Khái niệm PCI-Express

Vào năm 2001, một nhóm công ty được gọi là Arapahoe Work Group (được lãnh đạo đầu tiên bởi Intel) đã phát triển một phác thảo đặc điểm kỹ thuật bus tốc độ cao mới đặt tên là 3GIO (I/O thế hệ thứ ba), là khởi đầu sự ra đời của PCI Express.

Quá trình phát triển

Vào tháng 8 nãm 2001, PCI Special Interest Group (PCI-SIG) đồng ý thông qua, quản lý và đẩy mạnh thực hiện đặc điểm kỹ thuật kiến trúc 3GIO như thế hệ tương lai của PCI. Vào tháng 4 năm 2002, phác thảo 3GIO phiên bản 1.0 hoàn tất, chuyển giao cho PCI-SIG, được đặt tên PCI Express. Cuối cùng vào tháng 7 năm 2002, đặc điểm kỹ thuật PCI Express 1.0 được phê chuẩn. Đặc điểm kỹ thuật được nâng cấp lên 1.1 vào tháng 4 năm 2005 và 2.0 vào tháng 1 năm 2007.

Tên mã 3GIO đầu tiên được xuất phát từ thực tế rằng bus mới này được thiết kế để làm tăng lên và cuối cùng thay thế kiến trúc bus ISA/AT (thế hệ đầu) và PCI (thế hệ thứ hai) tồn tại trong những máy tính. Mỗi loại của hai thế hệ đầu tiên của kiến trúc bus PC được thiết kế có từ 10 đến 15 năm tồn tại hữu ích trong máy tính. Để được thừa nhận và phê duyệt của PCI-S1G, PCI Express hiện nay phải trở thành kiến trúc bus vượt trội để hỗ trợ những cần thiết gia tăng băng thông trong máy tính vượt qua 10-15 năm tiếp theo.

Những tính năng chính của PCI Express

Tương thích với số PCI hiện hữu và những trình điều khiển thiết bị phần mềm.
Kết nối vật lý qua đồng, quang hay phương tiện vật lý khác để cho phép kế hoạch mã hóa tương lai.
Băng thông tối đa cho mỗi chân chốt cho phép những thiết kế bo mạch chủ đơn giản hơn, dạng nhỏ, giảm chi phí và theo tuyến nhất định, giảm những vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu.
Kế hoạch định chuẩn theo đồng hồ được những cho phép những sự thay đổi tần số (tốc độ) dễ dàng so sánh với định chuẩn theo đồng hồ đồng bộ.
Băng thông tăng dễ dàng với sự tăng tần số và dung lượng (lane).
Thời gian chở chậm phù hợp cho những ứng dụng đòi hòi sự phân phối dữ liệu thời gian bằng nhau (nhạy thời gian), như là chuỗi hình ảnh (streaming video).
Khả năng cắm trực tiếp và hoán đổi ngay (hot plugging và hot swapping).
Khả năng quản lý nguồn.

PCI Express là ví dụ khác của cách PC di chuyển từ giao diện Parallel sang giao diện serial. Kiến trúc bus thế hệ cũ hơn trong PC là thiết kế Parallel, trong đó nhiều bit được gửi đi đồng thời qua vài chân chốt song song. Nhiều bit được gửi đi cùng thời điểm, băng thông bus càng nhanh hơn. Sự tính toán thời gian của tất cả những tín hiệu song song phải giống nhau, điều này trở thành rất khó khăn để thực hiện những kết nối dài hơn và nhanh hơn. Mặc dầu 32 bit có thể được truyền đồng thời qua bus như là PCI hay AGP, sự truyền chậm trễ và những sự cố khác buộc chúng đến lệch đi một ít tại đầu kia, dẫn đến sự khác biệt thời gian giữa đầu và cuối của các bit đến.

Thiết kế bus serial khá đơn giản hơn, gửi 1 bit cùng thời điểm qua dây kim loại đơn, tại tốc đô cao hơn nhiều tốc độ bus Parallel cho phép. Bằng cách gửi những bit ra từng kỳ, sự tính toán thời gian của những bit đơn hay độ dài của bus trở nên ít hơn một hệ số. Bằng kết hợp nhiều đường dẫn dữ liệu serial, thậm chí những băng thông nhanh hơn có thể vượt đáng kể năng lực của bus Parallel.

