PCI Express از سیر تا پیاز

 
مهندس هومن سیاری
‌بهمن ماه 84 شماره 20

اشاره :
قبل از توصیف مقوله PCI Express، لازم است که از تاریخچه فناوری گذرگاه ( BUS ) ، مطالبی عنوان شود.


پردازنده با دیگر تجهیزات جانبی  PC، از طریق یک مسیر داده به نام گذرگاه ارتباط برقرار می کند. از زمان ساخت اولین PC در سال 1981 تاکنون، انواع مختلفی از این گذرگاه ها به ترتیب زیر طراحی شده اند:

PCI

VLB

MCA

ISA 

PCI Express

PCI-X

AGP


تفاوت اصلی آنها با هم اولاً در تعداد بیت هایی که می توانند در هر لحظه انتقال دهند و ثانیاً در فرکانس کاری آنها می باشد.
در سال 1984 میلادی، شرکت  IBM، کامپیوترAT خود را روانه بازار کرد. پردازنده، حافظه و گذرگاه I/O همگی از یک مسیر اشتراکی 8MHz استفاده می کردند.
این گذرگاه اشتراکی به نامISA (Industry Standard Architecture)  مشهور بود.
ISA یک رابط 16 بیتی بود که در نتیجه در هر لحظه فقط دو بایت را می توانست انتقال دهد. مهم تر از آن اینکهISA  فقط با فرکانس 8MHz عمل می کرد و معمولاً به 2 یا 3 سیگنال ساعت برای انتقال این 2 بایت احتیاج داشت. البته این خصوصیت برای تجهیزاتی که به طور ذاتی کند بودند، مثل پورت های سریال، پارالل، کارت های صدای قدیمی و CDROM ها مشکل ایجاد نمی کرد ولی در عوض برای هارد دیسک های سریع تر و کارت های گرافیکی به صورت یک معضل درآمده بود. هنگامی که ISA در مقابل این تجهیزات کم آورد، فناوری های دیگر پا به عرصه گذاشتند.
متاسفانه فناوری های گذرگاه دیگر مثل:گذرگاه MCA ( مخفف Micro Channel ) ، گذرگاه EISA (  مخفف Extended ISA ) و گذرگاه  VLB ( مخفف VESA Local Bus ) 
 هم خیلی موفق نبودند و زود از رده خارج شدند. سرانجام فناوری گذرگاه PCI، توانست پهنای باند مورد نیاز سیستم ها را به ارمغان بیاورد و جای خود را سالها تثبیت کند.

در مقایسه با پیشرفتی که هر ساله در بخش های مختلف دنیای کامپیوتر از قبیل پردازنده ها ، کارت های گرافیکی و... صورت می گیرد، به نظر می آید که فناوری سیستم های ورودی/خروجی ( I/O ) متوقف مانده است. چنانکه گذرگاه PCI در اوایل دهه 90 میلادی ابداع شد و هنوز استفاده می شود. هارد دیسک ها، تجهیزات جانبی، کارت های شبکه، کارت های صدا، USB ها و Firewire ها ، همگی اطلاعات را از همان گذرگاه قدیمی که اززمان پردازنده  486ها وجود داشته، عبور می دهند.

جدول 1 : مقایسه انواع گذرگاه ها


گذرگاه PCI
اینتل در ژوئن 1992، فناوریPCI  را معرفی کرد. بر پایه این فناوری همه دستگاه های جانبی از قبیل دیسک سخت، کارت صدا، کارت شبکه و کارت های ویدئویی از این گذرگاه به طور اشتراکی استفاده می کردند. PCI یک رابط 64 بیتی در یک بسته بندی 32 بیتی می باشد. گذرگاه PCI در فرکانس 33MHz کار می کند و می تواند 32 بیت (معادل 4 بایت) را در هر پالس ساعت انتقال دهد. PCI با پهنای باند 32bit و سرعت 33MHz، حداکثر نرخ انتقال 133MB/s خواهد داشت که بین تمام تجهیزات PCI به اشتراک گذاشته می شود. ولی مشکل اینجاست که هر پالس ساعت در فرکانس 33MHz، برابر با 30 نانوثانیه می شود، ولی حافظه می توانست حداکثر با سرعت 70 نانوثانیه کارکند. بنابراین وقتی پردازنده، داده ها را از حافظه درخواست می کند، مجبور است که حداقل 3 پالس ساعت صبر کند تا داده برسد. در صورتی که اگر داده  در تمام پالس های ساعت انتقال داده شود (استفاده از حافظه های سریع تر،گذرگاهPCI  می تواند همان کارایی سیستم های 64 بیتی را با یک گذرگاه 32 بیتی فراهم کند.

