PCI Express

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PCI Express („Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt: PCIe oder PCI-E) ist ein Erweiterungsstandard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors. PCIe ist der Nachfolger von PCI, PCI-X und AGP und bietet im Vergleich zu seinen Vorgängern eine höhere Datenübertragungsrate pro Pin.

Während ihrer Entwicklung wurde die Schnittstelle „3GIO“ genannt, was für „3rd Generation Input/Output“ steht.

Technik[Bearbeiten]

Datenrate PCI Express
Burstrate ohne Protokoll-Overhead
  PCIe 1.0/1.1 PCIe 2.0/2.1 PCIe 3.0 PCIe 4.0
Erschienen 2003  2007  2012  ~2015 [1]
Taktrate 1,25 GHz  2,5 GHz  4,0 GHz  ~8,0 GHz 
Transfers/s (je Lane und Richtung) 2,5 GT/s  5,0 GT/s  8,0 GT/s  16,0 GT/s  [2]
Kodierung 8b10b  8b10b  128b130b  128b130b 
Lanes (Breite)        
x1 250 MB/s  500 MB/s  985 MB/s  1969 MB/s 
x2 500 MB/s  1000 MB/s  1969 MB/s  3938 MB/s 
x4 1000 MB/s  2000 MB/s  3938 MB/s  7876 MB/s 
x8 2000 MB/s  4000 MB/s  7877 MB/s  15752 MB/s 
x16 4000 MB/s  8000 MB/s  15754 MB/s  31504 MB/s 
(x32) 8000 MB/s  16000 MB/s  31508 MB/s  63008 MB/s 
PCI-Express-Grafikkarte
Prinzipielle Darstellung der PCIe-Architektur

PCIe ist im Vergleich zum parallelen PCI-Bus kein geteiltes (shared) Bus-System, sondern eine separate serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Einzelne Komponenten werden über Switches verbunden. Diese ermöglichen es, direkte Verbindungen zwischen einzelnen PCIe-Geräten herzustellen, so dass die Kommunikation einzelner Geräte untereinander die erreichbare Datenrate anderer Geräte nicht beeinflusst.

Bei PCIe gibt es kein eigenes Taktsignal, lediglich ein viel niedrigerer Referenztakt wird separat übertragen. Die Taktrückgewinnung erfolgt aus dem Empfangssignal. Dieses ist hierfür speziell kodiert (bis PCIe nach dem 8b/10b ab PCIe 3.0 eine „Scrambling“-Kodierung, welche 2 Synchronisations-Bits jeweils 128 Netto-Datenbits voranstellt)[3].

Für das Senden der Daten werden Parallel-zu-seriell-Wandler und für den Empfang Seriell-zu-parallel-Wandler in den Baugruppen eingesetzt. Trotz dieses sehr anderen physischen Aufbaus ist PCIe softwareseitig voll kompatibel zu PCI, so dass weder Betriebssysteme und Treiber noch Anwendungsprogramme angepasst werden müssen.

PCIe ist vollduplexfähig und arbeitet je nach Version mit 250, 500 oder 984,615 MByte/s pro Lane und Richtung. Version 4.0 soll 2000 MByte/s ermöglichen.

Sämtliche Datenübertragungen und sämtliche Signale (z. B. IRQs) auf der PCIe-Verbindung werden in Pakete aufgeteilt. Auf Grund des grundlegend anderen elektrischen Aufbaus und der anderen Übertragungsform sind keine Mischgeräte möglich, die sowohl in PCI- als auch PCIe-Slots betrieben werden könnten. Das wird auch durch geänderte Anschlüsse erzwungen, so dass zum Einsatz von PCIe-Karten entsprechend neuere Motherboards bzw. Controller verwendet werden müssen.

PCIe ist wie PCI prinzipiell Hot-Plug-fähig, was das Ein- und Ausbauen von (z. B. defekten) Erweiterungskarten im laufenden Betrieb ermöglicht, sofern die Hardware und auch das Betriebssystem das unterstützen.

