Что такое контроллер PCI Express: Различия x1 x4 x8 x16?

Разбираемся в различиях PCI-E разъема.

Обычно этот высокоскоростной порт относится к фактическим слотам расширения на материнской плате, которые принимают традиционные карты расширения на основе PCIe и типы карт расширения.

Старая видеокарта с интерфейсом AGP

PCI Express фактически заменил AGP и PCI, оба из которых заменили более старый широко используемый тип соединения, называемый ISA. Хотя ПК могут содержать различные слоты расширения, PCI Express считается стандартным внутренним интерфейсом самого быстрого разъема. Сегодня многие материнские платы для ПК производятся только с разъемами PCI Express.

Применение PCI Express в компьютере. Разъемы PCI Express

Контроллер (устройство управления) линий PCIe в последнее время интегрируется только в чипсет (основную схему) материнской платы. Но с 2009 года производители добавили контроллер PCIe непосредственно к процессору. Это уменьшает задержку и позволяет процессору более эффективно взаимодействовать с другими устройствами.

Версии и количество линий PCIe в разных моделях процессоров и чипсетов различаются. Большинство из них состоит из разъемов, расположенных на материнской плате. Они позволяют подключать к компьютеру самые разные устройства (видеокарты, звуковые карты, сетевые карты, адаптеры Wi-Fi и т.д.).

На материнской плате современного компьютера можно встретить разъемы PCIe разных типов, которые различаются количеством используемых в них линий PCIe (от x1 до x16). Независимо от того, сколько лет вашему компьютеру или какую версию PCIe он использует, эти разъемы всегда выглядят одинаково:
на фото: верхний слот PCIe x4, центральный слот PCIe x16, нижний слот PCIe x1

Несколько версий PCIe полностью совместимы. То есть, если вы установите, например, видеокарту с PCIe 4.0 в старый компьютер, который использует PCIe 2.0, она будет работать нормально. Однако фактическая скорость обмена данными будет ограничена возможностями PCIe 2.0.

И наоборот, вы можете легко установить старую видеокарту PCIe 2.0 в новый компьютер с интерфейсом PCIe 4.0.

Еще одна особенность PCIe — совместимость различных разъемов. В слот PCIe x16 можно подключить не только видеокарту, но и абсолютно любое другое устройство PCIe, в том числе со слотом PCIe x8, PCIe x4 или PCIe x1.

Совместимость коннекторов сохраняется и в обратном направлении. То есть вы можете установить видеокарту со слотом PCIe x16 в слот PCIe x1. Физически он туда не поместится, но если разрезать заднюю стенку разъема (как на изображении ниже), то все заработает.

Это, конечно, «мастерство», и делать это можно только в случае крайней необходимости. Также при таком подключении видеокарта будет работать в режиме PCIe x1, что очень негативно скажется на ее производительности.

В ноутбуках для установки дополнительных устройств вместо вышеупомянутых разъемов используется более компактный вариант — Mini PCIe. Дорожки PCIe также используются для создания других разъемов, особенно разъемов M.2 (используемых для подключения современных запоминающих устройств и других типов устройств).
на изображении показан разъем M.2 с запоминающим устройством внутри него

Как работает PCI Express?

Подобно более старым стандартам, таким как PCI и AGP, устройство на базе Express физически вставляется в высокоскоростной слот на материнской плате.

Интерфейс этого разъема обеспечивает высокоскоростную связь между устройством и материнской платой и другим оборудованием.

Хотя это не очень распространено, существует также внешняя версия высокоскоростного порта, неудивительно, что она называется External PCI Express, но часто сокращается до PCIe. Для внешних устройств ePCIe требуется специальный кабель для подключения любого внешнего устройства PCIe к ПК через порт PCIe, обычно расположенный на задней панели ПК, предоставляемый материнской платой или выделенной внутренней картой PCIe.

Типы устройств, использующих PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32

Для версии PCI Express 3.0 общая максимальная скорость передачи данных составляет 8 ГТ / с (гигатранзакций / с). На самом деле скорость для версии PCI-E 3 немного меньше одного гигабайта в секунду на полосу.

