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 und AGP und bietet im Vergleich zu seinen Vorgängern eine höhere Datenübertragungsrate.

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

Technik

PCI-Express-Grafikkarte

Datenraten der unterschiedlichen PCI-Express-Versionen

PCIe ist im Vergleich zum parallelen PCI-Bus kein geteiltes (shared) Bus-System, sondern eine separate serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die Datenübertragung erfolgt über sogenannte Lanes, wobei jede Lane aus zwei Leitungspaaren besteht (je ein differentielles Paar für das Senden und Empfangen). Einzelne Komponenten werden über Switches verbunden. Die Taktrückgewinnung erfolgt aus dem Empfangssignal. 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 mit einer Taktrate von 1,25 GHz. Daraus berechnet sich die Datenrate einer Lane (nach 8B10B-Kodierung) zu maximal 125 MByte/s pro Richtung (zum Vergleich: der Standard-PCI-Bus mit 32 Bit Busbreite bei 33 MHz erreicht nur maximal 133 MByte/s). In der Praxis erreicht man Raten von über 240 MByte/s bei langen Datentransfers. Verwendet man nur eine Lane, spricht man von PCIe x1. Durch Koppelung mehrerer Lanes kann man die Datenrate erhöhen, etwa x4 mit vier Lanes bis zu x32 mit 32 Lanes. Inzwischen existiert die Version 2.0 der PCIe-Spezifikation mit einer Datenrate von 500 MByte/s pro Lane. Die PCI-SIG plant darüber hinaus zukünftig auch eine Version mit 1000 MByte/s pro Lane.

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.

Quality of Service

PCIe bietet als neues Feature gegenüber PCI „Quality of Service“. Dazu werden virtuelle Kanäle „Virtual Channels“ (VC) benutzt, welchen 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

Ein PCI-Express-Steckplatz kann das daran angeschlossene Gerät mit Strom versorgen. Der Spannungspegel besitzt einen Wert von 0,8 Volt. Laut Spezifikation beträgt die gelieferte Leistung für einen gewöhnlichen Slot wie bei PCI maximal 25 Watt, für Low-Profile-Karten höchstens 10 Watt und bei einem PEG (PCIe-x16) Slot maximal 75 Watt.^[1] Da dies für manche Einsatzzwecke wie Hochleistungsgrafikkarten jedoch zu wenig ist, sieht die Spezifikation unterschiedliche Zusatzstecker zur Stromversorgung vor, sogenannte PCI-Express (Graphics) Power Supply Connector (auch PEG Connector), die +12V liefern.

Die erste Version der Zusatzstecker hat 6 Pins^[2] 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).^[3]

Slot-Varianten

PCIe- (gelb) und PCI-Slots (weiß)

Im Desktopbereich wird meist PCIe-x1 als Ersatz für den PCI-Bus und PCIe-x16 zur Anbindung einer Grafikkarte verwendet (PCI-Express for Graphics, PEG), was somit auch den AGP überflüssig macht; teilweise kommen auch noch x4-Slots zum Einsatz. Während fast alle neueren Grafikkarten den PCIe-x16-Slot nutzen, sind bisher (2008) Steckkarten anderer Typen (etwa Sound-, Netzwerk- oder Schnittstellenkarten), die für PCIe ausgelegt sind, noch kaum verbreitet; vielmehr wird hierfür allgemein noch der hergebrachte PCI-Slot bevorzugt, der daher auch auf neueren Hauptplatinen fast durchweg noch vorhanden ist. Es ist dabei nicht möglich, eine PCI-Karte in einen PCIe-Slot zu stecken.

Im Server- und Workstationbereich gibt es darüber hinaus noch die PCIe-Varianten x8 und x32. Die Slots sind außerdem abwärtskompatibel, d. h. eine x1-Karte kann z. B. auch in einen x4-Slot gesteckt werden, die überzähligen drei Lanes werden dann einfach nicht benutzt. Die entgegengesetzte Variante (z. B. Einstecken eines RAID-Controllers mit 8 Lanes in einen PCIe-Slot mit 4 Lanes) ist durch die Spezifikation verboten, wird aber von sehr vielen Chips und Karten unterstützt. Insbesondere können PCIe-x16-Grafikkarten oft auch an PCIe-x8 betrieben werden. 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 dies z. B. 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 bzw. der darauf verbaute Chipsatz keine 32 Lanes für beide Grafikkarten bereitstellt, was dann nur noch acht Lanes pro Karte ergibt.

Der Steckplatz ist mechanisch in zwei Bereiche unterteilt: Im linken Bereich befinden sich immer 22 Steckkontakte, und im rechten Bereich je nach Anzahl der Verbindungen 14 bis 142.

Lanes	Steckkontakte	Kontakte in rechter Hälfte	Gesamtlänge	Länge der rechten Hälfte
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

Mini PCIe Steckkarte als Solid State Drive für Notebooks

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 im Notebook-Bereich miniaturisierte Varianten von PCIe, unter Anderem Mini PCI Express für WLAN oder als SSD und das Mobile PCI-Express Module für Grafikkarten.

Literatur

• Brad Congdon: PCI Express System Architecture, Addison Wesley, 2003, ISBN 0-321-15630-7.

Weblinks

• PCI-Express-Spezifikation (engl.)
• PCI Express: Kurz erklärt
• PCI Express: Grundlagen
• Pakete per Express, Teil 1: Ausführliche Beschreibung des „Physical Layer“ von PCI-Express
• Pakete per Express, Teil 2: Ausführliche Beschreibung des PCI-Express-Protokolles
• PCIe zum Zweiten: Die Neuerungen der zweiten PCIe Generation

Einzelnachweise

1. ↑ CT. 1, 2009, S. 166.
2. ↑ PCI Express Power (6 pin) auf hardwarebook.info (7. Dezember 2008)
3. ↑ The Quick PCI-Express 2.0 Guide auf 10stripe.com (7. Dezember 2008)