Übertragungsschichten[Bearbeiten]

Die Übertragung wird durch mehrere Schichten dargestellt, von denen jede nur mit den direkt benachbarten Schichten kommuniziert, sowie für die auf dieser Schicht übertragenen Daten eine Fehlererkennung oder -korrektur durchführt.

Die unterste Schicht, der so genannte Physical Layer, stellt die elektrische Verbindung zwischen zwei direkt miteinander verbundenen Geräten dar. Das sind zum Beispiel ein Endgerät (z. B. eine Einsteckkarte) und der nächstgelegene Switch. Die logische Verbindung („Link“) zwischen diesen Geräten besteht aus einer oder mehreren Lanes. Jede Lane wiederum besteht aus zwei Leitungspaaren, je ein differentielles Paar für das Senden und Empfangen.

Sämtliche Daten, die zwischen PCIe-Geräten übertragen werden, werden gemischt über diese Leitungen übertragen, im Gegensatz zu PCI gibt es also keine eigenen Leitungen mehr für die Signalisierung von Interrupts. Da das serielle Protokoll jedoch nicht angehalten werden kann, ergibt sich eine etwas höhere und auch schwankende Interruptlatenz als bei klassischem PCI mit dedizierten Interruptleitungen.

Der Data Link Layer überträgt die Datenpakete des Transaction Layers zwischen den beiden Verbindungspartnern. Dazu versieht er diese mit einer Sequenznummer, sowie einem 32-Bit-CRC-Wert, dem so genannten Link CRC (LCRC). Empfangene Pakete werden dem direkten Verbindungspartner mittels Data Link Layer Packets mitgeteilt, ebenso wie der Zustand des Pakets. Beschädigte oder verlorene Pakete werden vom Verbindungspartner erneut gesendet. Dadurch werden die höheren Layer von elektrischen Übertragungsstörungen entkoppelt.

Der Transaction Layer transportiert letztlich die Nutzdaten zwischen dem logischen Sender und Empfänger, das heißt ohne Berücksichtigung der dazwischenliegenden Switches. Die Transaction Layer Packets (TLP) enthalten im Header eine Kennzeichnung, um was für eine Art von Übertragung es sich handelt. Typische Beispiele sind Schreibzugriffe (Writes) sowie Leseanforderungen (Reads) sowie Leseantworten (Completions). Schreibzugriffe sind so genannte posted transactions, das heißt, sie werden gesendet und erzeugen auf dem Transaction Layer keinerlei Antwort.

Quality of Service[Bearbeiten]

PCIe bietet als neues Feature gegenüber PCI „Quality of Service“. Dazu werden virtuelle Kanäle „Virtual Channels“ (VC) benutzt, denen eine Priorität „Traffic Class“ (TC) zugeordnet wird. Standardmäßig läuft der Datenverkehr über VC0 mit TC0. Durch die Benutzung von anderen virtuellen Kanälen kann bestimmter Datenverkehr priorisiert werden.

Eine typische Anwendung wäre eine Soundkarte bei der Aufnahme: Kann sie ihre Daten nicht rechtzeitig über die Verbindung weiterschicken, weil die Verbindung anderweitig belegt ist, so läuft früher oder später der Zwischenspeicher der Soundkarte über und es gehen Daten verloren. Für diese Echtzeitanwendung würde man den Datenverkehr priorisieren.

Stromversorgung[Bearbeiten]

Ein PCI-Express-Steckplatz kann das daran angeschlossene Gerät mit Strom versorgen. Laut Spezifikation beträgt die gelieferte Leistung für einen gewöhnlichen Steckplatz wie bei PCI maximal 25 Watt, für Low-Profile-Karten höchstens 10 Watt und bei einem PEG-(PCIe-x16)-Steckplatz maximal 75 Watt.[4] Da das für manche Einsatzzwecke wie Grafikkarten jedoch zu wenig ist, sieht die Spezifikation unterschiedliche Zusatzstecker zur Stromversorgung vor, sogenannte PCI Express (Graphics) Power Supply Connector (auch PEG-Connector oder PCIe-Kabel), die +12 Volt liefern.