شکل های 1 و 2  : PCI system layout


در حالیکه PCI ابتدا به عنوان یک منجی در دنیای کامپیوتر مطرح شده بود ولی کم کم با ورود فناوری های جدید تر مثل هارد دیسک های سریع تر، کارت های صدای PCI، کارت های شبکه10/100  و ... با مشکل مواجه شد و نیاز به یک راه حل برای رسیدن به پهنای باند بالا تر، روز به روز بیشتر احساس می شد.
 یک هارد دیسک ATA133 با استفاده ازیک کنترل کننده Ultra IDE133 در تئوری
می تواند تمام پهنای باند یک گذرگاه PCI را فقط در بعضی از لحظات ( Burst time ) اشغال کند و سایر تجهیزات را از دسترسی به این گذرگاه محروم کند.
نرخ انتقال واقعی برای این هارد دیسک ها، عملاً پایین تر از این مقدار می باشد. حالا ببینید وضع در مورد RAIDها، SCSIها و کارت های شبکه گیگا بیتی و ... که نرخ انتقال بالاتری دارند چگونه است؟ همه این فناوری ها سعی دارند که اطلاعات را از طریق همان گذرگاه PCI قدیمی و کم سرعت انتقال دهند! این یعنی گلوگاه !!!

گذرگاه های HSP

اسلات های AMR( مخفف Audio Modem Riser ) ، CNR ( مخفف Communications and Network Riser  ) و ACR ( مخفف Advanced Communications Riser ) که بر روی بعضی از مادربردها قرار دارند، همگی یک هدف مشترک دارند و آن نصب تجهیزات HSP  ( مخفف Host Signal Processing ) می باشد. این تجهیزات میتوانند مودم، کارت صدا و یا کارت شبکه باشند.

HSP ها فاقد کنترلر می باشند و پردازنده کامپیوتر، این کارت ها را کنترل می کند. در نتیجه این کار تها خیلی ارزان می باشند، اما در عوض بخشی از کارایی سیستم به خاطر این کارت ها کاهش پیدا می کند چرا که بخشی از توان پردازنده برای کنترل این کارت ها مصرف می شود. این تجهیزات معمولاً با نام  Software Controlled در بازار مشهورند، مثل مودم های AMR که به Soft Modem معروفند.

شکل 3 : AMR Slot

شکل 4 : ACR Slot

شکل 5 : CNR Slot


گذرگاه AGP 
با رشد فناوری کارت های ویدئویی، گذرگاه PCI پاسخگوی پهنای باند مورد نیاز آنها نبود و بنابراین اینتل، یک گذرگاه جدید به نام AGP طراحی کرد که فقط مختص کارت های گرافیکی می باشد و با این کار هم مشکل پهنای باند کارت های گرافیکی را حل کرد و هم ترافیک گذرگاه PCI  را کاهش داد. AGP 8X با پهنای باند 32bit و سرعت 533MHz می تواند حداکثر نرخ انتقال 2.1GB/s را به صورت اختصاصی فراهم کند.

جدول 2 : نسخه های مختلف AGP

جدول 3 : انواع AGP

جدول 4 : مقایسه انواع AGP با سایر گذرگاه ها

شکل 6 : انواع AGP Slots

شکل 7 : گذرگاه PCI و AGP


هر چند که بار داده های ویدئویی توسط AGP از دوش PCI برداشته شد ولی باز هم داستان رشد فناوری تکرار شد و با آمدن فناوری های نوین مثل کارت های شبکه گیگا بیتی و RAIDها ، گذرگاه PCI با مشکل مواجه شد و توانایی پشتیبانی از نرخ انتقال آنها را نداشت. به عنوان مثال یک Pentium4 با حافظه DDR می تواند اطلاعات را با سرعت 2.1GB/s در گذرگاه حافظه انتقال دهد و نیز  AGP 8x می تواند با همین نرخ انتقال عمل کند. اینها نمونه ای از فناوری های جدید برای حل مشکل محدودیت گذرگاه PCI می باشند. ولی به هیچ وجه کافی نبودند، بنابراین فکر تغییر گذرگاه PCI پا به عرصه گذاشت. با در نظر گرفتن این واقعیت ها، خیلی بهتر است که بتوان همین گذرگاه PCI را بهبود بخشید و سرعت آن را افزایش داد. چرا که  PCI، یک بستر پایدار و انعطاف پذیر برای تولید کنندگان سخت افزار و نرم افزار در طول تقریباً یک دهه فراهم کرده است. هر کس که روزهای قبل از ویندوز 95 و تجهیزات Plug & Play را به یاد می آورد، به خوبی متوجه می شود که چرا کامپیوترها نسبت به گذشته خیلی به هم شبیه تر وسهل الاستفاده تر شده اند که بخشی از این کاملاً به PCI وابسته است.
در حال حاضر 3 نوع PCI وجود دارد که همگی برای افزایش پهنای باند طراحی شده اند. این ها عبارتند از:
PCI–X 2.0
PCI-X 64Bit 133 MHz
PCI 66MHz
در جدول زیر نرخ انتقال گذرگاه های PCI، PCI-X و AGPلیست شده است.

