PCI Express

Физический уровень и конструктивы PCI Express

Подробности

Родительская категория: PCI Express

Категория: PCI Express

Физический уровень интерфейса допускает как электрическую, так и оптическую реализацию. Базовое соединение электрического интерфейса (1x) состоит из двух дифференциальных низковольтных сигнальных пар — передающей (сигналы PETp0, PETn0) и принимающей (PERp0, PERn0). В интерфейсе применена развязка передатчиков и приемников по постоянному току, что обеспечивает совместимость компонентов независимо от технологии изготовления компонентов и снимает некоторые проблемы передачи сигналов. Для передачи используется самосинхронизирующееся кодирование, что позволяет достигать высоких скоростей передачи. Базовая скорость — 2,5 Гбит/с «сырых» данных (после кодирования 8B/10B) в каждую сторону, в перспективе планируются и более высокие скорости. Для масштабирования пропускной способности возможно агрегирование сигнальных линий (lanes, сигнальных пар в электрическом интерфейсе), по одинаковому числу в обоих направлениях. Спецификация рассматривает варианты соединений из 1, 2, 4, 8, 12, 16 и 32 линий (обозначаются как x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32); передаваемые данные между ними распределяются побайтно. В каждой из линий самосинхронизация выплняется независимо, так что явление переноса (бич параллельных интерфейсов) отсутствует. Таким образом достижима скорость до 32×2,5 = 80 Гбит/с, что примерно соответствует пиковой скорости 8 Гбайт/с. Во время аппаратной инициализации в каждом соединении согласуется число линий и скорость передачи; согласование выполняется на низком уровне без какого-либо программного участия. Согласованные параметры соединения действуют на все время последующей работы.

Обеспечение «горячего» подключение на физическом уровне PCI Express не требует каких-либо дополнительных аппаратных затрат, поскольку двухточечное соединение не затрагивает «лишних» участников. Безопасная коммутация сигналов не требуется, возможности подключаемого устройства никак не влияют на режимы работы остальных устройств.

Малое число сигнальных контактов интерфейса дает большую свободу в выборе конструктивных реализаций PCI Express:

• соединение компонентов в пределах платы;
• слоты и карты расширения в конструктивах PC/AT и ATX;
• внутренние и внешние карты расширения мобильных ПК;
• малогабаритные модули ввода/вывода для серверов и коммуникационной аппаратуры;
• модули для промышленных компьютеров;
• разъемное подключение «дочерних» карт (mezannine interface);
• кабельные соединения блоков.

Для карт расширения в конструктивах PC/AT и ATX предусматриваются разные модификации разъема-слота PCI Express, отличающиеся числом пар сигнальных линий (x1, x4, x8, x16) и, соответственно, размером (см. рисунок ниже). При этом в слоты большего размера можно устанавливать карты с разъемом того же размера или меньшего (это называется Up-plugging). Однако противоположный вариант (Downplugging) — большую карту в меньший слот — механически невозможен (в PCI/PCI-X это возможно). Как было показано выше, самый маленький вариант PCI Express обеспечивает пропускную способность на уровне стандартной шины PCI.

Назначение контактов слотов PCI Express приведено в таблице ниже.

Набор сигналов интерфейса PCI Express невелик:

• PETp0, PETn0… PETp15, PETn15 — выходы передатчиков сигнальных пар 0…15;
• PERp0, PERn0… PERp15, PERn15 — входы приемников;
• REFCLK+ и REFCLK — сигналы опорной частоты 100 МГц;
• PERST# — сигнал сброса карты;
• WAKE# — сигнал «пробуждения» (от карты);
• PRSNT1#, PRSNT2# — сигналы обнаружения подключения-отключения карты для системы горячего подключения. На карте эти цепи соединяются между собой, причем для PRSNT2# выбирается контакт с самым большим номером. Это позволяет точнее отслеживать моменты подключения-отключения (в случае наклона карты). Для определения числа линий подключенной карты данные линии не используются — разрядность линий определяется автоматически при установлении соединения (в процедуре тренировки).

Дополнительно на слоте имеются необязательные сигналы шины SMBus (SMB_CLK и SMB_DATA) и интерфейса JTAG (TCLK, TDI, TDO, TMS, TRST#).

Питание на карты подается по следующим шинам:

• +3,3V — основное питание +3 В при токе до 9 А;
• +12V — основное питание +12 В при токе до 0,5/2,1/4,4А для слотов x1/x4, x8/x16 соответственно;
• +3,3Vaux — дополнительное питание, ток до 375 мА в системах, способных к пробуждению по сигналу от карты и до 20 мА в непробуждаемых системах.

