبرز Blue Lane ناقل PCIe 

وفي الوقت نفسه ، توشك وحدة المعالجة المركزية PCIe 4.0 Ice Lake Xeon-SP المدعومة من Intel على طرحها في نهاية هذا العام ، كما أن وحدة المعالجة المركزية AMD EPYC التي تدعم PCIe 4.0 بالإضافة إلى العديد من وحدات المعالجة المركزية ARM معروضة للبيع تدريجيًا. نتيجة لذلك ، سيصبح PCIe 4.0 هو السائد في السوق في عام 2021 ، مما يدفع مصنعي الكابلات والموردين إلى التفكير في المكان الذي تذهب إليه كبلات PCI-E.

 

3. PCIe مقابل PCI: تطور وانتشار PCIe الجنرال

وُلدت PCI في عام 1992 مع عرض النطاق الترددي لناقل PCI البالغ 133 ميجابايت / ثانية في ذلك الوقت. بعد ذلك ، رفعت Intel بت حالة الناقل إلى 64 بناءً على طلب الإرسال في منطقة الخادم. وبالتالي ، تم إنشاء حافلي PCI جديدين بسرعة 2 بت / 64 ميجاهرتز و 33 بت / 64 ميجاهرتز في سرعة الساعة مع سرعة نقل بيانات تبلغ 66 ميجابت في الثانية و 266 ميجابت في الثانية على التوالي.

 

في مجال بطاقات الرسوميات ، طورت إنتل بشكل فردي AGP (منفذ رسومات مسرع) وأصدرت "مواصفات AGP 1.0" في عام 1997 مع ناقل 32 بت يعمل بتردد 66 ميجاهرتز وعرض نطاق 266 ميجابت في الثانية. قامت المواصفات اللاحقة AGP 2.0 بتوثيق إشارات 1.5 فولت ، والتي يمكن استخدامها في 2 × و 4 × ويمكن أن تصل السرعة السريعة لـ 4x إلى 1 جيجابت في الثانية. من الناحية الفنية ، فإن AGP ليس معيار ناقل حقيقي لأنه يمكنه فقط توصيل جهاز واحد ، أي بطاقة الرسوميات.

 

بالنسبة للتطبيق في الخوادم ، قام عدد قليل من الشركات المصنعة والموردين بما في ذلك IBM و HP و Compaq بتطوير معايير PCI-X وحصلت على الموافقة في عام 1998. حددت المواصفات 64bit 133Mhz أن PCI يدعم عرض النطاق الترددي بحد أقصى 1 جيجابايت / ثانية في كل اتجاه.

 

قامت مواصفات PCI-X 2.0 و PCI-X 3.0 بتحديث سرعة الساعة من 266 ميجا هرتز ، من خلال 533 ميجا هرتز إلى 1 جيجا هرتز. ولكن بحلول ذلك الوقت ، كانت هناك أيضًا بعض المشكلات لـ PCI-X. من ناحية ، ظهر الحديث المتبادل للإشارة المتوازية بسبب زيادة سرعة الساعة ، ومن ناحية أخرى ، كان هناك تنازع على الموارد بسبب الحافلة المشتركة. باختصار ، على الرغم من تحديث المواصفات ، قد لا يكون التأثير الفعلي قادرًا على تلبية هذه المؤشرات.

∆ بطاقة واجهة شبكة PCIe

 

بناء على ذلك ، إنتل offأعلنت رسميًا عن تقنية I / O من الجيل الثالث لتحل محل ناقل PCI في مؤتمر Intel Spring IDF في عام 2001. تم تطوير هذا المعيار بواسطة AWG (مجموعة عمل Arapahoe) بدعم من Intel وتم تسميته بالجيل الثالث I / O ، أيضًا 3GIO.

من الواضح أن Intel أشارت إلى أنها تعني مواصفات واجهة الإدخال / الإخراج من الجيل التالي ولم يتم تسميتها PCI-Express حتى تم تقديمها إلى PCI-SIG (PCI Special Interest Group) وحصلت على الموافقة.

