▷PCI Express

現在、最も一般的なタイプの拡張スロットはPCI Expressと呼ばれています 。 この記事では、このタイプの接続について知っておく必要があるすべてのことを学びます。接続の始まり、機能、バージョン、スロットなどです。

1981年にリリースされた最初のPC以降、チームには拡張スロットがあり、カードを追加してチームのマザーボードでは利用できない機能を追加できます。 PCI Expressポートについて説明する前に、PC 拡張スロットの歴史とその主な課題について少し説明し、PCI Expressポートの違いを理解できるようにします。

コンテンツインデックス

拡張スロットのタイプ

以下は、PCの歴史を通じてリリースされた最も一般的なタイプの拡張スロットです。

• ISA（Standard Industrial Architecture）MCA（Microchannel Architecture）EISA（Extended Industrial Standard Architecture）VLB（VESA Local Bus）PCI（Peripheral Component Interconnect）PCI-X（Extended Peripheral Component Interconnect）AGP（Accelerated Graphics Port）PCI Express（エクスプレスペリフェラルコンポーネントインターコネクト）

一般的に、新しいタイプの拡張スロットは、使用可能なスロットタイプが特定のアプリケーションに対して遅すぎることが判明した場合にリリースされます。 たとえば、元のIBM PCとIBM XT PCおよびそのクローンで利用可能な元のISAスロットの最大理論転送速度（帯域幅）は、わずか4.77 MB /秒でした。

1984年にIBM PC ATとともにリリースされた16ビットバージョンのISAは、使用可能な帯域幅を約2倍の8MB /秒にまで高めましたが、この数値は、ビデオなどの高帯域幅アプリケーションの場合でも非常に低かったです。 。

その後、IBMはPS / 2コンピューターのライン用にMCAスロットをリリースしました。これは著作権で保護されていたため、他のメーカーがIBMとライセンススキームを締結した場合にのみ使用できました。 、アプリコット、デル、オリベッティ、リサーチマシンなど）。

したがって、MCAスロットは、これらのブランドのいくつかのPCモデルに限定されていました。 EISAスロットを作成するために9つのPCメーカーが協力しましたが、2つの理由で失敗しました。

まず、元のISAスロットとの互換性を維持していたため、 クロックレートは16ビットISAスロットのクロックレートと同じでした。

第2に、アライアンスにはマザーボードメーカーが含まれていないため、MCAスロットと同様に、このスロットにアクセスできる企業はほとんどありません。

リリースされた最初の実際の高速スロットはVLBでした。 スロットをローカルCPUバス、つまり外部CPUバスにリンクすることで、最高速度が達成されました。

このようにして、スロットはCPUの外部バスと同じ速度で動作しました。これは、PCで利用可能な最速のバスです。

当時のほとんどのCPUは33 MHzの外部クロック速度を使用していましたが、25 MHzと40 MHzの外部クロック速度のCPUも利用可能でした。

このバスの問題は、クラス486プロセッサのローカルバス用に特別に設計されていることでした。Pentiumプロセッサがリリースされたとき、仕様の異なるローカルバス（外部クロック周波数66 MHz）を使用していたため、互換性がありませんでした。 33 MHzの代わりに、32ビットの代わりに64ビットのデータ転送）。

業界初のソリューションが1992年に登場し、 Intelが業界をリードして究極の拡張スロットであるPCIを作成しました。

その後、他の企業がこのアライアンスに参加しました。このアライアンスは現在PCI-SIG （PCI Special Interest Group）として知られています 。 PCI-SIGは、PCI、PCI-X、およびPCI Expressスロットの標準化を担当します。

PCI Expressポートとは

PCI Expressは 、 PCI-EまたはPCIeの略で、クラシックPCIバスの最新の進化形であり、拡張カードをコンピューターに追加できます。

これは、パラレルであるPCIとは異なり、ローカルシリアルポートであり、915Pチップセット上で、 2004年に初めて導入されたIntelによって開発されました。

PCI Expressバスにはさまざまなバージョンがあります。 バージョン1、2、4、8、12、16、32のレーンがあります。

たとえば、8レーン（x8）PCI Expressシステムの転送速度は2 GB /秒（250 x8）です。 PCI Expressは、バージョン1.1で250MB /秒から8GB /秒のデータレートを可能にします。 バージョン3.0では1レーンあたり1 GB /秒（実際には985 MB）が可能ですが、2.0では500 MB /秒しかありません。