Следовательно, устройство, использующее порт PCI-E x1, такое как звуковая карта с низким энергопотреблением или антенна Wi-Fi, сможет передавать данные с максимальной скоростью 1 Гбит / с.

Карта, которая физически вставляется в больший слот x4 или x8, например, карта расширения USB 3.0, может передавать данные в четыре или восемь раз быстрее, соответственно.

Скорость передачи портов PCI-E x16 теоретически ограничена максимальной пропускной способностью примерно 15 Гбит / с. В 2017 году этого более чем достаточно для всех современных видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.

Большинство дискретных видеокарт используют слот PCI-E x16

PCI Express 4.0 уже будет использовать 16 ГТ / с (гигатранзакций / с), а PCI Express 5.0 будет использовать 32 ГТ / с (гигатранзакций / с).

Но в настоящее время нет компонентов, способных использовать такое количество полос с максимальной пропускной способностью. Современные высокопроизводительные видеокарты обычно используют стандарт x16 PCI Express 3.0. Нет смысла использовать одни и те же полосы для сетевой карты, которая будет использовать только одну линию на порту x16, поскольку порт Ethernet способен передавать данные только со скоростью до одного гигабита в секунду (что составляет примерно одну восьмую пропускной способности полосы PCI-E — помните: восемь бит в одном байте).

На рынке можно найти твердотельные накопители PCI-E, которые поддерживают порт x4, но вскоре они будут вытеснены быстро развивающимся новым стандартом M.2 для твердотельных накопителей, которые также могут использовать шину PCI-E. Высокопроизводительные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такое как RAID-контроллеры, используют сочетание форматов x4 и x8.

Какие типы карт PCI Express существуют?

В связи со спросом на более быстрые и реалистичные видеоигры и инструменты для редактирования видео видеокарты стали первым типом компьютерной периферии, использующим преимущества самого PCIe.

Хотя видеокарты по-прежнему являются наиболее распространенным типом карт PCIe, вы обнаружите, что другие устройства гораздо быстрее подключаются к материнской плате, процессору и оперативной памяти. Кроме того, вместо обычного PCI выполняется все больше и больше соединений PCIe. Например, многие высококачественные звуковые карты теперь используют высокоскоростной порт, а также увеличивается количество проводных и беспроводных сетевых интерфейсных карт.

Карты контроллера жестких дисков могут быть более полезными для PCI-E после видеокарты. Подключение высокоскоростного твердотельного накопителя PCIe к этому высокоскоростному интерфейсу позволяет намного быстрее читать и записывать на диск. Некоторые контроллеры жестких дисков PCIe также включают в себя встроенный твердотельный накопитель, радикально меняющий способ подключения устройств хранения данных внутри ПК.

Конечно, при полной замене PCIe на PCI и AGP на более новые материнские платы почти любой тип внутренней карты расширения на основе старых интерфейсов перестраивается для использования шины PCI Express. Сюда входят такие вещи, как карты расширения USB, карты Bluetooth и т.д.

Каковы различные форматы PCI Express?

Показаны различные контроллеры на материнской плате

Эспрессо x1… Espresso 3.0… Espresso x16. Что означает «х»? Как узнать, поддерживает ли это ваш компьютер? Если есть карта PCI Express x1 и есть только один слот Express x16, работает ли эта совместимость? Если нет, каковы ваши варианты?

Часто при покупке карты расширения для вашего компьютера, например новой видеокарты, не совсем понятно, какая из различных технологий PCIe работает с вашим ПК лучше, чем другие. Однако, как бы сложно это ни было, это кажется довольно простым, если вы понимаете две важные части информации о высокоскоростном порте: часть физического размера и часть технической версии, как описано ниже.