 

4. فتحات PCIe الشائعة

وفقًا للمواصفات التي توفرها PCI-SIG ، هناك 7 إصدارات من فتحات PCI-E x1 و x2 و x4 و x8 و x12 و x16 و x32 ، وهي مطابقة لقنوات 1/2/4/8/12/16/32 ، منها PCI -E x32 تستخدم فقط في بعض المناسبات الخاصة بسبب مشاكل الحجم ، ومنتجات الإنتاج الضخم المقابلة تقارب الصفر ؛ يتم تطبيق PCI-E x12 بشكل أساسي في الخوادم ؛ بينما يتم استخدام PCI-E x2 بشكل أساسي للواجهات الداخلية بدلاً من فتحات التوسعة ، حتى إذا كانت بعض اللوحات الأم توفر هذه الواجهة ، فإن PCI -E x2 يظهر أيضًا بشكل أساسي في شكل واجهة M.2 ، بدلاً من شكل فتحة PCI-E . قد تحتوي روابط PCI Express المادية على من 1 إلى 16 مسارًا ، بشكل أكثر دقة تحتوي اتصالات "PCIe x8" على ثمانية ممرات بيانات. لذلك ، تتركز فتحات PCI-E الحالية على اللوحات الأم بشكل أساسي في أربعة PCI-E x1 / x4 / x8 / x16.

 

5. مزايا PCI-E

سيحل PCI-e محل PCI و AGP بشكل عام ويصل إلى وضع موحد لمعيار ناقل توسيع الكمبيوتر التسلسلي عالي السرعة. تتمثل إحدى ميزاته المفيدة في القدرة على نقل معدل بيانات كبير ، والذي يمكن أن يصل حاليًا إلى أكثر من 10 جيجابايت / ثانية ، ومن المتوقع أن يتطور إلى مستوى سرعة نقل جديد. أيضًا ، هناك مجموعة متنوعة من المواصفات لـ PCI Express من PCI Express 1X إلى PCI Express 16X ، والتي يمكن أن تلبي احتياجات الأجهزة منخفضة السرعة والأجهزة عالية السرعة التي ستظهر في فترة زمنية معينة في المستقبل.

 

Δ نظرة عامة على فتحات PCIe الشائعة x1 و x4 و x8 و x16

تتواصل أجهزة PCI Express (المشار إليها فيما يلي باسم PCI-E) عبر اتصال منطقي يسمى الاتصال البيني أو الارتباط. الارتباط هو قناة اتصال من نقطة إلى نقطة بين منفذي PCI Express. بالمقارنة مع بنية الناقل المتوازي المشتركة لـ PCI وناقلات الكمبيوتر الأقدم ، فإن كل جهاز PCI-E له اتصاله المخصص ولا يحتاج إلى طلب عرض النطاق الترددي من الناقل بأكمله. 

 

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه زيادة معدل نقل البيانات إلى تردد عالٍ جدًا ، وتحقيق نطاق ترددي عالٍ لا يمكن لجهاز PCI الوصول إليه. من خلال التعاقد مع ناقل PCI التقليدي الذي يمكنه فقط تحقيق إرسال إشارة أحادية الاتجاه خلال فترة زمنية واحدة ، يمكن أن يوفر اتصال PCI-E ثنائي الإرسال بمعدل وجودة أعلى. يشبه الفرق بينهما أحادي الاتجاه وثنائي الاتجاه بالكامل.

 

6 . ما هي أحجام PCIe القياسية؟

تختلف واجهة PCI-E وفقًا لعرض بت الناقل ، بما في ذلك X1 و X4 و X8 و X16 ، وسيتم استخدام وضع X2 للواجهة الداخلية بدلاً من وضع الفتحة. تتراوح مواصفات PCI-E من اتصال قناة واحدة إلى 1 قناة اتصال ، والتي تتمتع بقابلية توسع قوية للغاية لتلبية متطلبات أجهزة النظام المختلفة لعرض النطاق الترددي لنقل البيانات. إلى جانب ذلك ، يمكن إدخال بطاقة PCI-E الأقصر في فتحة PCI-E الأطول في أحد التطبيقات ، ويمكن لواجهة PCI-E أيضًا دعم التوصيل السريع ، والذي يعتبر علامة فارقة في الصناعة.