Die erste Version der Zusatzstecker hat sechs Pins[5][6] und kann bis zu 75 Watt liefern, wodurch die dem Gerät maximal bereitgestellte Leistung auf 150 Watt steigt, bei Nutzung zweier solche Stecker sogar auf 225 Watt. In der Spezifikation von PCI Express 2.0 wurde ein neuer Zusatzstecker mit 8 Pins definiert, der maximal 150 Watt führen kann. Für noch höhere Leistungen kann ein zusätzlicher Stecker mit 6 Pins genutzt werden, der jedoch nur weitere 75 Watt führt, wodurch die maximale Aufnahmeleistung einer PCI-Express-Karte auf 300 Watt begrenzt ist (75 Watt vom Steckplatz, 150 Watt erster Stecker, 75 Watt zweiter Stecker).[7][6] Neue leistungsfähigere Grafikkarten, die seit Anfang 2011 auf dem Markt sind, sehen die Verwendung von zwei 8-Pin-Steckern vor. Somit steigert sich die maximale Leistungsaufnahme auf 375 Watt. (75 Watt vom Steckplatz, 150 Watt erster Stecker, 150 Watt zweiter Stecker). Diese letzte Erweiterung ist noch nicht offiziell, wird aber bereits in entsprechenden Produkten eingesetzt.[8][9]

Slot-Varianten[Bearbeiten]

PCIe- (gelb) und PCI-Slots (weiß)
Solid State Drive als Mini-PCIe-Steckkarte für Notebooks

PCI-Express-Karten und PCI-Express-Steckplätze haben zwei Eigenschaften:

  • Die mechanische Länge des Slots: Entsprechend der Länge des Slots oder Steckplatzes von 25 mm, 39 mm, 56 mm oder 89 mm spricht man von PCIe-x1, PCIe-x4, PCIe-x8 oder PCIe-x16. Bei Steckplätzen gibt es weiterhin offene Steckplätze, in die man mechanisch beliebige Karten stecken kann.
  • Die maximal verwendbaren Lanes eines Steckplatzes oder einer PCI-Karte: Häufig entsprechen sie der mechanischen Länge, können aber auch geringer sein, aber niemals größer. Häufig anzutreffen sind mechanische PCIe-x16-Steckplätze, die elektrisch nur PCIe-x4 oder PCIe-x8 sind. Insbesondere ist es oft der Fall, dass bei Boards mit mehreren PCIe-x16-Steckplätzen diese bei gleichzeitiger Verwendung weniger Lanes bereitstellen (s.u.).

Im Desktopbereich wird meist PCIe-x1 als Ersatz für den PCI-Bus und PCIe-x16 als Ersatz für den AGP-Bus zur Anbindung von Grafikkarten verwendet. PCIe-x4 sind vor allem im Serverbereich für Karten mit hohem Durchsatz (Festplattencontroller, 10GE-Netzwerkkarten) zu finden.

Im Server- und Workstationbereich gibt es darüber hinaus noch die PCIe-Varianten x8 und x32. Die Slots sind außerdem abwärtskompatibel, das heißt eine x1-Karte kann zum Beispiel auch in einen x4-Slot gesteckt werden, von den vier Lanes des Steckplatzes wird dann nur eine Lane genutzt. Einige Motherboards besitzen PCIe-Steckplätze ohne abschließenden Steg, so dass „größere“ Karten eingesteckt werden können.

