PCIe - PCI Express
PCI Express (PCIe) ist angetreten (Einführung im Jahr 2004), um AGP als Grafikkarten-Schnittstelle und Steckplatz ein Ende zu setzen. Und auch der PCI soll als lokales Bussystem abgelöst werden. Denn moderne Erweiterungskarten und Peripherie benötigen eine schnelle Schnittstelle zum Chipsatz und Prozessor. Dazu gehören vor allem Grafikkarten und Gigabit-Netzwerkkarten.
Neben der Desktop-Computer-Variante gibt es mit dem PCI Express Advanced Switching die Variante, die in modularen Servern als Backplane-Standard zum Einsatz kommt. PCI Express verbindet mehrere Server und Baugruppen zu einem Computersystem oder Telekommunikations-Server. Diese Technik eignet sich für zeitkritische Anwendungen, wie Bild- und Tonwiedergabe. Funktionen zur Reservierung von Mindestbandbreiten stehen ebenfalls zur Verfügung.
Leistungsmerkmale
PCI-Express ist für Kupferleitungen und optische Verbindungen vorgesehen. Die PCI-Express-Spezifikation beschreibt das Software-Protokoll, elektrische und mechanische Eigenschaften der Steckverbinder und Erweiterungskarten. Davon ist einiges von den seriellen Verbindungssystemen, wie USB und FireWire, bekannt.
- Ein- und Ausstecken im laufenden Betrieb (Hot-Plug)
- pro Leitung und Richtung 2,5 GBit/s Transferrate
- bündeln mehrerer Leitungen zur Steigerung der Übertragungsrate
Steckplatz / Schnittstelle
 |
 |
|---|---|
| Nahaufnahme eines 1x PCIe Steckplatzes |
Motherboard mit zwei langen 16x-PCIe-Steckplätzen und drei kurzen 1x-PCIe-Steckplätzen |
Architektur bzw. Topologie von PCIe
 |
 |
|---|---|
| Klassisches Bridge-Modell (Bus-Topologie) |
Modernes Switch-Modell (Stern-Topologie) |
Im Gegensatz zu PCI, mit der Busstruktur, bei der sich alle angeschlossenen Komponenten die verfügbare Bandbreite teilen müssen, werden bei PCI Express serielle Verbindungen zu einem Switch geschaltet, der sich im Chipsatz befindet. Der Switch verbindet eine PCIe-Baugruppe direkt mit dem Arbeitsspeicher oder anderen Baugruppen mit der vollen Bandbreite und Geschwindigkeit.
Auf der logischen Ebene ist PCIe voll kompatibel zum normalen PCI. Das Betriebssystem merkt keinen Unterschied. Auch im Windows-Gerätemanager ist von PCIe nicht viel zu erkennen.
Die Gründe für den Umstieg von der bewährten Busstruktur zu seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen liegt in der riesigen Anzahl von Adress- und Signalleitungen. Die steigende Anzahl an Signalleitungen auf dem Motherboard benötigt sehr viel Platz, verbunden mit einem hohen Stromverbrauch. Auch die Übertragungsgeschwindigkeit lässt sich nicht beliebig steigern, weil sich die parallel liegenden Leitungen gegenseitig beeinflussen (Übersprechen).
Übertragungstechnik
Die Übertragungstechnik von PCI Express beruht auf zwei Leitungspaaren (4 Adern), die als Link oder Lane bezeichnet werden. Auf jedem Leitungspaar werden die elektrischen Signale mit 1,25 GHz übertragen. Pro Richtung lassen sich 2,5 GBit pro Sekunden (brutto) übertragen. Pro Link sind das netto 250 MByte pro Sekunde. Zur Steigerung der Geschwindigkeit darf ein Gerät auch mehrere Links benutzen. Insgesamt lassen sich bis zu 32 Links bündeln. So ist eine Übertragungskapazität von 80 GBit/s brutto oder 8 GByte/s netto erreichbar.
In der Praxis sieht es jedoch so aus, dass einfache Erweiterungskarten nur einen Link haben. Ausnahmen bilden Grafikkarten-Slots, die als PEG (PCI Express for Graphics) bezeichnet werden. Ihnen stehen 16 Links zur Verfügung.