جدول 5: مقایسه انواع  PCI با انواع AGP


اما یک مشکل وجود دارد و آن عبارتست از اینکه این فناوری ها بسیار پیچیده و گران قیمت می باشند و در نتیجه راه خود را به سوی مادربرد های Server باز می کنند، یعنی در دنیای کامپیوتر های خانگی، ناشناخته باقی می مانند. برای مثال PCI-X، برای هر Slot نیاز به یک کنترلرجداگانه دارد که در نتیجه خیلی گران تمام  می شود. PCI-X توسعه یاقته PCI می باشد که بیشتر در Server ها استفاده می شود.

و اما PCI Express
PCI Express پاسخ به همان نیاز بود. در واقع این فناوری برای برقراری مجدد توازن بین سرعت پردازنده و سرعت سیستم طراحی شد. شرکت Intel همراه با IBM، Dell، COMPAQ، HP و Microsoft استاندارد جدیدی را برای این مشکل ابداع کردند. این استاندارد PCI Express نامیده شد که البته در ابتدا 3G IO یا نسل سوم I/O نامیده می شد. این استاندارد در 17 آوریل 2002 در PCI–SIG تصویب شد (کمیته پاسخگو برای مدیریت رابط PCI ) .
 PCI Express اگر چه تکامل یافته PCI محسوب می شود، ولی در واقع یک رابط کاملاً جدید می باشد.

PCI Express چیست؟
PCI Express در واقع کوشش صنعت کامپیوتر برای یکپارچه کردن انواع مختلف گذرگاه های I/O و تبدیل آنها به یک استاندارد جهانی یکسان می باشد. بیش از 10 سال است که PCI کاربردهای متنوعی را پوشش می دهد، در حالیکه خیلی از آنها هنگام طراحی خصوصیات PCI هرگز پیش بینی نشده بودند. پورت هایی از قبیل  AGP،  ATAو USB برای رفع محدودیت های PCI در انتقال داده ها با سرعت بیشتر بوجود آمدند. چیزهایی از قبیل انتقال های ویدئویی حجیم و کاربردهای بلادرنگ، هرگز در مشخصات PCI درنظر گرفته نشده بودند. PCI از یک ساختار موازی و Multi-Drop تشکیل شده که ریشه اصلی محدودیت آن می باشد. این محدودیت ها به گونه ای است که برای رسیدن به اندکی کارایی بالاتر، نیاز به هزینه هنگفتی می باشد.
همانند فناوری Hyper Transport شرکت AMD ، PCI Express هم یک ارتباط دو طرفه و سریال می باشد که  داده ها را در قالب بسته ها ( Packet ) مانند انتقال بسته های اطلاعاتی در ارتباطات اترنت ، منتقل می کند.
 PCI Express یک گذرگاه داده موازی نیست که تمام داده ها را از طریق این گذر گاه با نرخ ثابت انتقال دهد، بلکه مجموعه ای از ارتباطات سریال نقطه به نقطه می باشد که به طور جداگانه پالس ساعت (Clock) می گیرند و هر کدام از یک مسیر جداگانه استفاده می کنند و هر کدام شامل یک جفت از خطوط داده می باشند که داده ها را در هر دو جهت انتقال می دهند (Up stream & Down stream). هر کدام از این مسیر ها، قادر به انتقال داده با سرعت 2.5Gb/s در هر جهت می باشند، بنابراین نرخ کلی انتقال داده ها حدود 250MB/s می باشد.