Möglich ist auch, dass Slots eine von der Bauform abweichende Anbindung der Lanes haben. Oft zu finden ist das etwa bei SLI und Crossfire. Denn obwohl die Slots für die Grafikkarten die Größe von x16-Slots haben, werden beim Einsatz von zwei Grafikkarten die 16 Lanes auf beide Slots verteilt, falls die Hauptplatine beziehungsweise der darauf verbaute Chipsatz keine 32 Lanes für beide Grafikkarten bereitstellt, was dann nur noch 8 Lanes pro Karte ergibt. Allerdings findet diese Heruntertaktung nicht nur bei zwei Grafikkarten statt, sondern beispielsweise auch bei Verwendung einer x16-Grafikkarte und einer x1-Karte, sodass die Grafikkarte nur mit PCIe-8x läuft.

Der Steckplatz ist mechanisch in zwei Bereiche unterteilt: Im linken Bereich befinden sich immer 22 Steckkontakte, die hauptsächlich für die Stromversorgung und die Taktgebung verantwortlich sind. Im rechten Bereich befinden sich je nach Anzahl der Verbindungen 14 bis 142 Steckkontakte, die für die eigentliche Datenübertragung konzipiert sind.

Lanes Steckkontakte
insgesamt
Kontakte im
rechten Teilbereich
Gesamtlänge Länge des
rechten Bereiches
x1  36  14  25 mm  7,65 mm 
x4  64  42  39 mm  21,65 mm 
x8  98  76  56 mm  38,65 mm 
x16  164  142  89 mm  71,65 mm 

Aktuelle Hauptplatinen mit PCI Express unterstützen bis zu 68 Lanes – in der Regel aufgeteilt in einen bis sechs x16-Slots für die Grafikkarte(n) (von denen teilweise manche elektrisch mit weniger Lanes betrieben werden, s. o.) oder auch einen x16- und einen x4-Slot, dazu mehrere x1-Slots und zur internen Anbindung anderer auf dem Mainboard verbauter Geräte (z. B. Gigabit-Netzwerkchips, damit diese nicht über den viel langsameren PCI-Bus angebunden werden müssen).

Darüber hinaus gibt es bei Notebooks miniaturisierte Varianten von PCIe, unter Anderem Mini PCI Express für WLAN oder als SSD und das Mobile PCI Express Module für Grafikkarten.

Pinbelegung[Bearbeiten]

Oben = Bestückungsseite, Unten = Lötseite [10]

PCIe ×4 Belegung
Pin oben unten Bezeichnung
1 +12V PRSNT1# Präsenz – Wird auf der Karte nur mit dem hintersten PRSNT2#-Pin verbunden, alle anderen PRSNT2#-Pins sind auf der Karte mit nichts verbunden.
2 +12V +12V
3 Reserviert +12V
4 Masse Masse
5 SMCLK TCK SMBus- und JTAG-Anschlüsse
6 SMDAT TDI
7 Masse TDO
8 +3.3V TMS
9 TRST# +3.3V
10 +3.3Vaux +3.3V Standby-Betriebsspannung
11 WAKE# Power-GD Reaktivierung, Spannung aufgebaut.
Kodierlücke (Steg im Schacht)
12 Reserviert Masse
13 Masse REFCLK+ Taktreferenz Differenzpaar
14 HSOp(0) REFCLK- Leitungspaar 0 Datensender, + und −
15 HSOn(0) Masse
16 Masse HSIp(0) Leitungspaar 0 Datenempfang, + und −
17 PRSNT2# HSIn(0)
18 Masse Masse
Ende ×1 Schachtes. ×4, ×8 und ×16 Schächte werden hier fortgesetzt:
19 HSOp(1) Reserviert Leitungspaar 1 Datensender, + und −
20 HSOn(1) Masse
21 Masse HSIp(1) Leitungspaar 1 Datenempfang, + und −
22 Masse HSIn(1)
23 HSOp(2) Masse Leitungspaar 2 Datensender, + und −
24 HSOn(2) Masse
25 Masse HSIp(2) Leitungspaar 2 Datenempfang, + und −
26 Masse HSIn(2)
27 HSOp(3) Masse Leitungspaar 3 Datensender, + und −
28 HSOn(3) Masse
29 Masse HSIp(3) Leitungspaar 3 Datenempfang, + und −
30 Reserviert HSIn(3)
31 PRSNT2# Masse
32 Masse Reserviert
Legende
Masse 0 V Referenz
Versorgung Versorgungsspannung zur PCIe-Karte
Ausgang Signal von der Karte zur Hauptplatine
Eingang Signal von der Hauptplatine zur Karte
open drain Darf von mehreren Karten nach Masse geschaltet und/oder gelesen werden
Sensoranschluss Wird durch die Karte auf Masse verbunden, um „Anwesenheit“ zu signalisieren
Reserviert noch nicht in Benutzung