Архитектура и конфигурация

Этот контроллер предполагает децентрализацию: нет ведущего устройства, а инициатором взаимодействия может быть любое устройство, подключенное к материнской плате через соответствующий слот.
Периферийные устройства, использующие этот протокол, работают по технологии Plug n Play, то есть они, по сути, «самоконфигурируются». После запуска компьютера системное программное обеспечение диагностирует оборудование на наличие устройств PCI и распределяет вычислительную мощность между ними.

За период эксплуатации было создано несколько версий этого протокола. Некоторые типы слотов различались по размеру и предназначались для подключения периферийных устройств в ноутбуках.

Сегодня этот порт продолжает использоваться, и современные материнские платы комплектуются его текущей версией. Кроме того, некоторые пользователи активно используют их, например, для подключения дискретной звуковой карты, внешнего контроллера COM-порта, адаптера со слотом M.2 или сетевой карты, если встроенная материнская плата вышла из строя.

Действительно, этот интерфейс остается невостребованным подавляющим большинством пользователей, хотя может значительно расширить функциональные возможности компьютера.

PCI Express (также известный как 3GIO) стал логическим продолжением PCI, интерфейса, использующего ту же программную модель, но с более эффективным физическим уровнем. Но этот порт сегодня востребован как никакой другой — именно через него подключаются видеокарты в современных компьютерах.

Подробнее о том, что такое PCI E x16, можно прочитать здесь. Также рекомендую прочитать публикации «Как узнать свою материнскую плату на Windows 7» и «Что такое чипсет на материнской плате». Размеры PCIe: x16, x8, x4 и x1

Как следует из названия, число после x указывает физический размер карты или слота PCI-E, где x16 — наибольший, а x1 — наименьший.

Вот как формируются разные размеры:

	Количество контактов	Длина
PCI Express x1	18	25 мм
PCI Express x8	49	56 мм
PCI Express x16	82	89 мм

Независимо от размера высокоскоростного порта или карты, вырез для ключа, который представляет собой небольшую точку на карте или слоте, всегда находится на контакте 11. То есть контакт 11 продолжает увеличиваться в длину при перемещении. PCIe x1 к PCIe x16. Это позволяет гибко использовать карты одного размера вместе со слотами другого.

Карты PCIe подходят к любому высокопроизводительному слоту порта на материнской плате, по крайней мере, такого же размера. Например, карта PCIe x1 вставляется в любой слот PCIe x4, PCIe x8 или PCIe x16. Карта PCIe x8 вставляется в любой слот PCIe x8 или PCIe x16. Карты PCIe большего размера, чем слот PCIe, могут поместиться в слот меньшего размера, но только если слот PCI-E открыт (то есть у него нет заглушки на конце слота).

Видеокарта Radeon с интерфейсом PCI-Express x16

В общем, большая карта Express или слот будут поддерживать лучшую производительность, если две карты или слоты, которые вы сравниваете, поддерживают одну и ту же версию PCIe.

Версия PCIe: 4.0, 3.0, 2.0 и 1.0

Любое число после PCIe, которое вы найдете на устройстве или материнской плате, указывает на последнюю версию используемой спецификации PCI Express.

Вот как можно сравнить разные версии контроллера PCI Express:

	Пропускная способность (на полосу)	Пропускная способность (на полосу на слот x16)
PCI Express 1.0	2 Гбит / с (250 МБ / с)	32 Гбит / с (4000 МБ / с)
PCI Express 2.0	4 Гбит / с (500 МБ / с)	64 Гбит / с (8000 МБ / с)
PCI Express 3.0	7877 Гбит / с (984625 МБ / с)	126032 Гбит / с (15754 МБ / с)
PCI Express 4.0	15,752 Гбит / с (1969 МБ / с)	252,032 Гбит / с (31504 МБ / с)

Все версии высокоскоростного порта обратно совместимы и обратно совместимы, а это означает, что независимо от того, какую версию поддерживает ваша карта PCIe или материнская плата, они должны как минимум работать вместе. Как видите, крупные обновления стандарта порта каждый раз резко увеличивают пропускную способность, значительно увеличивая потенциал того, что может делать соответствующее оборудование.

