Tìm hiểu Bus PCI Express

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Tìm hiểu Bus PCI Express

BÀI TẬP LỚN MÔN: Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối

Giảng viên hướng dẫn : Thầy Phan Trung Kiên

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hồng Thái

Phạm Ngọc Toàn Phạm Thị Bích Hồng Đinh Thị Hiền

Lê Thị Mơ Đinh Thị Hải Nguyễn Văn Quý

Lớp K48 ĐHSP Tin

Tìm hiểu Bus PCI Express

I Khái niệm bus:

- Bus là một tập hợp các đường truyền kết nối của máy tính lại với nhau, cácbus có thể thực hiện vận chuyển thông tin đồng thới (áp dụng với bus địa chỉ vàbus dữ liệu)

- Phân loại :

+ Bus địa chỉ: Thực hiện vận chuyển địa chỉ từ CPU đến modun nhớ

+ Bus dữ liệu : Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ tới CPU và vận chuyển dữ liệu giữacác thành phần thiết bị

+ Bus điều khiển : Vận chuyển các tín hiệu điều khiển: Đọc , Ghi

II Tìm hiểu lịch sử phát triển của PCI

PCI ( Peripheral Component Interconnect) trong khoa học máy tính là một

chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến một bo mạch chủ thông quachíp cầu nam

Lịch sử phát triển

PCI được Intel phát triển để thay thế các bus cổ điển ISA và EISA vàonhững năm 1992 Sự phát triển của bus PCI đã thay đổi qua nhiều phiên bản, cóthể kể đến như sau:

 PCI phiên bản 1.0: ra đời vào năm 1992 bao gồm hai loại: loại chuẩn (32 bit)

và loại đặc biệt (64 bit)

 PCI phiên bản 2.0: ra đời năm 1993

 PCI phiên bản 2.1: ra đời năm 1995

 PCI phiên bản 2.2: ra đời tháng 1 năm 1999

 PCI-X 1.0 ra đời tháng 9 năm 1999

 mini-PCI ra đời tháng 11 năm 1999

PCI phiên bản 2.3 ra đời tháng 3 năm 2002

 PCI-X phiên bản 2.0 ra đời tháng 7 năm 2002

 PCI Express phiên bản 1.0 ra đời tháng 7 năm 2002 và ít lâu sau là 1.1

 PCI Express phiên bản 2.0 ra đời 15 tháng 1 năm 2007

 PCI Express phiên bản 3.0 sẽ ra mắt khoảng năm 2010

Các kiểu bus PCI

PCI với bus 33,33 Mhz, độ rộng 32 bit là bus PCI thông dụng nhất cho đếnthời điểm năm 2007 dùng cho các bo mạch mở rộng (bo mạch âm thanh, bo mạchmạng, bo mạch modem gắn trong Tuy nhiên có một số bus PCI khác như sau:

 PCI 66 Mhz: Độ rộng bus: 32 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 266 Mbps

 PCI 64 bit: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 33 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 266 Mbps

 PCI 64 Mhz/66 bit: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệuchuyển trong một xung nhịp: 1; Băng thông: 533 Mbps

 PCI-X 64: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 533 Mbps

 PCI-X 133: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 1066 Mbps

 PCI-X 266: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 2; Băng thông: 2132 Mbps

 PCI-X 533: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 4; Băng thông: 4266 Mbps

Những bus PCI 66 Mhz hoặc 64 bit theo liệt kê trên không thông dụng trongcác máy tính cá nhân, chúng thường chỉ xuất hiện trên các máy chủ hoặc máy trạm

Khe cắm mở rộng PCI 33Mhz, 32 bit màu trắng (bên phải) loại thông dụngthường thấy trên các máy tính cá nhân

Hình minh hoạ vị trí bus PCI trong bo mạch chủ

Đặc điểm

Chuẩn PCI (Peripheral Component Interface) đầu tiên do Intel phát triển làVersion 1.0 kết hợp với kiểu PCI Local bus 2.0 do SIG (Special Interest Group)giới thiệu vào tháng 5 năm 1993