Kompatibilität von Steckplätzen und Karten[Bearbeiten]

Der PCIe-Standard verlangt, dass jede Karte eine Verbindung sowohl mit einer Breite von einer Lane als auch mit der elektrisch von der Karte unterstützten Laneanzahl herstellen kann. Für Slots gilt das Gleiche. Andere Verbindungsbreiten – der Standard sieht 1x, 2x, 4x, 8x, 12x und 16x vor – sind optional. Eine Verbindung kommt dann mit der maximalen Breite zustande die sowohl vom Slot als auch von der Karte unterstützt wird.

Da die elektrische Breite kleiner sein kann als die Bauform und manche Linkbreiten optional sind, ist es nicht offensichtlich, mit welcher Breite eine Karte in einem gegebenen Slot funktionieren wird. Die „PCI Express Label Specification and Usage Guidelines“ von 2006 empfehlen daher, an jedem Slot und auf jeder Karte genau aufzulisten, welche Verbindungsbreiten unterstützt werden. Dies wird jedoch nur selten umgesetzt.

Karte Steckplatz
PCIe x1 PCIe x4 PCIe x8 PCIe x16
x1 ok ok ok ok
x4 ok  ?  ?
x8 ok  ?
x16 ok
Legende
ok kompatibel
teilweise kompatibel: Nur bei Slots die das physikalische Einstecken der Karte nicht verhindern („offene Slots“, ohne Mainboardbauteile dahinter), Transferrate ist auf maximale Slot-Transferrate begrenzt. Dies wird zum Beispiel bei Slots benutzt, die von der Bauweise einem 16x Slot gleichen, aber nur 8 Lanes mit elektrischen Verbindungen haben. Dort funktionieren 16x Karten, allerdings nur mit halber Bandbreite.
 ? Verbindung mit 1x garantiert. Optional sind Verbindungen bis zur elektrischen Lane-Anzahl von Karte und Slot möglich. Manche Chipsätze sind in diesem Punkt nicht normkonform und unterstützen auf den 16x-Steckplätzen ausschließlich 16x-Karten.

Kompatibilität von Steckplätzen und Karten-PCIe-Versionen[Bearbeiten]

Karte Steckplatz
PCIe 1.0 PCIe 1.0a PCIe 1.1 PCIe 2.0 PCIe 2.1 PCIe 3.0 PCIe 3.x[Anm. 1] PCIe 4.0 PCIe 4.x[Anm. 1]
PCIe 1.0 ok ok ok  ?  ? ~ [Anm. 2]  ?  ?  ?
PCIe 1.0a ok ok ok  ?  ? ~ [Anm. 2]  ?  ?  ?
PCIe 1.1 ok ok ok  ?  ? ~ [Anm. 2]  ?  ?  ?
PCIe 2.0 ok[Anm. 3][11] ok[Anm. 3] ok[Anm. 3] ok  ? ok[12]  ?  ?  ?
PCIe 2.1 ~ [Anm. 4] ~ [Anm. 4] ~ [Anm. 4] ok[13] ok ok[12]  ?  ?  ?
PCIe 3.0  ?  ?  ? ok[12] ok[12] ok  ?  ?  ?
PCIe 3.x[Anm. 1]  ?  ?  ?  ?  ?  ? ok  ?  ?
PCIe 4.0  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ? ok  ?
PCIe 4.x[Anm. 1]  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ?  ? ok