 

Таблица. Разъемы PCI Express

№	Ряд B	Ряд A
1	+12V	PRSNT1#
2	+12V	+12V
3	Резерв	+12V
4	GND	GND
5	SMB_CLK	TCK
6	SMB_DATA	TDI
7	GND	TDO
8	+3.3 V	TMS
9	TRST#	+3.3 V
10	+3.3 Vaux	+3.3 V
11	WAKE#	PERST#
КЛЮЧ
12	Резерв	GND
13	GND	REFCLK+
14	PETp0	REFCLK-
15	PETn0	GND
16	GND	PERp0
17	PRSNT2#	PERn0
18	GND	GND
Конец x1-коннектора
19	PETp1	Резерв
20	PETn1	GND
21	GND	PERp1
22	GND	PERn1
23	PETp2	GND
24	PETn2	GND
25	GND	PERp2
26	GND	PERn2
27	PETp2	GND
28	PETn2	GND
29	GND	PERp3
30	Резерв	PERn3
31	PRSNT2#	GND
32	GND	Резерв
Конец x4-коннектора
33	PETp4	Резерв
34	PETn4	GND
35	GND	PERp4
36	GND	PERn4
37	PETp5	GND
38	PETn5	GND
39	GND	PERp5
40	GND	PERn5
41	PETp6	GND
42	PETn6	GND
43	GND	PERp6
44	GND	PERn6
45	PETp7	GND
46	PETn7	GND
47	GND	PERp7
48	PRSNT2#	PERn7
49	GND	GND
Конец x8-коннектора
50	PETp8	Резерв
51	PETn8	GND
52	GND	PERp8
53	GND	PERn8
54	PETp9	GND
.....	.....	.....
79	PETn15	GND
80	GND	PERp15
81	PRSNT2#	PERn15
82	GND	GND
Конец x16-коннектора

 

Для мобильных компьютеров PCMCIA ввела конструктив ExpressCard (см. следующий рисунок), для которого на системный разъем выводится два интерфейса: PCI Express (1x) и USB 2.0. Модули ExpressCard компактнее прежних карт PCMCIA (PC Card и CardBus); предлагается две модификации, различающиеся по ширине: ExpressCard/34 (34×75×5 мм) и ExpressCard/54 (54×75×5 мм). Толщина модулей всего 5 мм, но, если требуется, то более длинные модули могут иметь утолщения в части, выходящие за габариты корпуса компьютера (за пределами 75 мм от края разъема). Как и прежние карты PCIMCIA, карты ExpressCard доступны пользователям и поддерживают «горячее» подключение.

Для внутренних карт расширения блокнотных ПК введен конструктив Mini PCI Express (см. рисунок ниже), формат которого происходит от Mini PCI Type IIIA. Благодаря уменьшению числа контактов ширина карты уменьшена до 30 мм, так что на месте одной карты Mini PCI можно разместить пару карт Mini PCI Express. На разъем карты (см. таблицу ниже) кроме PCI Express выведены интерфейсы последовательных шин USB 2.0 (USB_D+ и USB_D-) и SMBus (SMB_CLK и SMB_DATA), питание +3,3 В (750 мА основное и 250 мА дополнительное) и +1,5 В (375 мА). Собственно интерфейс PCI Express (x1) занимает всего 6 контактов (выходы передатчика PETp0 и PETn0, входы приемника PERp0 и PERn0, а также сигналы опорной частоты 100 МГц REFCLK+ и REFCLK-. Сигнал PERST# — сброс карты, сигнал WAKE# — «пробуждение» (от карты). Сигналы LED_Wxxx# служат для управления светодиодными индикаторами состояния.

 

Таблица. Разъемы Mini PCI Express

№	Цепь	№	Цепь
1	WAKE#	2	3.3 V
3	Резерв	4	GND
5	Резерв	6	1.5 V
7	Резерв	8	Резерв
9	GND	10	Резерв
11	REFCLK+	12	Резерв
13	REFCLK-	14	Резерв
15	GND	16	Резерв
Ключ
17	Резерв	18	GND
19	Резерв	20	Резерв
21	GND	22	PERST#
23	PERn0	24	+3.3 V
25	PERp0	26	GND
27	GND	28	+1.5 V
29	GND	30	SMB_CLK
31	PETn0	32	SMB_DATA
33	PETp0	34	GND
35	GND	36	USB_D-
37	Резерв	38	USB_D+
39	Резерв	40	GND
41	Резерв	42	LED_WWAN#
43	Резерв	44	LED_WLAN#
45	Резерв	46	LED_WPAN#
47	Резерв	48	+1.5 V
49	Резерв	50	GND
51	Резерв	52	+3.3 V

 

С интерфейсом PCI Express удобно компонуются модули ввода/вывода и сетевых интерфейсов для серверов и коммуникационных устройств стоечного исполнения. Такие модули могут быть достаточно компактными (высота 2U не вызывает проблем размещения разъема), при этом производительности интерфейса достаточно даже для таких критичных модулей, как Fibre Channel, Gigabit Ethernet (GbE), 10GbE.

Интерфейс PCI Express принимается и для промышленных компьютеров, для чего имеются спецификации PICMG 3.4 (малогабаритные конструктивы для x1, x2 и x4), а также конструктивы в формате Compact PCI.

Интерфейс PCI Express существует и в кабельном исполнении для кабельных соединений блоков, находящихся на небольшом удалении друг от друга. Так, например, по PCI Express можно подключать док-станции к блокнотным ПК. Возможность вывода интерфейса системного уровня за пределы корпуса компьютера из предшественников PCI Express поддерживала только шина ISA, и то только при низких скоростях обмена (на частотах до 5 МГц). Из новых последовательных интерфейсов системного уровня эта возможность имеется и в InfiniBand. Наличие кабельного варианта высокопроизводительного интерфейса системного уровня может позволить отойти от традиционной компоновки компьютера, при которой в системном блоке концентрируются все компоненты, требующие интенсивного обмена с ядром компьютера.

• < Назад