PCI

Der PCI-Bus

PCI-Steckplätze können genutzt werden, um Erweiterungskarten auf die Hauptplatine eines Computers zu stecken (Sound-, Netzwerk-und Grafikkarten usw.). Zum Überblick über den PCI-Bus benutzt man das Kommando lspci. Das Kommando unterscheidet in drei verbose Stufen. lspci -v gibt sehr detaillierte Informationen über den PCI-Bus.

Beispiel:

       root@user:/ # lspci -v
       ...
       00:02.0 VGA compatible controller: Intel Corporation Atom Processor Z36xxx/
       Z37xxx Series Graphics & Display (rev 0e) (prog-if 00 [VGA controller])
           Subsystem: Lenovo Device 368d
           Flags: bus master, fast devsel, latency 0, IRQ 88
           Memory at b0000000 (32-bit, non-prefetchable) [size=4M]
           Memory at a0000000 (32-bit, prefetchable) [size=256M]
           I/O ports at f080 [size=8]
           [virtual] Expansion ROM at 000c0000 [disabled] [size=128K]
           Capabilities: [d0] Power Management version 2
           Capabilities: [90] MSI: Enable+ Count=1/1 Maskable- 64bit-
           Capabilities: [b0] Vendor Specific Information: Len=07 <?>
           Kernel driver in use: i915

Das Programm lspci bezieht seine Informationen aus dem Verzeichnis /proc/bus/pci . Es wertet die Dateien aus und stellt sie übersichtlich dar. Mit t- stellt lspci die PCI-Geräte in einem Baumdiagramm dar.

PCI-Express

PCI Express („Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt PCIe oder PCI-E) ist ein Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors. PCIe ist der Nachfolger von PCI, PCI-X und AGP und bietet im Vergleich zu seinen Vorgängern eine höhere Datenübertragungsrate pro Pin.
Während ihrer Entwicklung wurde die Schnittstelle „3GIO“ genannt, was für „3rd Generation Input/Output“ steht.

Technik

PCIe ist im Gegensatz zum parallelen PCI-Bus kein geteiltes (shared) Bus-System, sondern besteht aus für jedes Gerät dedizierten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Einzelne Komponenten werden über Switches verbunden. Diese ermöglichen es, direkte Verbindungen zwischen einzelnen PCIe-Geräten herzustellen, so dass die Kommunikation einzelner Geräte untereinander die erreichbare Datenrate anderer Geräte nicht beeinflusst.
Die einzelnen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen von PCI-Express werden durch eine oder mehrere Lanes einer selbstgetakteten seriellen Verbindung ausgeführt. Es gibt kein eigenes Taktsignal, lediglich ein viel geringerer Referenztakt von 100 MHz wird separat übertragen, der allerdings nicht für die Übertragung verwendet wird. Die Taktrückgewinnung erfolgt aus dem Empfangssignal. Dieses ist speziell dafür kodiert (bis PCIe  2.1 nach dem 8b/10b, PCIe 3.0 bis 5.0 eine „Scrambling“-Kodierung, welche 128 Netto-Datenbits jeweils 2 Synchronisations-Bits voranstellt).[6] Ab PCIe 6.0 werden pro Symbol 2 Bit übertragen, neben einem Synchronisationsymbol kommen 15 Symbole zur Vorwärtsfehlerkorrektur dazu.
Für das Senden der Daten werden Parallel-zu-seriell-Wandler und für den Empfang Seriell-zu-parallel-Wandler in den Baugruppen eingesetzt. Trotz dieses sehr abweichenden physischen Aufbaus ist PCIe softwareseitig voll kompatibel zu PCI, so dass weder Betriebssysteme und Treiber noch Anwendungsprogramme angepasst werden müssen.
PCIe ist vollduplexfähig (dual-simplex) und arbeitet je nach Version mit 250, 500, 985, 1969 oder 3938 MB/s pro Lane und Richtung. In der Entwicklungsphase ist PCIe 6.0 mit 7529 MB/s pro Lane und Richtung.
Sämtliche Datenübertragungen und sämtliche Signale (z. B. IRQs) auf der PCIe-Verbindung werden in Pakete aufgeteilt. Auf Grund des grundlegend anderen elektrischen Aufbaus und der anderen Übertragungsform sind keine Mischgeräte möglich, die sowohl in PCI- als auch PCIe-Slots betrieben werden könnten. Das ist auch durch andere Anschlüsse bedingt, so dass für PCIe-Karten entsprechend neuere Motherboards bzw. Controller verwendet werden müssen.
PCIe ist wie PCI prinzipiell Hot-Plug-fähig, was das Ein- und Ausbauen von (z. B. defekten) Erweiterungskarten im laufenden Betrieb ermöglicht, sofern die Hardware und auch das Betriebssystem das unterstützen.