Die Aufteilung der Links des Controllers auf die Hardware-Slots und Onboard-Komponenten werden beim Design des Mainboards festgelegt. Man unterscheidet zwischen x1-, x4-, x8- und x16-Slots. Um die Karten leichter unterscheiden zu können gibt es unterschiedlich lange Steckplätze. Die für einen Link (1x) sind kurz und die für 16 Links (16x) sind deutlich länger. Steckplätze für 4x und 8x gibt es noch nicht.
| PCIe-Slot | Links/Lanes | Bandbreite | Taktrate | Bemerkung |
|---|---|---|---|---|
| PCI Express 1.1 x1 | 1 (je Richtung) | 0,25 GByte/s | 1,25 GHz | Slots für Peripherie |
| PCI Express 1.1 x4 | 4 (je Richtung) | 1 GByte/s | 1,25 GHz | |
| PCI Express 1.1 x8 | 8 (je Richtung) | 2 GByte/s | 1,25 GHz | |
| PCI Express 1.1 x16 | 16 (je Richtung) | 4 GByte/s | 1,25 GHz | PEG - PCI Express for Graphics |
| PCI Express 1.1 x32 | 32 (je Richtung) | 8 GByte/s | 1,25 GHz | kein Steckplatz |
| PCI Express 2.0 x1 | 1 (je Richtung) | 0,5 GByte/s | 2,5 GHz | Slots für Peripherie |
| PCI Express 2.0 x4 | 4 (je Richtung) | 2 GByte/s | 2,5 GHz | |
| PCI Express 2.0 x8 | 8 (je Richtung) | 4 GByte/s | 2,5 GHz | |
| PCI Express 2.0 x16 | 16 (je Richtung) | 8 GByte/s | 2,5 GHz | PEG - PCI Express for Graphics |
| PCI Express 2.0 x32 | 32 (je Richtung) | 16 GByte/s | 2,5 GHz | kein Steckplatz |
Kompatibilität von PCI-Express-Grafikkarten
| Karte/Steckplatz | PCIe x1 | PCIe x4 | PCIe x8 | PCIe x16 |
|---|---|---|---|---|
| PCI Express x1 | Ok | Ok | Ok | Ok |
| PCI Express x4 | - | Ok | ? | ? |
| PCI Express x8 | - | - | Ok | ? |
| PCI Express x16 | - | - | - | Ok |
Ok = kompatibel / - = nicht kompatibel / ? = nicht vorgeschrieben aber möglich
PCI-Express 1.0/1.1
Zwischen PCIe-1.0 und PCIe-1.1 besteht praktisch kein Unterschied. Die Taktfrequenz ist auf 1,25 GHz pro Link bzw. 2,5 GBit/s festgelegt.
PCI-Express 2.0
Die Taktfrequenz wurde auf 2,5 GHz pro Link erhöht. Somit steht pro Link eine Bandbreite von 5 GBit/s zur Verfügung. Im Optimalfall erreicht man eine Nettotransferrate von 500 MByte/s.
PCIe 2.0 ist zu PCIe 1.0/1.1 abwärtskompatibel. Doch Vorsicht, zwar sollten PCIe-1.1-Karten in PCIe-2.0-Slots funktionieren. Wenn es doch zu Problemen kommt hilft eventuell ein BIOS-Update. In der Spezifikation von PCIe 2.0 gibt es eine Besonderheit. Dort ist vorgeschrieben, dass PCIe-2.0-Karten auch in PCIe-1.1-Slots funktionieren müssen. Einen baulichen Unterschied gibt es nicht.
Der wesentliche Unterschied zwischen PCIe 2.0 und der älteren Version liegt in der maximal möglichen Übertragungsrate. PCIe 1.1 arbeitet mit 2,5 GBit/s pro Link. PCIe 2.0 unterstützt das auch und erreicht optional eine maximal mögliche Übertragungsrate von 5 GBit/s pro Link.
Übersicht: PCI Express
| Version | Takt | Bandbreite pro Link | Nettotransferrate pro Link |
|---|---|---|---|
| 1.0/1.1 | 1,25 GHz | 2,5 GBit/s | 250 MByte/s |
| 2.0 | 2,5 GHz | 5 GBit/s | 500 MByte/s |
| 3.0 | 5 GHz | 10 GBit/s | 1000 MByte/s |
Übersicht: Interne Bussysteme
- ISA - Industrial Standard Architecture
- PCI / PCI-X
- AMR / CNR / ACR
- AGP - Accelerated Graphics Port
- PEG - PCI Express for Graphics
Weitere verwandte Themen:
| Dieser Text ist mir was wert: | [ ? ] |