PCI Express

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PCI Express
PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), oficialmente abreviado como PCIe ou PCI-e,[1] é um padrão de barramento de expansão de computador serial de alta velocidade, projetado para substituir os antigos padrões de barramento PCI, PCI-X e AGP. É a interface de placa-mãe usual para placas gráficas de computadores pessoais, controladores de disco rígido, SSDs, conexões de hardware Wi-Fi e Ethernet.[2] O PCIe tem inúmeras melhorias em relação aos padrões mais antigos, incluindo maior taxa de transferência máxima do barramento do sistema, menor contagem de pinos de E/S e menor espaço físico, melhor dimensionamento de desempenho para dispositivos de barramento, um mecanismo de detecção e relatório de erros mais detalhado (Relatório avançado de erros, AER),[3] e funcionalidade nativa de hot swap. Revisões mais recentes do padrão PCIe fornecem suporte de hardware para virtualização de E/S.
A interface elétrica PCI Express é medida pelo número de pistas simultâneas.[4] (Uma pista é uma única linha de envio/recebimento de dados. A analogia é uma rodovia com tráfego em ambas as direções.) A interface também é usada em vários outros padrões - mais notavelmente na interface de placa de expansão de laptop chamada ExpressCard. Também é usado nas interfaces de armazenamento de Sata Express, U.2 (SFF-8639) e M.2.
As especificações de formato são mantidas e desenvolvidas pelo PCI-SIG (PCI Special Interest Group) - um grupo de mais de 900 empresas que também mantém as especificações convencionais do PCI.
Arquitetura
Exemplo da topologia PCI Express:
as "caixas de junção" brancas representam as portas downstream do dispositivo PCI Express, enquanto as cinzas representam as portas upstream.[5]:7
Placa PCI Express x1 contendo um switch PCI Express (coberto por um pequeno dissipador de calor), que cria vários endpoints a partir de um endpoint e permite que vários dispositivos o compartilhem
Os slots PCIe em uma placa-mãe geralmente são rotulados com o número de pistas PCIe que eles possuem. Às vezes, o que pode parecer um slot grande pode ter apenas algumas pistas. Por exemplo, um slot x16 com apenas 4 pistas PCIe é bastante comum.[6]
Conceitualmente, o barramento PCI Express é uma substituição serial de alta velocidade do antigo barramento PCI/PCI-X.[7] Uma das principais diferenças entre o barramento PCI Express e o PCI mais antigo é a topologia do barramento; O PCI usa uma arquitetura de barramento paralelo compartilhado, na qual o host PCI e todos os dispositivos compartilham um conjunto comum de endereços, dados e linhas de controle. Em contraste, o PCI Express é baseado na topologia ponto a ponto, com links seriais separados conectando cada dispositivo ao complexo raiz(hospedeiro). Por causa de sua topologia de barramento compartilhado, o acesso ao barramento PCI mais antigo é arbitrado (no caso de vários mestres) e limitado a um mestre por vez, em uma única direção. Além disso, o esquema de clock PCI mais antigo limita o clock do barramento ao periférico mais lento no barramento (independentemente dos dispositivos envolvidos na transação do barramento). Em contraste, um link de barramento PCI Express suporta comunição full-duplex entre quaisquer dois terminais, sem limitação inerente ao acesso simultâneo em vários terminais.
Em termos de protocolo de barramento, a comunicação PCI Express é encapsulada em pacotes. O trabalho de empacotamento e desempacotamento de dados e tráfego de mensagens de status é tratado pela camada de transação da porta PCI Express (descrita posteriormente). Diferenças radicais na sinalização elétrica e no protocolo de barramento exigem o uso de um fator de forma mecânico diferente e conectores de expansão (e, portanto, novas placas-mãe e novas placas adaptadoras); Os slots PCI e os slots PCI Express não são intercambiáveis. No nível do software, o PCI Express preserva a compatibilidade com o PCI; software de sistema PCI legado pode detectar e configurar dispositivos PCI Express mais recentes sem suporte explícito para o padrão PCI Express, embora os novos recursos PCI Express sejam inacessíveis.
O link PCI Express entre dois dispositivos pode variar em tamanho de uma a 16 pistas. Em um link de várias vias, os dados do pacote são distribuídos pelas vias e a taxa de transferência de dados de pico é dimensionada com a largura geral do link. A contagem de pistas é negociada automaticamente durante a inicialização do dispositivo e pode ser restringida por qualquer ponto final. Por exemplo, uma placa PCI Express de pista única (x1) pode ser inserida em um slot de várias pistas (x4, x8, etc.), e o ciclo de inicialização negocia automaticamente a contagem mais alta de pistas mutuamente suportadas. O link pode se configurar dinamicamente para usar menos pistas, fornecendo uma tolerância a falhas caso haja pistas ruins ou não confiáveis. O padrão PCI Express define larguras de link de x1, x2, x4, x8 e x16. Até e incluindo os links PCIe 5.0, x12 e x32 também foram definidos, mas nunca usados.[8] Isso permite que o barramento PCI Express atenda tanto a aplicativos de custo-benefício onde não é necessária alta taxa de transferência, quanto a aplicativos de desempenho crítico, como gráficos 3D, rede (10 Gigabit Ethernet ou Gigabit Ethernet multiporta) e armazenamento corporativo (SAS e Fibre channel). Slots e conectores são definidos apenas para um subconjunto dessas larguras, com larguras de link intermediárias usando o próximo tamanho de slot físico maior.