جدول 6: مقایسه PCI Express با انواع  PCI


ساختار PCI Express 
گذرگاه PCI Express از چندین مسیر نقطه به نقطه از جنس مس تشکیل شده است که برای اتصال همه بخش هایی که نیاز به انتقال داده به گذرگاه قدیمی تر PCI دارند، استفاده می شود. برای انعطاف پذیری بیشتر آن، یک سوئیچ به معماری آن اضافه شده است.
کارکرد آن شبیه سوئیچ اترنت می باشد و مابین تجهیزات PCI Express متصل شده به مادربرد و سیستم I/O قرار می گیرد. این خصوصیت، تجهیزات جدید تر مثل کارت های شبکه گیگابیت را قادر می سازد که در صورت نیاز با یکدیگر مستقیماً ارتباط برقرار کنند. بدین ترتیب لازم نیست که داده ها از طریق چیپ ست به تجهیزات کناری منتقل شوند بلکه مستقیماً انتقال بین آن دو انجام می شود.

شکل 8 : ساختار PCI Express

شکل 9 : مقایسه PCI Express با AGP

شکل 10 : شکل انواع کانکتورهای مختلف


PCI Express از یک نوع توپولوژی  شبکه ای با ساختار سوئیچ استفاده می کند. سوئیچ جایگزین گذرگاه Multi-Drop در PCI ها شده و برای توزیع پیام های I/O به هر کدام از اتصالات نقطه به نقطه بکار می رود. معنی این عبارت این است که اگر یک دستگاه PCI Express بخواهد داده ها را به دستگاه دیگر انتقال دهد، نیازی نیست که از طریق چیپ ست انجام بگیرد و در نتیجه حجم پیام هایی که توسط چیپ ست باید پردازش شود کاهش می یابد.
ارتباطات PCI Express به سوئیچ وصل می باشند. هر ارتباطی می تواند شامل تعدادی مسیر باشد که در نتیجه هر دستگاه می تواند به طور جداگانه با تعداد مسیرهای مورد نیاز خود ارتباط برقرار کند و اینجاست که عبارات 1x،2x ، 4x، 8x و 16xمطرح می شوند. مثلاً کارت های معمولی می توانند از نوع  1x(پهنای باند کمتر) و کارت های گرافیکی از نوع 16x(پهنای باند بیشتر) استفاده کنند.

توجه: پهنای باند 8GB/s نشان داده شده برای PCI Express در حالت دو طرفه همزمان می باشد و در جهت حداکثر 4GB/s قابل دسترس می باشد.

شکل11: یک مسیر (lane) در PCI Express



PCI Expressبر اساس طرح های آینده طراحی شده است و مزایای آن با پیشرفت های سخت افزاری آینده بسیار بهتر خود را نشان می دهد. مزایای واقعی زمانی بهتر آشکار می شوند که به یک مسیر نقطه به نقطه، بیش از یک کانال ارتباطی اختصاص داده شود. کانال ها می توانند به یکدیگر اضافه شوند تا پهنای باند مورد نیاز برای بخش خاصی از سیستم I/O مثل اسلات کارت گرافیک را افزایش دهند.

دو مزیت مهم
این فناوری دو مزیت مهم دارد، اول اینکه مقدار اثرمتقابل (Trace) مسیرها بر یکدیگر در مادربردها، به خاطر مدارات نقطه به نقطه کاهش می یابد که این خود باعث استفاده از 4 مسیر به جای 32 مسیر برای هر ارتباط پایه شده و اشتیاق فراوانی را برای سازندگان مادربرد نسبت به این فناوری بوجود آورده است، چرا که باعث کاهش هزینه تولید مادربرد خواهد شد. دوم اینکه، از آنجا که هر مسیر منحصراً برای ارتباط ما بین 2 نقطه بکار می رود، هیچ اشتراکی در پهنای باند وجود ندارد.
طراحی نقطه به نقطه به این معنی می باشد که امکان طراحی سیستم های قوی تر و متهورانه تر فراهم می شود. اتصالات PCI Express به خاطر تعداد کم سیگنال ها می تواند توسط کانکتورها و کابل های کمتری ساخته شود.
فناوری های نوین مثل شبکه های گیگا بیت چند گانه شرکت اینتل (Multi-Gigabit Ethernet) به پهنای باند بسیار بالا تری از گذر گاه های PCI فعلی نیاز دارند و در نتیجه حضور PCI Express مخصوصاً در Serverها اجتناب ناپذیر می باشد.