Được chọn làm chuẩn giao tiếp của hầu hết card thiết bị ngoại vi

Đáp ứng được yêu cầu về chuẩn bus tốc độ cao

Ngay sau khi ra đời chuẩn PCI đã thống trị khe giao tiếp của các phần mởrộng máy tính như card hình, card tiếng, card mạng, ổ cứng Khe PCI chiếm vị tríchủ đạo trên các bo mạch chủ thời đó

Bo mạch chủ với 9 khe PCI

Ban đầu tốc độ xung nhịp đồng hồ cho Bus PCI là 33MHz , về sau nâng lên66MHz đối với PCI 2.1 , với tốc độ lí thuyết là 266MBps - gấp 33 lần so với ISABus Nó có thể thiết lập cấu hình 32-bit hoặc 64-bit Với 64-bit chạy với tốc độxung nhịp 66MHz - giữa năm 1999 - tăng băng thông về mặt lí thuyết tới524MBps PCI có kích thước nhỏ hơn so với ISA, Bus mastering PCI giảm thờigian trễ và kết qủa làm tăng tốc độ của hệ thống

Ưu điểm chính của PCI

 có thể truyền tốc độ 133MBytes với 32bit hoặc 266 MBytes/s với 64bit

 Configurability:

 hệ thống bus độc lập với processor

 cho phép định cấu hình tự động dễ dàng cho người sử dụng

 Multiple Master:

 bất kỳ thiết bị nào cũng có thể là chủ bus

 hỗ trợ cơ chế DMA

 Reliability:

 có tính Hot plug và Hot swap: khả năng thay đổi module mà khônglàm ảnh hưởng tới hoạt động của hệ điều hành

Đặc tính cơ bản của PCI:

 là cầu nối giữa bộ vi xử lý và bus mở rộng

 Khả năng giao tiếp tối đa 256 thiết bị

 là bus 32 bit với tốc độ 133MBytes/s

 có khả năng mở rộng 64 bit với tốc độ 266MBytes/s

 làm việc với hệ thống đa xử lý

 hỗ trợ nguồn 5V và 3.3V

 truyền dữ liệu liên tục với chiều dài bất kỳ

 tần số làm việc trong khoảng 0 đến 33MHz

 tín hiệu địa chỉ và dữ liệu được dồn kênh

 hỗ trợ ISA, EISA, MCA

 định cấu hình qua phần mềm và thanh ghi

 Đặc tính độc lập với bộ vi xử lý

Hoạt động

Bus PCI là bus của I486 trong đó dữ liệu và địa chỉ được gửi đi theo cách thứcdồn kênh, các đường địa chỉ và dữ liệu được dồn chung trên các đường của PCI.Cách này tiết kiệm được số chân PCI nhưng lại hạn chế tốc độ vì phải cần 2 xungclock cho một quá trình truyền dữ liệu ( 1 cho địa chỉ và 1 cho dữ liệu) Việc nốigiữa CPU, bộ nhớ chính, và bus PCI được thực hiện bằng cầu PCI, qua đó bus PCI

sẽ phục vụ cho tất cả các đơn vị của các bus PCI Tối đa là 10 thiết bị được nối tớibus PCI, trong đó cầu PCI được coi là một Chu kỳ bus của PCI đạt gần bằng tôc

độ chu kỳ bus của I486 Nó có thể hoạt động với độ rộng 32 bit dữ liệu và tốc độ33Mhz ( có thể đạt 64 bits với tốc độ 66MHz) Một điểm mạnh của PCI là dữ liệuđược truyền tải theo kiểu cụm, trong đó địa chỉ chỉ được truyền đi 1 lần, sau đó nó

sẽ được hiểu ngầm bằng cách cho các đơn vị phát hoặc thu đếm lên trong mỗi xungclock Do đó, bus PCI hầu như được lấp đầy bởi dữ liệu Tốc độ truyền tối đa trongkiều cụm có thể lên đến 120MBps

III Tìm hiểu Bus PCI Express

Cách đây không lâu, PCI còn là chuẩn tốt nhất để máy tính giao tiếp với các card chức năng mở rộng (sound, modem ) qua các khe cắm trên mainboard Nay, một chuẩn mới ra đời để đáp ứng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu ngày một tăng, đó là chuẩn PCI Express.