 

يحدد معيار PCI Express عرض الارتباط × 1 （250 ميجابايت / ثانية） ، × 2 ، × 4 ، × 8 ، × 12 ، × 16 ، × 32. ولكن وفقًا للوضع الحالي لـ PCI-E ، يسي-E زنومك و PCI-E x 16 نوعان من المواصفات الرئيسية. في الوقت نفسه ، أضاف العديد من مصنعي الشرائح PCI-E X1 إلى قائمة شريحة South Bridge ، و PCI-E X16 إلى شريحة North Bridge. بصرف النظر عن معدل نقل البيانات المرتفع ، يمكن لكل بصمة مادية لموصلات PCI-E تحقيق عرض نطاق ترددي أكبر من مواصفات الإدخال / الإخراج التقليدية نظرًا لأن PCI-E ينقل البيانات من خلال حزم بيانات المنفذ التسلسلي. وبالتالي ، يمكن أن يقلل هذا من تكلفة الإنتاج ويقلل من حجم أجهزة PCI-E. بالإضافة إلى ذلك ، يدعم PCI-E أيضًا إدارة الطاقة المتقدمة ، والتبديل السريع ، ونقل البيانات المتزامن ، وتحسين عرض النطاق الترددي لنقل البيانات ذات الأولوية.

 

7. إصدارات مختلفة لمواصفات PCI-E

 

● يسي إكسبريس شنومكس

في عام 2003 ، أدخلت PCI-SIG PCIe 1.0a ، بمعدل بيانات لكل مسار يبلغ 250 ميجابايت / ثانية ومعدل نقل 2.5 جيجا في الثانية (GT / s). نظرًا لأن كل بايت عبارة عن 10 بتات (بتة بداية واحدة ، و 1 بتات بيانات ، وبتة نهاية واحدة) ، فإن معدل الإرسال هو 8G / 1 = 2.5 ميجابايت / ثانية (10 ميجابايت في الثانية). من خلال ذلك ، يمكن حساب أن معدل النقل أحادي الاتجاه لـ PCI-E 250X هو 250 ميجابايت / ثانية * 16 = 250 جيجابايت / ثانية ، ومعدل النقل ثنائي الاتجاه هو 16 جيجابايت / ثانية.

 

● يسي إكسبريس شنومكس

أعلنت PCI-SIG عن توفر مواصفات PCI Express Base 2.0 في 15 يناير 2007. حدد PCI-E 1X (معيار 2.0) معدل باود 5G أحادي الاتجاه للإرسال. نظرًا لأن كل بايت عبارة عن 10 بتات (بتة بداية واحدة ، و 1 بتات بيانات ، وبتة نهاية واحدة) ، فإن معدل الإرسال أحادي الاتجاه هو 8G / 1 = 5 ميجابايت / ثانية (10 ميجابايت في الثانية). من خلال ذلك ، يمكن استنتاج أن معدل النقل أحادي الاتجاه لـ PCI-E 500X (معيار 500) هو 16 ميجابايت / ثانية * 2.0 = 500 جيجابايت / ثانية ، ومعدل النقل ثنائي الاتجاه هو 16 جيجابايت / ثانية ، ومعدل سرعة السفينة لـ PCI-E 8X (16 قياسي) هو 32 جيجابايت / ثانية.

 

● بي سي آي إي 3.0 

في أغسطس 2007 ، أعلن PCI-SIG أن PCI Express 3.0 سيحمل معدل بت يبلغ 8 جيجا بايت في الثانية (GT / s). يستخدم PCI-E 1X (معيار 3.0) معدل باود أحادي الاتجاه 10 جيجا للإرسال. نظرًا لأن كل بايت عبارة عن 10 بتات (1 بتة بدء ، 8 بتات بيانات ، وبت نهاية واحدة) ، فإن معدل الإرسال أحادي الاتجاه هو 1G / 10 = 10 ميجابايت / ثانية (1000 ميجابايت في الثانية). لذلك ، يمكننا أن نستنتج أن معدل النقل أحادي الاتجاه لـ PCI-E X1000 (معيار 16) هو 3.0 ميجابايت / ثانية * 1000 = 16 جيجابايت / ثانية ، ومعدل النقل ثنائي الاتجاه هو 16 جيجابايت / ثانية ، معدل النقل ثنائي الاتجاه لـ PCI-E X32 (قياسي 32) يصل إلى 3.0 جيجابايت / ثانية.