Como ponto de referência, um dispositivo PCI-X (133 MHz 64 bits) e um dispositivo PCI Express 1.0 usando quatro pistas (x4) têm aproximadamente a mesma taxa de transferência de direção única de pico de 1064 MB/s. O barramento PCI Express tem o potencial de ter um desempenho melhor do que o barramento PCI-X nos casos em que vários dispositivos estão transferindo dados simultaneamente ou se a comunicação com o periférico PCI Express for bidirecional.
Interconexão
Um link PCI Express entre dois dispositivos consiste em uma ou mais pistas, que são canais dual simplex usando dois pares de sinalização diferencial.[5]:3
Os dispositivos PCI Express se comunicam por meio de uma conexão lógica chamada de interconexão[9] ou link. Um link é um canal de comunicação ponto a ponto entre duas portas PCI Express permitindo que ambas enviem e recebam solicitações PCI comuns (configuração, E/S ou leitura/gravação de memória) e interrupções (INTx, MSI ou MSI-X). No nível físico, um link é composto por uma ou mais pistas.[9] Periféricos de baixa velocidade (como uma placa Wi-Fi 802.11) usam um link de pista única (x1), enquanto um adaptador gráfico normalmente usa um link de 16 pistas (x16) muito mais amplo e, portanto, mais rápido.
Linha
Uma pista é composta por dois pares de sinalização diferencial, sendo um par para recepção de dados e outro para transmissão. Assim, cada pista é composta por quatro fios ou traços de sinal. Conceitualmente, cada pista é usada como um fluxo de bytes full-duplex, transportando pacotes de dados em formato "byte" de oito bits simultaneamente em ambas as direções entre os terminais de um link.[10] Os links físicos PCI Express podem conter 1, 4, 8 ou 16 vias.[11][5]:4,5[9] As contagens de pistas são escritas com um prefixo "x" (por exemplo, "x8" representa um cartão ou slot de oito pistas), sendo x16 o maior tamanho de uso comum.[12] [13] Os tamanhos das pistas também são referidos pelos termos "largura" ou "por", por exemplo, um slot de oito pistas pode ser referido como "por 8" ou como "8 pistas de largura".
Para tamanhos de cartões mecânicos, veja abaixo.
Barramento serial
A arquitetura de barramento serial vinculado foi escolhida em relação ao barramento paralelo tradicional devido às limitações inerentes deste último, incluindo operação half-duplex, contagem de sinal em excesso e largura de banda inerente menor devido à distorção de tempo. A distorção de tempo resulta de sinais elétricos separados dentro de uma interface paralela viajando através de condutores de diferentes comprimentos, em camadas deplacas de circuito impresso (PCB) potencialmente diferentes e em velocidades de sinal possivelmente diferentes. Apesar de ser transmitido simultaneamente como uma única palavra, os sinais em um interface paralela têm diferentes durações de viagem e chegam aos seus destinos em momentos diferentes. Quando o período de clock da interface é menor que a maior diferença de tempo entre as chegadas do sinal, a recuperação da palavra transmitida não é mais possível. Como a distorção de tempo em um barramento paralelo pode chegar a alguns nanossegundos, a limitação de larguda de banda resultante está na faixa de centenas de megahertz.
Topologias altamente simplificadas da interface compartilhada PCI herdada (paralela) e da interface ponto a ponto serial PCIe[13]
Uma interface serial não exibe distorção de tempo porque há apenas um sinal diferencial em cada direção dentro de cada pista e não há sinal de clock externo, pois as informações de clock estão incorporadas no próprio sinal serial. Como tal, as limitações típicas de largura de banda em sinais seriais estão na faixa de vários gigahertz. PCI Express é um exemplo da tendência geral de substituir barramentos paralelos por interconexões seriais; outros exemplos incluem Serial ATA (SATA), USB, Serial Attached SCSI (SAS), FireWire (IEEE 1394) e RapidIO. Em vídeo digital, exemplos de uso comum são DVI, HDMI e DisplayPort.
O design serial multicanal aumenta a flexibilidade com sua capacidade de alocar menos pistas para dispositivos mais lentos.