Tuy chuẩn này hiện chủ yếu ứng dụng cho card đồhọa nhưng có lẽ chẳng bao lâu nữa nó cũng sẽ đượcdứng dụng cho nhiều thiết bị khác Vì vậy, mộtmainboard có hỗ trợ PCI Express hay không cũng làmột điều đáng được xem xét để cân nhắc khi mua sắm

Thời gian gần đây có lẽ bạn nghe nhắc nhiều tới cụm từ pci express, nhất là khitìm hiểu các thông số kỹ thuật của một số loại mainboard hoặc card đồ họa đờimới có thể ở thời điểm hiện tại và trong tương lai sắp tới thì vấn đề có hỗ trợ pciexpress hay không sẽ ảnh hưởng nhiều tới quyết định khi lựa chọn trang bị phầncứng cho máy tính của bạn Có hai lý do khiến bạn nên quan tâm đến PCI-Express:Thứ nhất, chuẩn PCI cũ xuất hiện từ những năm 90 đã quá lạc hậu, do đó không

còn đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn về băng thông và tốc độ của các thiết bịmới Thứ hai, chuẩn AGP cũng có số phận tương tự khi đã phát triển đến ngưỡng

và xuất hiện những dấu hiệu lạc hậu, đồng thời các nhà sản xuất ngày càng tỏ ra ưu

ái và dần thay thế AGP bằng một giao tiếp vượt trội hơn - PCI Express Do đó cóthể dự đoán về một sự soán ngôi trong lãnh vực card đồ họa, và người dùng sẽ làđối tượng hưởng lợi mặc dù sẽ không còn nhiều lựa chọn như trước

Vấn đề băng thông

Hiện thời, PCI Express được chia làm nhiều loại ứng với từng tốc độ truyền tải

dữ liệu khác nhau là: 1x, 2x, 4x, 8x, 12x, 16x (và cả 32x), tất cả đều có băng thônglớn hơn nhiều so với chuẩn PCI cũ Trong đó loại 4x, 8x và 12x sử dụng trong thịtrường máy chủ, còn 1x, 2x và 16x thì sử dụng cho người dùng thông thường.Bảng bên cạnh so sánh các loại này với nhau và với các chuẩn truyền tải dữ liệukhác:

Lưu ý: vì PCI Express là công nghệ dựa trên nền tảng tương tự (serial) nên dữ

liệu có thể truyền tải qua bus theo hai hướng, do đó con số trong ngoặc vuông làbăng thông tổng cộng theo cả hai hướng

Phân biệt PCI Express, AGP và PCI:

Chuẩn PCI Express có thể ứng dụng trongnhiều thiết bị khác, tuy nhiên tại thời điểm này

nó được sử dụng chủ yếu trong các loại card đồhọa Trong hình minh họa ở trang sau, bạn sẽthấy hình ảnh cụ thể về ba thế hệ card đồ họa sửdụng các chuẩn PCI, AGP và PCI Express16x Do card đồ họa PCI loại cũ rất hiếm trênthị trường nên ta chỉ quan tâm so sánh giữa card AGP và PCI Express mà thôi.Như bạn thấy, card PCI Express có hàng chân cắm bắt đầu và kết thúc bằng nhữngmiếng nhựa nhỏ và sẽ không được cắm hoàn toàn vào khe cắm trên mainboard.Đây là đặc điểm nhận dạng nổi bật nhất giúp phân biệt giữa card PCI Express và

AGP Và theo đó, bạn tuyệt đối không thể cắm một card PCI Express vào khe AGP

và ngược lại Điểm khác biệt thứ hai giúp bạn phân biệt card PCI Express và AGP

là số lượng khe trên hàng chân cắm Trên card PCI Express bạn thấy chỉ có mộtkhe, trong khi đó trên card AGP và PCI loại cũ có tới 2 khe Các loại card PCIExpress 1x và 4x có một số điểm khác biệt nhưng chúng đều rất hiếm và gần nhưkhông tìm thấy trên thị trường hiện thời Loại PCI Express 1x có chân cắm gầngiống với các thiết bị sử dụng khe AMR đã rất cũ, tuy nhiên trên thị trường linhkiện hiện giờ không có một loại mainboard nào có cả hai loại khe cắm là AMR vàPCI Express cả

Một số câu hỏi được nhiều người quan tâm về PCI Express

- Chuẩn PCI Express có thật nhanh hơn PCI?