∆ مواصفات PCIe مختلفة: من PCI إلى PCIe 6.0

● PCI-E4.0

تم الإعلان عن PCI-SIG مبدئيًا عن PCI Express 4.0 في 29 نوفمبر 2011 ، مما يوفر معدل بت 16 GT / s يضاعف عرض النطاق الترددي الذي توفره يسي إكسبريس شنومكس. لذلك ، يمكن أن يصل معدل الإرسال ثنائي الاتجاه ذي 16 قناة نظريًا إلى 512 جيجابت / ثانية ، أي 64 جيجابايت / ثانية. بالإضافة إلى ذلك ، سيعمل معيار PCI-E 4.0 على تحسين أجهزة التخزين مع واجهات PCI-E ، مثل محركات الأقراص الثابتة PCI-E (HDD) وبطاقات PCI-E RAID ، للاستفادة من مزايا زمن الوصول المنخفض لـ PCI-E أوتوبيس.

 

قدمت مواصفات PCI E 4.0 أيضًا OCuLink-2 ، وهو بديل لـ Thunderbolt الذي تروج له Intel. تم تطوير PCI-E OCuLink على أساس PCI-E 3.0 وسيستخدم الكابلات النحاسية كوسيط اتصال ، مما يوفر معدل اتصال بحد أدنى 8 جيجابت / ثانية (PCI-E 3.0 x1) وبحد أقصى 32 جيجابت / ثانية (PCI-E 3.0 x4).

 

● PCI-E5.0

نظرًا لأن PCIe 5.0 زاد معدل الإشارة إلى 32 جيجابت / ثانية ، فقد وصل معدل إشارة جهاز Ethernet إلى 56 جيجابت في الثانية ، وكان ينتقل نحو 112 جيجابت في الثانية. فيما يتعلق بمعدل نقل البيانات ، يمكن لأجهزة القياس في الوقت الحاضر أن تلبي تمامًا طلب القياس لإشارة بيانات PCIe 5.0. في الواقع ، يتم تعديل إشارة PCIe 5.0 بواسطة NRZ ، بينما تكون إشارة Ethernet بسرعة 56 جيجابت في الثانية بواسطة تقنية PAM4 والتردد الأساسي.

 

8. سرعات الارتباط وقدرات النطاق الترددي لفتحات PCIe الشائعة

يوضح الجدول التالي معدل نقل البيانات وفقًا لمعايير مختلفة وعرض بتات مختلف.

Δ يسي إكسبريس Versions و Bوعرض 

 

يوضح الشكل أدناه عرض النطاق الترددي أحادي الاتجاه / معدل نقل البيانات المحدد في إصدارات مواصفات PCIe المختلفة.

Δ عرض النطاق الترددي x1 ، x4 ، x8 ، x16  فتحات PCIe

 

من الجدول والشكل ، يمكن استنتاج أن PCIe يضاعف عرض النطاق الترددي الخاص به كل 3 سنوات.

Δ التطوير والتنبؤ بنطاق PCIe الفعلي وعرض النطاق الترددي للإدخال / الإخراج 

 

وفي الختام

يعمل PCI Express في التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والخادم ، كوصلة بينية على مستوى اللوحة الأم (لربط الأجهزة الطرفية المثبتة على اللوحة الأم). تطور PCIe من PCI المولود في عام 1992 إلى PCIe 5.0 الحالي. في الوقت الحاضر ، أصبحت فتحة PCI-E هي فتحة التوسعة الرئيسية على اللوحة الأم. بالإضافة إلى التطبيق الموجود في بطاقات الرسومات ، يمكن أيضًا استخدام فتحات PCI-E في الأجهزة مثل بطاقات الصوت المستقلة وبطاقات الشبكة المستقلة وبطاقات توسيع واجهة USB 3.0 / 3.1 ومحركات أقراص الحالة الثابتة.