PCI Express

PCI-Express-Logo

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

Datenrate PCI Express
Burstrate ohne Protokoll-Overhead

	PCIe 1.0/1.1	PCIe 2.0/2.1	PCIe 3.0
Symbolrate	2,5 GHz	5,0 GHz	8,0 GHz
Kodierung	8b10b	8b10b	128b130b
x1	250 MB/s	500 MB/s	985 MB/s
x2	500 MB/s	1000 MB/s	1969 MB/s
x4	1000 MB/s	2000 MB/s	3938 MB/s
x8	2000 MB/s	4000 MB/s	7877 MB/s
x16	4000 MB/s	8000 MB/s	15754 MB/s
x32	8000 MB/s	16000 MB/s	31508 MB/s

PCI-Express-Grafikkarte

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. 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 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 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

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

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

Ein PCI-Express-Steckplatz kann das daran angeschlossene Gerät mit Strom versorgen. 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 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), die +12 Volt liefern.

Die erste Version der Zusatzstecker hat sechs Pins^[2][3] 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).^[4][3] Die neuesten Boliden unter den 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. ^[5][6]

Slot-Varianten

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.

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 acht Lanes pro Karte ergibt.

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

Oben = Bestückungsseite, Unten = Lötseite ^[7]

PCIe ×4 Belegung

Pin	oben	unten	Bezeichnung
1	+12V	PRSNT1#	Präsenz - Wird durch die Karte nach Masse 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. ×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

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.
?	nicht vorgeschrieben, aber möglich[8]

Literatur

• Ravi Budruk u. a.: PCI Express System Architecture. Addison Wesley, Boston 2004, ISBN 0-321-15630-7.

Weblinks

• PCI-Express-Spezifikation auf pcisig.com (englisch)
• PCI Express: Kurz erklärt auf tweakpc.de
• PCI Express: Grundlagen auf computerbase.de
• PCIe - PCI Express auf Elektronikkompendium

Einzelnachweise

1. ↑ 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). 
2. ↑ PCI Express Power (6 pin).] In: hardwarebook.info. 2007, abgerufen am 12. Oktober 2010 (englisch). 
3. ↑ ^{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). 
4. ↑ The Quick PCI-Express 2.0 Guide. In: 10stripe.com. Abgerufen am 12. Oktober 2010 (englisch). 
5. ↑ Produktindex NVidia Technische Daten Geforce GTX 590. 2011, abgerufen am 8. Mai 2011 (deutsch). 
6. ↑ Systemvorausetzungen AMD Radeon 6990 Grafikkarte. 2011, abgerufen am 8. Mai 2011 (deutsch). 
7. ↑ What is the A side, B side configuration of PCI cards. Frequently Asked Questions. Adex Electronics (1998). Abgerufen am 2011 Oct 24.
8. ↑ PCIe - PCI Express. Kompatibilität von PCI-Express-Grafikkarten. In: Elektronikkompendium. Abgerufen am 12. Oktober 2010.