PCI Expressポートは何のためのものですか？

この新しいバスは、拡張カードをマザーボードに接続するために使用され、PCIおよびAGPを含むPCのすべての内部拡張バスを置き換えることを目的としています（AGPは完全に消えていますが、従来のPCIはまだ抵抗しています）。 。

PCI、PCI-XおよびPCI Express

ところで、一部のユーザーは、PCI、PCI-X、およびPCI Express（「PCIe」）を区別するのに苦労しています。 これらの名前は似ていますが、完全に異なるテクノロジーを指します。

PCIは、ブリッジチップ（マザーボードのチップセットの一部であるブリッジ）を介してシステムに接続する、プラットフォームに依存しないバスです。 新しいCPUがリリースされるたびに、バスを再設計する代わりにブリッジチップを再設計することにより、同じPCIバスを引き続き使用できます。これは、 PCIバスが作成される前の標準でした。

他の構成も理論的には可能ですが、PCIバスの最も一般的な実装は、32ビットのデータパスを備えた33 MHzクロックで、133 MB /秒の帯域幅を可能にしました。

PCI-Xポートは、より高いクロック周波数で動作し、サーバーマザーボード用のより広いデータパスで動作するPCIバスのバージョンであり、メモリカードなど、より高速を必要とするデバイスでより高い帯域幅を実現します。ハイエンドネットワークおよびRAIDコントローラ。

PCIバスがハイエンドビデオカードには遅すぎることが判明したとき、 AGPスロットが開発されました。 このスロットは、ビデオカード専用に使用されていました。

最後に、PCI-SIGはPCI Expressと呼ばれる接続を開発しました。 その名前にもかかわらず、PCI ExpressポートはPCIバスとは根本的に異なります。

異なるPCI Expressバス

• パフォーマンスが250Mb / sのPCI Express 1xは、現在のすべてのマザーボードの1つまたは2つのコピーにあります。パフォーマンスが500Mb / sのPCI Express 2xは、サーバー用に拡張されたものではなく、拡張されています。パフォーマンスが1000MbのPCI Express 4x / sもサーバー用に予約されています。4000Mb / sの速度のPCI Express 16xは非常に広く普及しており、すべての最新のグラフィックスカードに存在しており、グラフィックスカードの標準フォーマットです。PCIExpress 32xポートは、 8000 Mb / sは、PCI Express 16xと同じフォーマットで、SLIまたはCrossfireバスに電力を供給するハイエンドマザーボードでよく使用されます。 これらのマザーボードのリファレンスには、しばしば「32」と記載されています。 これにより、従来のSLIとは異なり、2 x 8レーンで配線された2つの16レーン有線PCI Expressポート、または1×16 + 1×4レーンで配線されたBasic Crossfireが可能になります。 これらのマザーボードには、32xバス専用のサウスブリッジが追加されていることも特徴です。

PCI-SIGは、 リビジョン4.0でPCI Expressを発表し、レーンごとに2倍の帯域幅をリビジョン3.0と比較して提供しています。

このレビューには、レーンマージン、システムレイテンシの削減、優れたRAS機能、サービスデバイスの拡張ラベルとクレジット、追加のレーンと帯域幅のスケーラビリティ、プラットフォーム統合、I / O仮想化の向上が含まれます。

PCIとPCI Expressの違い

• PCIはバスですが、PCI Expressはシリアルポイントツーポイント接続です。つまり、2つのデバイスのみを接続します。 他のデバイスはこの接続を共有できません。 明確にするために、標準のPCIスロットを使用するマザーボードでは、すべてのPCIデバイスがPCIバスに接続され、同じデータパスを共有しているため、ボトルネックが発生する可能性があります（パフォーマンスの低下により、デバイスが同時にデータを送信したい場合）。 PCI Expressスロットを備えたマザーボードでは、各PCI Expressスロットは専用レーンを使用してマザーボード上のチップセットに接続され、このレーン（データパス）を他のPCI Expressスロットと共有しません。 また、ネットワークドライバー、SATA、USBなどのマザーボードに組み込まれたデバイスは、通常、専用のPCI Express接続を使用してマザーボードのチップセットに接続します。PCIおよびその他すべてのタイプの拡張スロットは、 パラレル通信を使用しますPCI Expressは高速シリアル通信に依存していますが、PCI Expressポートは個々のレーンに依存しており、これらをグループ化してより高い帯域幅の接続を作成できます。 PCI Express接続の説明に続く「x」は、接続が使用するレーンの数を示します。