از موازی به سریال
تقریباً همه گذرگاه های PC از جمله ISA، EISA، MCA، VLB، PCI وAGP از ارتباطات موازی استفاده می‌کنند. این ارتباطات چندین بیت را همزمان منتقل می‌کنند، در حالیکه در ارتباطات سریال فقط یک بیت درهر لحظه منتقل می‌شود. این موضوع در ابتدا این مسئله را به ذهن می رساند که ارتباطات موازی سریع تر می‌باشد، چرا که تعداد بیت های منتقل شده در یک زمان بیشتر است و در نتیجه ارتباط سریع تر می شود.
اما در عوض ارتباطات موازی از مشکلاتی رنج می‌برند که آنها مانع از رسیدن به فرکانس های بالا می‌شوند. افزایش فرکانس باعث ایجاد دو مشکل مهم یعنی تداخل مغناطیسی مسیرها بر روی یکدیگر و تاخیر انتشار می‌شود. پیاده سازی گذرگاه سریال نسبت به موازی خیلی ساده تر می باشد چرا که فقط به دو سیم برای انتقال داده نیاز می باشد: یکی برای انتقال داده و دیگری سیم زمین. از طرفی در ارتباطات سریال می توان از فرکانس های خیلی بالاتر از حالت موازی استفاده کرد، چون در  این نوع ارتباط، خبری از تا خیر انتشار و تداخل مغناطیسی نیست.
تفاوت عمده دیگر این دو روش این است که ارتباطات موازی معمولا یک طرفه ( half Duplex ) می باشند و همان مسیرهایی که برای ارسال داده ها بکار می روند برای دریافت آنها هم استفاده می شوند، در حالیکه ارتباطات سریال معمولاً دو طرفه همزمان ( full Duplex ) می باشند و از یک مسیر برای ارسال و مسیر دیگری برای دریافت استفاده می شود و هر کدام فقط نیاز به دو سیم دارند.
حالاممکن است شما این سوال را مطرح کنید که بالا خره کدام سریع تر می باشند؟
البته در فرکانس مساوی، ارتباطات موازی سریع تر می باشند ولی اگر فرکانس را زیاد کنیم، تا جایی که ارتباطات موازی نتوانند عمل کنند، آنگاه ارتباطات سریال ارزش خود را نشان می دهند و سرعت انتقال بیشتری خواهند داشت، چنانچه امروزه دو فناوری مهم یعنی   Serial ATA  و PCI Expressاز همین خصوصیت ارتباطات سریال استفاده می کنند.
و اما PCI-SIG درمورد ارتباط سریال در PCI Express می گوید:« معماری گذرگاه سریال پهنای باند بالاتری را برای هر پین نسبت به معماری گذرگاه موازی فراهم می آورد و در نتیجه خیلی راحتر به پهنای باند بالاتر می توان دست یافت.»

یک نکته ظریف!
از  لحاظ فنی، PCI Express یک گذرگاه نیست! یک گذرگاه، یک مسیر داده می باشد که چندین دستگاه به طور همزمان به آن متصل باشند و به طور اشتراکی از آن مسیر استفاده کنند، در حالیکه PCI Express یک ارتباط نقطه به نقطه می باشد که در آن فقط دو دستگاه به هم متصل می باشند و مسیر ارتباطی آنها با هیچ دستگاه دیگری به اشتراک گذاشته نمی شود.
اما ما هم مطابق با بقیه، آن را یک گذرگاه می نامیم هرچند می دانیم که واقعیت چیست! (خواهی نشوی رسوا ... )

شکل 12 : گذرگاه به صورت اشتراکی ـ گذرگاه  به صورت سوئیچ


کاهش هزینه
یکی از اهداف اصلی PCI Express رسیدن به یک طراحی ارزان قیمت بود که کارائی بالایی داشته باشد. به عبارت دیگر کارت های توسعه می توانند با تعداد پین های کمتر، ساده تر باشند و این به معنی کاهش هزینه می باشد. چنانچه امروزه مودم ها، ساده تر و ارزان تر می باشند.

حالت های عملیاتی
PCI Express یک گذرگاه سریال می باشد که به صورت دو طرفه همزمان عمل می کند. داده ها در این گذرگاه از طریق دو جفت سیم به نام lane (مسیر) انتقال داده می شوند. هر مسیر حداکثر دارای نرخ انتقال 250MB/s در هر جهت می باشد که تقریباً دو برابر PCI می باشد. PCI Express می تواند با ترکیب چندین مسیر برای رسیدن به کارایی بالاتر ساخته شود. PCI Express ها با تعداد مسیرهای یک، 2، 4، 8، 16 و 32 وجود دارند.
 برای مثال نرخ انتقال PCI Express با 8 مسیر برابر است با 250MB/s

250MB/s x 8 = 2GB/s

PCI Express انواع متفاوتی از اسلات ها را بر اساس تعداد مسیرها تعریف می کند که در زیر شکل آنها دیده می شود.