Улучшения версии также исправляют ошибки, дополнительные функции и улучшенное управление питанием, но увеличение пропускной способности является наиболее важным изменением примечания к выпуску от одной версии к другой.

Типы портов компьютера: виды разъёмов и адаптеров

PCI Express 2.1

По физическим характеристикам (скорость, разъем) соответствует 2.0, в программной части добавлены функции, которые полностью планируется ввести в версии 3.0. Поскольку большинство материнских плат поставляются с версией 2.0, наличие только одной видеокарты с 2.1 не позволяет использовать режим 2.1.

Влияние количества линий на пропускную способность

Теперь, чтобы расширить нашу метафору «магазин-гипермаркет», представьте, что в каждом отделе гипермаркета есть свои кассиры, предназначенные только для них. Здесь в игру вступает идея нескольких линий передачи данных.

PCI-E с момента своего появления претерпел множество изменений. В настоящее время новые материнские платы обычно уже используют версию 3 стандарта, более быстрая версия 4 становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах: x1, x4, x8 и x16. (порты x32 существуют, но на обычных материнских платах компьютеров они встречаются крайне редко).

Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их в зависимости от количества одновременных подключений к материнской плате: чем физически больше порт, тем больше максимальное количество подключений он может передать на карту, или наоборот. Эти соединения также называются линиями. Линию можно представить как трассировку, состоящую из двух пар сигналов: одна для отправки данных, а другая — для приема.

Различные версии стандарта PCI-E допускают разную скорость на каждой полосе. Но в целом, чем больше линий на одном порте PCI-E, тем быстрее могут передаваться данные между периферийным устройством и остальной частью компьютера.

Возвращаясь к нашей метафоре: если мы говорим о продавце в магазине, то стрип x1 будет единственным продавцом, обслуживающим покупателя. В магазине с 4 коробками уже есть линии 4х4. И так далее, кассиров можно описать количеством строк, умножив на 2.

Различные карты PCI Express

Особенности стандарта PCI Express, его версии

Разработка стандарта PCI Express была инициирована Intel. Спецификации его первой версии появились в 2002 году. Сейчас PCI Express разрабатывается PCI Special Interest Group, в совет директоров которой входят представители ведущих разработчиков аппаратного и программного обеспечения (Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA и другие). PCIe прошел несколько этапов своего развития и уже доработал до версии 5.0.

PCIe — это полнодуплексный протокол, что означает, что он использует независимые каналы приема и передачи (устройство может отправлять и получать данные одновременно).

Перед отправкой данные кодируются блоками. Это необходимо для синхронизации передающего и принимающего устройств, а также для уменьшения влияния помех.

PCIe 1.0 и PCIe 2.0 используют схему кодирования 8b / 10b. То есть каждый 8-битный блок кодируется в 10-битный блок, в котором используется только 80% передаваемых данных. Остальные 20% необходимы для обеспечения правильного функционирования протокола.

В PCIe 3.0 и его более новых версиях данные кодируются с использованием более эффективной схемы 128b / 130b (каждый 128-битный код кодируется в 130-битном блоке). Доля полезного контента в передаваемых данных уже составляет около 98,46%.

Различные версии PCIe отличаются не только способом «упаковки» битов в блоки, но и скоростью передачи данных. В PCIe 1.0 это 2,5 ГТ / с (гигатранзакций в секунду), что означает, что передается 2,5 миллиарда бит в секунду. Для лучшего восприятия переведем это в обычные единицы:

2,5 * 109 бит / с = 312,5 мегабайт / с.

Учитывая, что только 80% из них — полезные данные, эффективная пропускная способность PCIe 1.0 составляет 250 МБ / с.

В PCIe 5.0 скорость передачи данных увеличена до 32 ГТ / с. Переведем это в удобную форму:

32 * 109 бит / с = 4000 мегабайт / с = 4 гигабайт / с.

Поскольку полезная нагрузка составляет 98,46%, фактическая пропускная способность PCIe 5.0 составляет 3,938 ГБ / с.