Với chuẩn PCI loại cũ thì đúng như vậy, PCI Express có tốc độ truyền dữ liệunhanh hơn nhiều so với PCI Chẳng hạn với loại card PCI Express 1x thì tốc độtruyền dữ liệu nhanh hơn tối thiểu là 118% Còn nếu so sánh card đồ họa PCIExpress 16x với card đồ họa PCI loại cũ thì tốc độ nhanh hơn tới 29 lần

Còn đối với chuẩn AGP thì câu trả lời là đúng và cũng chưa đúng Trên lýthuyết thì card PCI Express 16x có tốc độ truyền tải dữ liệu giữa hệ thống và card

đồ họa nhanh hơn tới 190% so với card AGP 8x Tuy nhiên trên thực tế thì kết quảkhông hoàn toàn như mong muốn bởi nhiều nguyên nhân về công nghệ Bởi vậynếu bạn đang sử dụng hệ thống với chuẩn AGP và bạn cảm thấy hài lòng với nó thìviệc đầu tư chuyển sang sử dụng PCI Express là không cần thiết Thay vào đó bạn

có thể trang bị một card AGP có tốc độ nhanh (như nVidia 6800GT ) là quá đủcho mọi mục đích sử dụng và chơi game rồi Chỉ trừ khi hệ thống đã thuộc loại cũvới các chuẩn AGP 4x hay 2x thì việc xem xét chuyển sang PCI Express là nênlàm

- Cùng với PCI Express người ta còn thường nói nhiều tới SLI, vậy SLI là gì?

SLI (Scalable Link Interface) là công nghệ có khả năng sử dụng cùng lúc haicard đồ họa riêng biệt của nVidia để đem lại hiệu quả cao hơn Điều kiện là card

đồ họa và mainboard của bạn phải hỗ trợ công nghệ này Bạn

có thể hình dung cách làm việc của SLI là chia sẻ công việc

đồ họa nặng nề cho hai card đồ họa xử lý cùng lúc (xu hướng

này dễ hiểu khi mà mọi thứ đều làm việc “có đôi” như Hyper

Threading của bộ vi xử lý và Dual Channel của bộ nhớ RAM,

nhờ đó công việc nhanh và hiệu quả hơn rất nhiều)

Chẳng hạn, hai card 6600GT sẽ làm việc hiệu quả hơn rất

nhiều so với chỉ một card 6800GT hay X800 dù giá cả thấp

hơn việc bạn mua hai card 6600GT riêng biệt Vấn đề duy

nhất là hiện giờ công nghệ SLI còn mới và chỉ giới hạn sử dụng trên hệ thốngAMD 64 / AMD FX socket 939 Tương lai tới sẽ có sự đổi khác và công nghệ này

có thể sử dụng phổ biến trên nhiều nền tảng hơn

- Liệu có cần một nguồn cấp điện bổ sung cho card PCI Express?

Mặc dù bạn có thể sử dụng nguồn cấp điện bổ sung nhưng đa số các loại cardPCI Express đều chưa sử dụng tới khả năng này Một số loại card đồ họa sử dụngchipset X600, X700, X300, hay 6600 thường không sử dụng nguồn cấp điện bổsung Trong trường hợp card đồ họa PCI Express yêu cầu sử dụng nguồn điện bổsung mà bộ cấp điện nguồn lại không hỗ trợ, bạn có thể sử dụng thiết bị PCIExpress Power Adapter (tham khảo ở địa chỉhttp://www.directron.com/6pinpcie.html) để tự tạo ra một nguồn cấp điện riêngcho card PCI Express

Kiến trúcPCI – E

Hiện nay, tốc độ truyền tải của PCI Express 1.x (PCIe 1.x) nhìn chung có thểđáp ứng hầu hết các ứng dụng thông thường, tuy nhiên với các ứng dụng đồ họacao cấp thì vẫn chưa đủ Đây chính là lý do để công nghệ PCI Express (PCIe)không ngừng cải tiến và tới thời điểm này đã hiện thực trên các sản phẩm giao tiếpPCI Express (PCIe) 2.0 và PCIe 3.0.