Topologien

PCI-Express kann über drei verschiedene elektrische Topologien angebunden sein:
PCI-Express-Gerät auf der Systemplatine
PCI-Express-Geräte verbunden über einen Steckverbinder auf der Systemplatine, in dem eine Add-On-Karte steckt
PCI-Express-Geräte verbunden über zwei Steckverbindern: einen auf der Systemplatine, in dem eine Riser-Karte steckt, und eine/mehrere Add-On-Karte(n) im/in den Steckplatz(en) der Riser-Karte (wird von PCI Express 4 passiv nicht mehr unterstützt).
Letztere weisen neben den Standardbusbreiten auch ×16 (als zwei ×8), ×24 (als drei ×8), ×32 (als zwei ×16) oder ×48 (als drei ×16) auf.
Bei auf dem Markt erhältlichen ×24, ×32 und ×48-Steckplätzen handelt es sich um Riser-Steckplätze zur Aufnahme von Erweiterungskarten, die dann 1 bis 3 PCI ×8- oder ×16-Karten aufnehmen können.

Übertragungsschichten

Die Übertragung wird durch mehrere Schichten dargestellt, von denen jede nur mit den direkt benachbarten Schichten kommuniziert, sowie für die auf dieser Schicht übertragenen Daten eine Fehlererkennung oder -korrektur durchführt.
Die unterste Schicht, der sogenannte Physical Layer, stellt die elektrische Verbindung zwischen zwei direkt miteinander verbundenen Geräten dar. Das sind zum Beispiel ein Endgerät (z. B. eine Einsteckkarte) und der nächstgelegene Switch. Die logische Verbindung („Link“) zwischen diesen Geräten besteht aus 1 bis 16 Lanes. Jede Lane wiederum besteht aus zwei Leitungspaaren, je ein differentielles Paar für das Senden und Empfangen (dual-simplex).
Sämtliche Daten, die zwischen PCIe-Geräten übertragen werden, werden gemischt über diese Leitungen übertragen, im Gegensatz zu PCI gibt es also keine eigenen Leitungen mehr für die Signalisierung von Interrupts. Da das serielle Protokoll jedoch nicht angehalten werden kann, ergibt sich eine etwas höhere und auch schwankende Interruptlatenz als bei klassischem PCI mit dedizierten Interruptleitungen.
Der Data Link Layer überträgt die Datenpakete des Transaction Layers zwischen den beiden Verbindungspartnern. Dazu versieht er diese mit einer Sequenznummer, sowie einem 32-Bit-CRC-Wert, dem sogenannten Link CRC (LCRC). Empfangene Pakete werden dem direkten Verbindungspartner mittels Data Link Layer Packets mitgeteilt, ebenso wie der Zustand des Pakets. Beschädigte oder verlorene Pakete werden vom Verbindungspartner erneut gesendet. Dadurch werden die höheren Layer von elektrischen Übertragungsstörungen entkoppelt.
Der Transaction Layer transportiert letztlich die Nutzdaten zwischen dem logischen Sender und Empfänger, das heißt ohne Berücksichtigung der dazwischenliegenden Switches. Die Transaction Layer Packets (TLP) enthalten im Header eine Kennzeichnung, um was für eine Art von Übertragung es sich handelt. Typische Beispiele sind Schreibzugriffe (Writes) sowie Leseanforderungen (Reads) sowie Leseantworten (Completions). Schreibzugriffe sind sogenannte posted transactions, das heißt, sie werden gesendet und erzeugen auf dem Transaction Layer keinerlei Antwort.

Stromversorgung

Ein PCI-Express-Steckplatz kann das daran angeschlossene Gerät mit Strom versorgen. Laut Spezifikation beträgt die gelieferte Leistung für einen gewöhnlichen Steckplatz wie bei PCI maximal 25 Watt, für Low-Profile-Karten höchstens 10 Watt und bei einem PEG-(PCIe-×16)-Steckplatz maximal 75 Watt.[7] Diese maximal 75 Watt sind aufgeteilt in 5,5 Ampere über 12 Volt (66 Watt) und 3 A über 3,3 V (9,9 W). Da das für manche Einsatzzwecke wie Grafikkarten oder USB 3.0-Karten jedoch häufig zu wenig ist, sieht die Spezifikation unterschiedliche Zusatzstecker zur Stromversorgung vor, sogenannte PCI Express (Graphics) Power Supply Connector (auch PEG-Connector oder PCIe-Kabel), die +12 Volt liefern.
Die erste Version der Zusatzstecker hat 6 Pins[8][9] und kann bis zu 75 Watt liefern, wodurch die dem Gerät maximal bereitgestellte Leistung auf 150 Watt steigt, bei Nutzung zweier solcher Stecker auf 225 Watt. In der Spezifikation von PCI Express 2.0 wurde ein neuer Zusatzstecker mit 8 Pins definiert, der maximal 150 Watt führen kann. Für noch höhere Leistungen kann ein zusätzlicher Stecker mit 6 Pins genutzt werden, der weitere 75 Watt zuführt, wodurch die maximale Leistungsaufnahme einer PCI-Express-Karte auf 300 Watt begrenzt ist (75 Watt vom Steckplatz, 150 Watt erster Stecker, 75 Watt zweiter Stecker).[10][9] Neue leistungsfähigere Grafikkarten, die seit Anfang 2011 auf dem Markt sind, sehen die Verwendung von zwei 8-Pin-Steckern vor. Dadurch erhöht sich die maximal zulässige Leistungsaufnahme auf 375 Watt. (75 Watt vom Steckplatz, 150 Watt erster Stecker, 150 Watt zweiter Stecker). Diese letzte Erweiterung ist noch nicht offiziell, wird aber bereits in entsprechenden Produkten eingesetzt.