Дополнительные сведения о функциях различных версий PCIe см. В таблице:

Версия PCI Express	Выпущенный	Схема кодирования	Скорость передачи	Пропускная способность по x линиям:
x1	x4	x8	x16
PCIe 1.0	2002 г	8b / 10b	2,5 ГТ / сек	250 Мбит / с	1 ГБ / сек	2 ГБ / сек	4 ГБ / сек
PCIe 2.0	2007 г	8b / 10b	5 ГТ / сек	500 Мбит / с	2 ГБ / сек	4 ГБ / сек	8 ГБ / сек
PCIe 3.0	2010 г	128b / 130b	8 ГТ / сек	984,6 Мб / сек	3,94 ГБ / сек	7,88 ГБ / сек	15,8 ГБ / сек
PCIe 4.0	2017 г	128b / 130b	16 ГТ / сек	1969 ГБ / сек	7,88 ГБ / сек	15,8 ГБ / сек	31,5 ГБ / сек
PCIe 5.0	2019 г	128b / 130b	32 ГТ / сек	3938 ГБ / сек	15,75 ГБ / сек	31,5 ГБ / сек	63 ГБ / сек

Максимизация совместимости совместно с PCIe

Как вы читали в разделах о размерах и версиях выше, используйте практически любую конфигурацию, которую вы можете себе представить. Если он подходит физически, он, вероятно, работает .. это здорово. Однако важно знать, что для увеличения пропускной способности (которая обычно соответствует максимальной производительности) вам необходимо выбрать самую высокую версию PCIe, поддерживаемую материнской платой, и выбрать самый большой подходящий размер порта.

Например, видеокарта с высокоскоростным портом 3.0 x16 даст вам наилучшую производительность, но только если материнская плата поддерживает высокоскоростной порт 3.0 и имеет свободный высокоскоростной порт x16. Если ваша модель материнской платы использует только PCIe 2.0, карта будет работать только с поддерживаемой скоростью (например, 64 Гбит / с в слоте x16).

Большинство материнских плат и персональных компьютеров, выпущенных в 2013 году или позже, вероятно, поддерживают Express v3.0. Если вы не уверены, проверьте материнскую плату или руководство к компьютеру. Если вы не можете найти какую-либо исчерпывающую информацию о версии PCIe, которую может использовать ваша материнская плата, я рекомендую вам купить более крупную и новую версию PCIe карты, если, конечно, она подходит.

Размеры портов и линий PCI-E могут различаться

Это одна из самых запутанных задач для PCI-E: порт может быть выполнен в форм-факторе x16, но у него недостаточно пропускной способности для передачи данных, например x4. Это связано с тем, что хотя PCI-E может поддерживать неограниченное количество отдельных подключений, все же существует практический предел пропускной способности набора микросхем. Более дешевые материнские платы с более дешевыми наборами микросхем могут иметь только один слот x8, хотя физически в этом слоте можно разместить карту x16.

Кроме того, материнские платы, предназначенные для геймеров, включают до четырех полных слотов PCI-E с x16 и такое же количество линий для максимальной пропускной способности.

Очевидно, это может вызвать проблемы. Если на вашей материнской плате есть два слота x16, но в одном из них есть только полосы x4, подключение новой видеокарты снизит производительность первой до 75%. Это, конечно, только теоретический результат. Архитектура материнских плат такова, что резкого падения производительности вы не увидите.

Правильная установка двух видеокарт должна использовать ровно два слота x16, если вы хотите максимального комфорта от тандема из двух видеокарт. Узнать, сколько линий на вашей материнской плате имеет тот или иной слот, поможет инструкция в офисе на сайте производителя.

Иногда производители даже отмечают количество строк на плате материнской платы рядом со слотом

Обратите внимание, что более короткая карта x1 или x4 физически может поместиться в более длинный слот x8 или x16. Это возможно благодаря конфигурации контактов электрических контактов. Конечно, если карта физически больше слота, вставить ее не получится.

Поэтому помните, покупая карты расширения или обновляя существующие, вы всегда должны помнить как размер слота PCI Express, так и количество требуемых линий.