شکل 13: انواع PCI Express Slot


جدول 7: مقایسه انواع PCI Express و انواع AGP

جدول 8: تطابق Slotها با کارت ها

کانکتور های PCI Express از نظر ظاهری و روش اتصال مشابه با PCI می باشند. اسلات های PCI Express1X از نظر اندازه تقریباً برابر با اسلات های AMR ( حدود 2.5cm) می باشند. در حالیکه اسلات های گرافیکی PCI Express16X بسیار مشابه اسلات های AGP می باشند .تجهیزات PCI Express با پهنای باند مختلف از رده های میانی اسلات  4xو یا 8x استفاده می کنند.

Express Card
در بازار تجهیزات قابل حمل( نوت بوک ها ) ، یک استاندارد جدید به نام Express Card به وسیله گروه PCMCIA با همکاری گروه PCI-SIG ایجاد شده است. بسیاری از شرکت های درگیر با PCI Express عضو هر دو گروه می باشند.
Express Card یک فناوری می باشد که  در واقع پلی بین نوت بوک های فعلی فاقد PCI Express و نوت بوک های آینده دارایPCI Express  می باشد. آن می تواند همUSB2.0  وهم PCI Express را پشتیبانی کند. در نتیجه این امکان برای سازندگان فراهم می شود که کارت هایی بسازند کنند که یکی یا هر دو فناوری را داشته باشند. البته این کارت ها نمی توانند با تجهیزات طراحی شده با PC Cardها، مطابق داشته باشند و با آنها کار نمی کنند.

تجهیزاتPCI Express  خارجی
از مزایای دیگر PCI Express توانایی اتصالات خارجی آن می باشد. همان ا تصالات نقطه به نقطه 200MB/s می تواند روی کابل و به تجهیزات خارجی با فاصله حداکثر 5 متر ارتباط برقرار کند. نکته جالب تراینکه کانکتورهای PCI Express به گونه ای طراحی شده اند که می توانند به صورت Hot Plug عمل کنند (درست مثل کانکتورهای USB).
بعید است که سازندگان  Firewireو USB2.0از آینده نزدیک نگران باشند. هر چند که فناوری PCI Express امکان انتقال بدون نیاز به پلی برای اتصال به سیستم I/O را برخلاف Firewire  وUSB2.0 فراهم می کند.
تجهیزات  Firewire وUSB2.0 در حال حاضر خیلی متداول هستند و تجهیزات خارجی از نوع PCI Express هم یکی  دو سالی طول می کشند که در بازار خوب جا باز کنند و در این مدت  USBو Firewire فراگیرتر هم شده اند و در نتیجه سازندگان مجبورند که به پشتیبانی از آنها ادامه دهند، درست به همان دلیل که PCI Express طوری طراحی شده است که با PCI2.2 همزمان بر روی یک مادربرد کار کند. همچنین، Express card ها به طور واضح USB2.0 را با PCI Express در یک اسلات ترکیب می کنند تا در تجهیزات موبایل مثل نوت بوک ها استفاده شوند. این خود نشانه این است که PCI Express قصد جایگزینی USB2.0  را در آینده نزدیک ندارد و هم یک امتیاز برای فناوری مفید USB می باشد که به راه خود ادامه دهد و ابداعات جدید را پیگیری کند.
معماری پیمانه ای (Modularity)
اینتل یک توپولوژی پیشنهاد داده که بر اساس آن، واحد محاسبات از مانیتور، تجهیزات واسطه و درایوهای خارجی بوسیله اتصالات کابلی PCI Express جدا شوند. مفهوم این پیشنهاد این است در Serverها و حتی PC ها، به طور کامل امکان طراح پیمانه ای (Modular) به وجود می آید، البته اگر همه سازندگان به این طرح راغب باشند.
اگرچه پذیرش این طرح در راستای اهداف PCI Express می باشد و نتیجه آن کاربرپسندتر شدنPC ها و در نتیجه توسعه بیشتر IT می باشد.PCI با عث پیکربندی راحت تر کامپیوترها شد و حالا چرا PCI Express ها هم این مزیت را به طور بهتری به ارمغان نیاورند؟