Những lợi ích mang lại

PCI Express là thiết kế bus serial rất nhanh tương thích ngược với những trình điều khiển phần mềm bus Parallel PCI hiện tại và những bộ điều khiển. Trong PCI Express, dữ liệu được gửi đú hai chiều (những đường dẫn một chiều hoạt động đồng thời) qua hai cặp dây kim loại chuyển tín hiệu khác biệt được gọi là đường (lane). Mỗi đường cho phép băng thông khoảng 250MBps ở mỗi hướng vào lúc đầu, thiết kế cho phép quy mô từ 1 to 2,4, 8, 16 hay 32 đường. Cho thí dụ, một cấu hình băng thông lớn với 16 đường cho phép 16 bit được gửi ở mỗi hướng đồng thời có thể lên tới băng thông 4,000MBps (mỗi đường) và dùng tổng số chi 40 chân chốt (32 cho những cặp dữ liệu khác biệt và 8 cho bộ điều khiển). PCIe 2.0 làm gia tăng tốc độ truyền đến SOOMBps cho mỗi đường, hay 8,000MBps cho một đầu nối X16. Điều này so sánh với PCI chỉ có 133MBps băng thông (một đường tại cùng thời điểm).

PCI Express dùng kế hoạch mã hóa 8 bit đến 10 bit được thiết kế bởi IBM, cho phép những tín hiệu tự khóa mà trong tương lai sẽ dễ dàng tăng tần số. Tần số khởi đầu là 2.5GHz, và đặc điểm kỹ thuật sẽ cho phép tăng lên tới 10GHz trong tương lai, là khoảng giới hạn của kết nối dây đồng. Bằng cách kết hợp tần số tăng với quy mô dùng đến 32 đường, PCI Express sẽ có khả năng hỗ trợ băng thông tương lai lên tới 32GBps.

PCI Express được thiết kế để làm tăng lên và cuối cùng thay thế nhiều bus hiện thời được sử dụng trong những PC. Nó sẽ không chỉ là phần bổ sung cho (và sự thay thế cuối cùng cho) những Slot PCI, nhưng cũng có thể được dùng để thay cho kiến trúc trung tâm Intel hiện hữu HyperTransport. Những giao diện tốc độ cao tương tự giữa những thành phần chipset bo mạch chủ. Thêm nữa, nó sẽ thay thế những giao diện video như là AGP và hoạt động như bus bắt cầu (mezzanine) để gắn vào những giao diện khác, như là Serial ATA, USB 2.0. 1394b (FireWire hoặc i.LINK), Gigabit Ethernet và nhiều hơn.

Bởi vì PCI Express có thể được thực thi qua dây cáp cũng như trên bo mạch chủ, nó có thể được dùng để tạo ra những hệ thống xây dựng với “bricks” từ xa chứa phần chủ yếu nguồn máy tính. Hình dung bo mạch chủ, bộ xử lý và RAM trong một cái hộp nhỏ được dấu dưới cái bàn. Với video, những ổ đĩa và những cổng I/O trong cái hộp khác ở ngoài trên cái bàn trong phạm vi dễ dàng chạm tới. Điều này sẽ cho phép sự thay đổi hình dạng PC linh động để phát triển trong tương lai không ảnh hưởng đến sự thực thi.

PCI Express sẽ không thay chỗ PCI hoặc những giao diện khác trong chốc lát. Những nhà phát triển hệ thống sẽ tiếp tục tích hợp PCI. AGP và những kiến trúc bus khác vào thiết kế hệ thống cho vài năm nữa. Chỉ với PCI và ISA/AT-Bus trước đây – có thời gian dài hai bus hiện hữu trên các bo mạch chủ. Dần dần, những kết nối PCI ít đi và nhiều kết nối PCI-Express hiện diện. Qua thời gian PCI Express rốt cuộc trở thành kết nối I/O đa năng được chọn lựa vượt qua PCI. Tôi mong đợi sự chuyển đổi dùng PCI Express sẽ tương tự như sự chuyển tiếp từ ISA/AT-Bus sang PCI suốt những năm 1990. Những bo mạch chủ kích cỡ ATX hiện nay có khoảng một nữa khe cắm như PCI và một nữa như PCI Express.

Mặc dầu mất một thời gian cho PCI Express thay thế PCI. PCI Express X16 đã sẵn sàng thay AGP 8x.

Phần lớn những thiết kế bo mạch chủ máy để bàn hiện nay có tính năng pha trộn Slot PCI, PCI-Express xl, và X16: Những bo mạch chủ workstation và máy chủ cũng thêm Slot PCI Express vào những Slot PCI-X và PCI tiêu biểu của chúng.

Để lấy nhiều thông tin về PCI-Express. tôi đề nghị vào website PCI-SIG (www.pcisig.org).