Kiến trúc PCIe được phân thành các lớp như hình 1

Hinh 1

PCIe hoàn toàn tương thích với thế hệ PCI trước đây Điều này có nghĩa là tất

cả các ứng dụng và trình điều khiển tương thích với PCI cũng hoạt động khôngthay đổi với PCIe Chính vì vậy chuẩn giao tiếp PCIe cũng có nguyên lý giao tiếpgiống như PCI

• Lớp vật lý (physical)

Liên kết PCIe cơ bản bao gồm các cặp tín hiệu: một tín hiệu truyền và một tínhiệu nhận như hình2:

Hinh 2

Một xung dữ liệu được ghi vào bằng cách sử dụng mã hóa 8b/10b để đạt đượctốc độ dữ liệu cao Tần số của phiên bản PCIe đầu tiên là 2,5 Gigatransfers/giây/hướng (GT/s); với công nghệ silicon, tần số này có thể được cải tiến

để nâng lên thành 10GT/s Lớp vật lý chuyển các gói giữa các lớp liên kết của 2PCIe

• Lớp liên kết (Link)

Vai trò cơ bản của một lớp liên kết là để bảo đảm tính xácthực của việc truyền đi các gói thông qua liên kết PCIe Lớp liên kết chịu tráchnhiệm trong việc bảo toàn và kiểm tra dữ liệu bằng chuỗi đánh số gói, chuỗi CRC(Cyclic redundancy check) vào các gói của lớp truyền/nhận (transaction) gửi đếnnhư hình 3:

Hầu hết các gói được bắt đầu ở lớp transaction Giao thức điều khiển luồng bảođảm các gói này chỉ được truyền khi có một bộ đệm để nhận gói này ở điểm cuối.Điều này giúp loại trừ việc phải gửi đi nhưng có nơi nhận phải gửi lại gây ra việclãng phí băng thông Lớp liên kết sẽ tự động gửi lại một gói khi gói này bị sai lệch

• Lớp truyền/nhận (transaction)

Lớp transaction nhận các yêu cầu đọc và ghi từ lớp phần mềm và tạo ra các góiyêu cầu cho việc truyền đến lớp liên kết Đa số tất cả các yêu cầu đều độc lập vàmột số gói yêu cầu cần phải có một gói trả lời Lớp transaction cũng nhận các góitrả lời từ lớp kết nối và kết hợp các gói trả lời này với các gói yêu cầu từ lớp phầnmềm Mỗi gói sẽ có một mã riêng biệt để bảo đảm các gói trả lời tương ứng vớitừng gói yêu cầu ban đầu Định dạng gói hỗ trợ 32bit địa chỉ nhớ có thể mở rộngthành 64bit địa chỉ nhớ Các gói cũng có các thuộc tính như “no-snoop”, “relaxedordering”, “priority” Các thuộc tính này có thể được sử dụng để tối ưu lộ trình của

PCI Express 2.0

Với phiên bản PCIe 1.1 có tốc độ bit 2,5Giga transfers/s (GT/s) nhưng vớiphiên bản PCIe 2.0 thì tốc độ này được tăng gấp đôi lên thành 5GT/s Ví dụ, mộtPCIe 1.1x8 có băng thông tổng cộng 4GBytes/s, tương đương với băng thông củaPCIe 2.0x4 của công nghệ tín hiệu 5GT/s Tuy nhiên, PCIe 2.0 có thể hỗ trợ cùnglúc tốc độ 2,5GT/s và 5GT/s, có thể tương thích ngược với PCIe 1.0 và 1.1 Cónghĩa là một thiết bị được thiết kế hoạt động ở tốc độ 5GT/s có thể cắm trên khe hỗtrợ tín nhiệu 2,5GT/s và ngược lại

Bên cạnh tốc độ nhanh hơn gấp đôi, PCIe 2.0 còn có một số cải tiến như tươngthích tốt hơn, độ tin cậy cao hơn trong thiết kế các liên kết PCIe Ngoài ra, PCIe2.0 còn có những tính năng đặc biệt trong đặc tả:

• Gia tăng khả năng kiểm soát lỗi định thời: giảm lỗi định thời và gia tăng khảnăng điều chỉnh thời gian