以下は、PCに存在していた拡張スロットの主な仕様の比較表です。

溝	時計	ビット数	クロックサイクルごとのデータ	バンド幅
ISA	4.77 MHz	8	1	4.77 MB /秒
ISA	8 MHz	16	0.5	8 MB /秒
MCA	5 MHz	16	1	10 MB /秒
MCA	5 MHz	32	1	20 MB /秒
EISA	8.33 MHz	32	1	33.3 MB /秒（通常16.7 MB /秒）
VLB	33 MHz	32	1	133 MB /秒
PCI	33 MHz	32	1	133 MB /秒
PCI-X 66	66 MHz	64	1	533 MB /秒
PCI-X 133	133 MHz	64	1	1, 066 MB /秒
PCI-X 266	133 MHz	64	2	2, 132 MB /秒
PCI-X 533	133 MHz	64	4	4, 266 MB /秒
AGP x1	66 MHz	32	1	266 MB /秒
AGP x2	66 MHz	32	2	533 MB /秒
AGP x4	66 MHz	32	4	1, 066 MB /秒
AGP x8	66 MHz	32	8	2, 133 MB /秒
PCIe 1.0 x1	2.5 GHz	1	1	250 MB /秒
PCIe 1.0 x4	2.5 GHz	4	1	1, 000 MB /秒
PCIe 1.0 x8	2.5 GHz	8	1	2, 000 MB /秒
PCIe 1.0 x16	2.5 GHz	16	1	4, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x1	5 GHz	1	1	500 MB /秒
PCIe 2.0 x4	5 GHz	4	1	2, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x8	5 GHz	8	1	4, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x16	5 GHz	16	1	8, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x1	8 GHz	1	1	1, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x4	8 GHz	4	1	4, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x8	8 GHz	8	1	8, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x16	8 GHz	16	1	16, 000 MB /秒

PCI Expressポートでのデータ転送

PCI Express接続は、周辺機器がコンピューターと通信する方法において並外れた進歩を示しています。

PCIバスとは多くの点で異なりますが、最も重要なのはデータの転送方法です。

PCI Express接続は、データ転送をパラレル通信からシリアル通信に移行する傾向のもう1つの例です。 シリアル通信を使用する他の一般的なインターフェースは、USB、イーサネット（ネットワーク）、SATAおよびSAS（ストレージ）です。

PCI Express以前は、すべてのPCバスと拡張スロットはパラレル通信を使用していました 。 並列通信では、複数のビットがデータパスで同時に並列に転送されます。

シリアル通信では 、クロックサイクルごとにデータパスで1ビットのみが転送されます。 最初は、シリアル通信よりもパラレル通信の方が高速です。一度に送信されるビット数が多いほど、通信は高速になります。

ただし、パラレル通信には、送信がより高いクロック速度に達するのを妨げるいくつかの問題があります。 クロックが高いほど、電磁干渉（EMI）と伝搬遅延の問題が大きくなります。

ケーブルに電流が流れると、ケーブルの周囲に電磁界が発生します。 このフィールドは、隣接するケーブルに電流を誘導し、それによって送信される情報を破壊する可能性があります。

前に説明したように、各パラレル通信ビットは別々のケーブルで送信されますが、32本のケーブルをマザーボード上で正確に同じ長さにすることはほとんど不可能です。 より速いクロック速度では、短いケーブルで送信されたデータは、長いケーブルで送信されたデータよりも早く到着します。

つまり、並列通信のビットが遅れて到着する場合があります。 結果として、受信デバイスは、完全なデータを処理するためにすべてのビットが到着するのを待たなければならず、パフォーマンスが大幅に低下します。 この問題は伝播遅延として知られており、クロック周波数の増加に伴って悪化します。

シリアル通信を使用するバスのプロジェクトは、パラレル通信を使用するバスのプロジェクトよりも実装が簡単です。これは、データを送信するのに必要なケーブルが少ないためです。

通常のシリアル通信では、4本のケーブルが必要です。データの送信用に2本と受信用に2本です。通常、キャンセルまたは差動伝送と呼ばれる反電磁干渉技術を使用します。 キャンセルの場合、2本のケーブルで同じ信号が送信されますが、2本目のケーブルは、元の信号と比較して「反射」信号（極性が逆）を送信します。

電磁干渉に対する優れた耐性を提供することに加えて、 シリアル通信は伝搬遅延の影響を受けません。 このようにして、並列通信よりも簡単に高いクロック周波数を実現できます。

パラレル通信とシリアル通信のもう1つの非常に重要な違いは、その実装に必要なケーブルの数が多いため、パラレル通信は通常、 半二重 （データの送受信に同じケーブルが使用される）であることです。