Anmerkungen:

  1. a b c d Noch nicht existent.
  2. a b c PCI-Express-1.x-Karten sind möglicherweise inkompatibel zu Boards mit PCI-Express-3.0-Slots.
  3. a b c PCI-Express-2.0-Grafikkarten sind vollständig abwärtskompatibel zu Boards mit PCI Express1.0/1.0a/1.1.
  4. a b c PCI-Express-2.1-Grafikkarten lehnen sich bereits an den Standard 3.0 an, was zu Inkompatibilitäten mit gewissen älteren Mainboards führt.
Legende
ok kompatibel
Nicht kompatibel
 ? Information nicht vorhanden
~ Kann zu Inkompatibilitäten bei gewissen älteren Mainboards bzw. Grafikkarten führen

Literatur[Bearbeiten]

  • Ravi Budruk u. a.: PCI Express System Architecture. Addison-Wesley, Boston 2004, ISBN 0-321-15630-7.
  • *  Franz-Josef Lintermann, Udo Schaefer, Walter Schulte-Göcking, Klaas Gettner: Einfache IT-Systeme. Lehr-/Fachbuch. 5, 1. korrigierter Nachdruck Auflage. Bildungsverlag EINS, 2008, ISBN 978-3-8237-1140-7 (Seite 64-66).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. PCI Express 4.0 evolution to 16GT/s, twice the throughput of PCI Express 3.0 technology. PCI-SIG. 29. November 2011. Abgerufen am 7. Dezember 2012.
  2. Claire Castellanos Nereus: PCI-SIG Announces PCI Express 4.0 Evolution to 16GT/S, Twice the Throughput of PCI Express 3.0 Technology. PCI-SIG, 29. November 2011, abgerufen am 19. Mai 2013 (englisch).
  3. Benjamin Benz: Steiniger Weg – Wie serielle Interconnects der Physik ein Schnippchen schlagen, c't Zeitschrift 10/2010, S.188–191
  4. Christof Windeck: Was ist PEG? Wie unterscheiden sich PCI Express und PCI Express for Graphics (PEG)? In: c't magazin. 2009, abgerufen am 12. Oktober 2010 (Aus c't 1/09).
  5. PCI Express Power (6 pin). In: hardwarebook.info. 2007, abgerufen am 12. Oktober 2010 (englisch).
  6. a b Reale Leistungsaufnahme aktueller Grafikkarten. PCIe-Stromversorgung – 6/8-Pin-Stecker. In: Hard Tecs 4U. 29. Januar 2009, abgerufen am 12. Oktober 2010 (Grafische Darstellung der Pinbelegung).
  7. The Quick PCI-Express 2.0 Guide. In: 10stripe.com. Abgerufen am 12. Oktober 2010 (englisch).
  8. Produktindex NVidia Technische Daten Geforce GTX 590. 2011, abgerufen am 8. Mai 2011 (deutsch).
  9. Systemvoraussetzungen AMD Radeon 6990 Grafikkarte. 2011, abgerufen am 8. Mai 2011 (deutsch).
  10. What is the A side, B side configuration of PCI cards. In: Frequently Asked Questions. Adex Electronics. 1998. Abgerufen am 2011 Oct 24.
  11. Die Spezifikation für PCI Express 2.0 ist fertig, heise News 16. Januar 2007, abgerufen am 13. Februar 2012
  12. a b c d Q: Will PCIe 3.0 products be compatible with existing PCIe 1.x and PCIe 2.x products? PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group), 19. Dezember 2012, abgerufen am 19. Dezember 2012 (englisch).
  13. PCIE 2.1 GraKa auf PCIe 2.0 Slot. 8. Februar 2010, abgerufen am 6. September 2012 (deutsch).