PCI Express16x 
بزرگترین تاثیری که PCI Express در دنیای PC ها می گذارد، در مقوله اسلات گرافیکی 16x می باشد. در جدید ترین چیپ ست های AMD  و Intel، این فناوری جایگزین AGP8x شده است. از طرفی همه سازندگان حرفه ای کارت های گرافیکی از جمله ATI و NVIDIA، به طور پیش فرض در محصولات جدید خود از این فناوری استفاده می کنند.
این اسلات 16X با 164پین، پهنای باندی را در حدود 4GB/s در هر جهت فراهم می کند که تقریباً دو برابر پهنای باند 2.1GB/s در AGP8x می باشد. مشخصات 16x در مورد اندازه محل اتصال کارت تا حدودی مشابه AGP می باشد ولی کاملاً با آن منطبق نیست که این خود یک مزیت مهم از نظر راحتی نصب و مشابهت با فناوری های قبلی می باشد.
کارت های گرافیکی PCI Express16x در حدود 75 وات مصرف توان دارند. درحالیکه کارت های گرافیکی AGP8x معمولاً بین 25 تا 42 وات مصرف دارند. البته کارت های گرافیکی مدرن AGP8x نیاز به توان بالا تری دارند که این توان توسط کانکتورهای اضافی برای آنها تامین می شود. در حالیکه به دلیل معرف توان بالا، کارتهای PCI Express نیاز به کانکتورهای اضافی توان ندارد.
دو شرکت اصلی سازنده کارت های گرافیکی یعنی NVIDIA و ATI عملاً به  PCI Expressروی آورده اند و شرکتهای مهم دیگر از 3Dlabs تا XGI نیز پشتیبانی از این فناوری را رسماً آغاز کرده اند و به نظر می آید که روزهای آخر AGP8x فرا رسیده است.
PCI Express16x و AGP8x نمی توانند همزمان بر روی یک مادربرد قرار داشته باشند. این حقیقت مانع از ساخت مادربردهای گوناگون که از AGP8X و PCI Express به طور همزمان استفاده می کنند، نمی شود، اگر چه اینگونه مادر بردها امکان استفاده از کارت های قدیمی تر AGP را بر روی مادربردهای جدید تر فراهم می کنند، ولی امکان استفاده از حداکثر قدرت PCI Express رانمی توانند فراهم کنند.
هر مسیر  PCI Express قادر است که در هر جهت 250MB/s انتقال دهد، بنابراین یک اسلات 16x می تواند حداکثر 4GB/s در هرجهت انتقال دهد که این خود تقریباً‌ دو برابر پهنای باند AGP8x می باشد.

SLI
SLI سر واژه عبارت Scalable Link Interface می باشد. اشتباه نکنید! SLI یک نوع کارت گرافیکی نیست بلکه یک فناوری می باشد.
یک سیستم  SLI از قدرت دو کارت گرافیکی PCI Express شرکت NVIDIA به طور همزمان استفاده می کند و پهنای باند را افزایش داده و در نتیجه کارایی بالایی را به دست می آورد.
NVIDIA موفق به ابداع یک فناوری جدید به نام Dual-SLI شده است که با استفاده از اسلات های PCI Express16x طراحی شده است و چیپ ست nForce4 را برای آن پیش بینی کرده است. این فناوری این امکان را بوجود می آورد که دو اسلات PCI Express16x، مسیرهای 16 گانه خود را به دو بخش 8 مسیری تقسیم کنند و دو کارت گرافیکی یکسان، همزمان با هم کار کنند. این باعث یک پیشرفت بزرگ در بازی های سه بعدی خواهد شد.
SLI صرفاً یک فناوری سخت افزاری نیست، بلکه از ترکیب هماهنگ و موزون سخت افزار و نرم افزار (درایور) به وجود می آید.
بخشی از Graphic Processing Unit)GPU) ارتباط با GPU دیگر را فعال می کند تا بتوان کل حجم کاری را به صورت اشتراکی پردازش کرد و در این میان نرم افزار تصمیم می گیرد که چگونه این تقسیم وظایف بین کارت ها انجام گیرد(Load Balancing) .

جدول9: مقایسه SLI در بازی Doom3


اگر این تئوری به خوبی کارکند، شما ممکن است به دو برابر راندمان حالت تک کارتی برسید، اما آیا همیشه این گونه است؟ این داستانی است که همیشه با دنیای کامپیوتر همراه بوده است.
آیا راندمان سیستم های دوپردازنده ای، دوبرابر تک پردازنده ای می باشد؟ آیا پردازندهای Pentium D که دو هسته ای می باشند، راندمانشان دوبرابر پردازندهای Pentium تک هسته ای می باشد؟آیا راندمان پردارندهای Pentium4 HT که می توانند چند thread را همزمان پردازش کنند دو برابر پردازندهای بدون HT می باشد؟
پاسخ تمام سئوالات بالا منفی است و به تبع آن راندمان  SLIهم هیچگاه دو برابر راندمان یک کارت PCI Express  نخواهد بود.

شکل 14 : مادربرد  با دو کارت گرافیک SLI


البته دلیل این موضوع در حوصله این مقاله نمی گنجد و دوستداران علت آن می توانند از طریق ایمیل مکاتبه داشته باشند.