Slot-Varianten

PCI-Express-Karten und PCI-Express-Steckplätze haben zwei Parameter:
Die mechanische Länge des Slots: Entsprechend der Länge des Slots oder Steckplatzes spricht man von PCIe ×1, PCIe ×4, PCIe ×8 oder PCIe ×16. Weiterhin gibt es „offene“ Steckplätze, in die man mechanisch beliebig lange Karten stecken kann. Allerdings funktioniert dort die Kartendetektion durch die #PRSNT-Kontakte nicht mehr.
Die maximal verwendbaren Lanes eines Steckplatzes oder einer PCIe-Karte: Häufig entsprechen sie der mechanischen Länge, können aber auch kleiner, aber niemals größer sein. Häufig anzutreffen sind mechanische ×16-Steckplätze, die elektrisch nur ×4 oder ×8 sind. Insbesondere ist es oft der Fall, dass bei Boards mit mehreren ×16-Steckplätzen diese bei gleichzeitiger Verwendung weniger Lanes bereitstellen.
Im Desktopbereich wird meist ×1 als Ersatz für den PCI-Bus und ×16 als Ersatz für den AGP-Steckplatz zur Anbindung von Grafikkarten verwendet. ×4 ist vor allem im Serverbereich für Karten mit hohem Durchsatz (Festplattencontroller, 10GE-Netzwerkkarten) zu finden.
Darüber hinaus gibt es noch die PCIe-Varianten ×4 und ×8. Die Slots sind außerdem abwärtskompatibel, das heißt eine ×1-Karte kann zum Beispiel auch in einen ×4-Slot gesteckt werden, von den vier Lanes des Steckplatzes wird dann nur eine Lane genutzt. Einige Motherboards besitzen PCIe-Steckplätze ohne abschließenden Steg („offener“ Steckplatz), so dass „größere“ Karten eingesteckt werden können. Sogar das Aufsägen von geschlossenen Slots ist möglich,[17] birgt aber das Risiko, durch die Säge das Mainboard mechanisch zu zerstören. Zudem dürfen keine Mainboard-Bauteile wie Kondensatoren, Stiftleisten, SATA-Anschlüsse oder M.2-Geräte den langen Anschluss an der Karte blockieren.
Möglich ist auch, dass Slots eine von der Bauform abweichende Anbindung der Lanes haben. Dies ist meist der Fall, wenn für SLI und Crossfire zwei (oder mehr) ×16-Slots vorhanden sind und die Hauptplatine beziehungsweise der darauf verwendete Chipsatz keine 32 Lanes für die Grafikkarten bereitstellt. Dann ist der untere Slot langsamer angebunden (meist ×4, oft auch nur mit der vorherigen Generation) und/oder er teilt sich bei seiner Verwendung die Lanes mit dem Hauptslot, was dann nur noch 8 Lanes auf dem Hauptslot ergibt. Allerdings findet in letzterem Fall diese Verminderung der Übertragungskapazität nicht nur bei zwei Grafikkarten statt, sondern beispielsweise auch bei Verwendung einer ×16-Grafikkarte und einer ×1-Karte in diesen Slots, so dass die Grafikkarte nur mit ×8 läuft und 7 Lanes ungenutzt bleiben. Das genaue Verhalten einer Hauptplatine ist in ihren Spezifikationen und im Handbuch vermerkt. Die Reduktion der Lanes senkt die Leistung allerdings bei weitem nicht um den gleichen Faktor: Ein Test zeigte 2011 durch Abkleben der Kontakte einiger der letzten PCIe-2.0-Karten, dass meist nur geringe Leistungseinbußen festzustellen waren. Bis runter auf PCIe 2.0 ×4 war der Verlust meist allenfalls messbar, während sich PCIe 2.0 ×1 insbesondere dann negativ auswirkte, wenn der Speicher der Grafikkarte zu klein war.
Der Steckplatz ist mechanisch in zwei Bereiche unterteilt: Im linken Bereich befinden sich immer 22 Steckkontakte, die hauptsächlich für die Stromversorgung und die Verwaltungskommunikation (SMBus, JTAG) verantwortlich sind. Im rechten Bereich befinden sich je nach Anzahl der Verbindungen 14 bis 142 Steckkontakte, die für die eigentliche Nutzdatenübertragung und weitere Signale konzipiert sind.
Darüber hinaus gibt es bei Notebooks miniaturisierte Varianten von PCIe, unter anderem ExpressCard, PCI Express Mini Card und M.2 für Erweiterungen wie WLAN und SSD oder als Mobile PCI Express Module für Grafikkarten. Zunächst in Servern, mittlerweile auch in Desktop-Computer und Notebooks werden SSDs auch direkt über PCI-Express angesprochen, siehe U.2 und NVMe. Auch M.2 ist hier inzwischen üblich.

Externer Link

https://de.wikipedia.org/wiki/PCI_Express