シリアル通信は全二重です （データを送信するためのケーブルのセットとデータを受信するためのケーブルのセットが別にあります）。これは、各方向に2本のケーブルしか必要ないためです。 半二重通信では、2つのデバイスが同時に会話することはできません。 どちらかがデータを送信しています。 全二重通信では、両方のデバイスが同時にデータを送信できます。

これらが、 PCI Expressポートとのパラレル通信ではなくシリアル通信を採用した主な理由です 。

シリアル通信は遅いですか？

何を比較するかによります。 クロックサイクルごとに32ビットを送信するパラレル33 MHz通信を比較すると、一度に1ビットのみを送信する33 MHzシリアル通信より32倍速くなります。

ただし、同じパラレル通信を、はるかに高いクロック周波数で動作するシリアル通信と比較すると、実際にはシリアル通信の 方がはるかに高速です。

133 MB /秒（33 MHz x 32ビット）である元のPCIバスの帯域幅を、PCI Express接続で実現できる最低の帯域幅（250 MB /秒、2 、5 GHz x 1ビット）。

シリアル通信は、パラレル通信よりも常に遅いという考えは、「シリアルポート」と「パラレルポート」と呼ばれるポートを持つ古いコンピュータから来ています。

当時、パラレルポートはシリアルポートよりもはるかに高速でした。 これは、これらのポートの実装方法が原因でした。 これは、シリアル通信が常にパラレル通信より遅いことを意味するものではありません。

スロットとグラフィックカード

PCI Express仕様では、スロットに接続されているレーンの数に応じて、スロットの物理サイズを変えることができます。

これにより、マザーボードに必要なスペースのサイズが小さくなります。 たとえば、x1接続のスロットが必要な場合、マザーボードの製造元はより小さなスロットを使用して、マザーボード上のスペースを節約できます。

多くのマザーボードには、x8、x4、またはx1レールに接続されるx16スロットがあります。 より大きな溝では、それらの物理的なサイズが本当に速度と一致するかどうかを知ることが重要です。 また、一部のマシンは、レーンを共有すると速度が低下する可能性があります。

最も一般的なシナリオは、2つ以上のx16スロットを備えたマザーボードです。 複数のマザーボードでは、最初の2つのx16スロットをPCI Expressコントローラーに接続するレーンは16のみです。 つまり、1枚のビデオカードをインストールすると、x16の帯域幅を利用できますが、2枚のビデオカードをインストールすると、各ビデオカードにはそれぞれx8の帯域幅が割り当てられます。

マザーボードのマニュアルにこの情報が記載されています。 ただし、実用的なヒントは、スロットの内部を調べて、連絡先の数を確認することです。

PCI Express x16スロットの接点が本来の半分になっている場合、このスロットは物理的にx16スロットですが、実際には8レーン（x8）です。 同じスロットでコンタクト数が本来の4分の1に減少している場合、実際には4レーン（x4）しかないx16スロットが表示されています。

すべてのマザーボードメーカーがこの手順を実行しているわけではないことを理解することが重要です。 スロットが少数のレーンに接続されている場合でも、一部はすべての接点を使用します。 最善のアドバイスは、マザーボードのマニュアルで正しい情報を確認することです。

可能な最大のパフォーマンスを実現するには、拡張カードとPCI Expressポートの両方が同じリビジョンである必要があります。 PCI Express 2.0ビデオカードがあり、PCI Express 3.0ポートを備えたシステムにインストールする場合、帯域幅はPCI Express 2.0に制限されます。 PCI Express 1.0コントローラを備えた古いシステムにインストールされた同じビデオカードは、PCI Express 1.0の帯域幅に制限されます。

用途と利点

PCIeを使用すると、データセンター管理者はサーバーマザーボードの高速ネットワークを利用して、サーバーラックの外でギガビットイーサネット、RAID、およびInfinibandネットワークテクノロジーに接続できます。 PCIeバスは、HyperTransportを使用してクラスター化されたコンピューター間の接続も可能にします。

ラップトップおよびモバイルデバイスの場合、PCI-eミニカードは、ワイヤレスネットワークアダプター、SSDディスクストレージ、およびその他のパフォーマンスアクセラレーターの接続に使用されます。

以下を読むことをお勧めします：

外部PCI Express（ePCIe）を使用すると、マザーボードを外部PCIeインターフェイスに接続できます。 ほとんどの場合、コンピューターが非常に多数のPCIeポートを必要とする場合、設計者はePCIeを使用します。