یک سیستم SLI شامل بخش های زیر می باشد:
• یک مادربرد که حداقل دو اسلات PCI Express16x داشته باشد.
• دو کارت گرافیک PCI Express16x کاملاً‌ یکسان و یک مدل.
• منبع تغذیه مناسب ( حداقل 500 وات)

لیست چیپ ست ها و کارت های گرافیکی PCI Express در جداول زیر آمده است.
مادر بردهایی که مجهز به PCI Express می باشند، باید یکی از چیپ ست ها ی زیر را داشته باشند:

جدول 10: چیپ ست های پشتیبانی کننده از PCI Express


البته قیمت کارت های گرافیکی PCI Express معمولاً گران تر از معادل AGP آنها می باشد.

نتیجه کلام
PCI Express با فناوری Hyper Transport شرکت AMD رقابت نمی کند بلکه در کنار آن برای انتقال داده ها به طور موثرتری در چیپ ست استفاده می شود. مانند چیپ ستهای nForce4 و K8T890.
همچنین PCI Express در نظر دارد که به عنوان یک لایه بستر در انتقال داده در روشهای مختلف I/O مثل  SATA وSCSI عمل کند و قرار نیست جایگزین آنها شود. PCI Express می رود تا جایگزین AGP  به عنوان کانال ارتباطی ما بین چیپ ست گرافیکی و پردازنده و حافظه شود.
همانطور که گفته شد، پیمانه ای بودن PCI Express ، آن را قادر می سازد که نقش های زیادی را در دنیای کامپیوتر ایفا کند و در نتیجه سازندگان قادر خواهند بود که مشخص کنند که هر وسیله ای چه مقدار پهنای باند نیاز دارد؟
معماری PCI Express در نظر ندارد که جایگزین فناوری فعلی گذرگاه پردازنده/حافظه شود، اما پهنای باند بالاتر و قابلیت انعطاف پذیری بیشتری را برای سیستم I/O فراهم می کند.
PCI-SIG فناوری PCI Express را با مشخصات باز برای طراحی طیف وسیعی از سیستمهای ارتباطی فعلی و آینده که در بخشهای محاسبات و ارتباطات کاربرد دارند، تعریف کرده است. معماری PCI Express یک معماری انعطاف پذیر، اندازه پذیر، با سرعت بالا، سریال، نقطه به نقطه،  Hot Plug و  Hot Swap می باشد که از نظر نرم افزاری با PCI مطابقت دارد.
منظور از مشخصات باز این است که هر کسی می تواند PCI Express را پیاده سازی کند و براساس آن طرح های نوین ارائه کند مثل NVIDIA که SLI را ابداع کرد. منظور از انعطاف پذیری این است که PCI Express می تواند با تعداد متفاوتی از مسیرها کار کند. پیاده سازی های اولیه آن معمولاً با یک مسیر( 1x) و 16 مسیر(16x) بودند، اما برحسب نیاز می توان از تعداد مسیرهای دیگر( 4xو 8x) هم استفاده کرد و نیز این قابلیت را دارد که تا 32 مسیر(32x) افزایش داده شود.

و اما هدیه اصلی PCI Express به ما
بزرگترین هدیه، سرعت PCI Express می باشد. سرعت پایه 2.5Gb/s در هر جهت هر کانال تقریباً نرخ انتقال 200MB/s را در هر کانال به ارمغان می آرود. ( یعنی 100MB/s در هر پین!) این تقریباً دو برابر PCI های فعلی می باشد.
سرعت بالاتر و انعطاف پذیری حاصل از PCI Express باعث می شود که خیلی زود AGP8x از صحنه خارج شود ولی PCI با سرعت کمتری از گردونه خارج می شود، احتمالاً دیری نمی پاید که شاهد مادربردهایی خواهیم بود که فقط PCI Express داشته باشند و خبری از AGP و PCI بر روی آنها نباشد، همانطور که امروز خبری از ISA بر روی مادربردها نیست.

مراجع:

http://www.pcisig.com
http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleID=1087
http://www.d-silence.com/feature.php?id=252&pn=2
http://www.geeks.com/pix/techtips-031005.htm
http://arstechnica.com/articles/paedia/hardware/pcie.ars
http://www.hardwaresecrets.com/article/190
http://en.wikipedia.org/wiki/Peripheral_Component_Interconnect
http://www.computerhope.com/help/bus.htm
http://www.g4tv.com/screensavers/features/50629/SLI_Mode_vs_Single_Card_Scores.html


  
نویسنده : ali gooliof ; ساعت ۱٢:٠٢ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٢/٢٤
تگ ها :