مفهوم PCI ، PCI Express و تفاوت آن ها

شاید اصطلاح PCI یا PCI Express در دنیای IT به گوشتان خورده باشد. یا زمانی که قصد خرید یک مادربرد برای کامپیوتر جدیدتان را داشتید، عبارات اسلات PCI، اسلات PCIe یا امثال این ها را در مشخصات آن دیده باشید و از خودتان بپرسید منظور از این عبارات چیست؟ در این مقاله قصد داریم با ارائه اطلاعات کامل در مورد اسلات ها و این قبیل عبارات، پاسخ شما را بدهیم.

پس لطفا ما را در ادامه همراهی کنید.

قبل از هر چیز باید بدانیم اسلات چیست؟

در واقع، به شیار های روی مادربرد که محل اتصال قطعاتی مانند پردازنده (CPU)، رم (RAM)، کارت گرافیک (VGA) و… هستند، اسلات گفته می شود. اسلات ها انواع مختلفی دارند و از نظر ظاهری کاملا با یکدیگر متفاوت اند. اما تشخیص آن ها کار سختی نیست. شما با یک بار دیدن هر اسلات و دانستن اینکه آن اسلات برای اتصال چه قطعه ای است، کاملا می توانید آن ها را از هم تشخیص دهید. در تصویر زیر، چند نمونه از اسلات های تعبیه شده بر روی مادربرد را می بینید.

 

بسته به سلیقه کمپانی سازنده، رنگ اسلات ها ممکن است با یکدیگر متفاوت باشد یا اینکه همه آن ها به یک رنگ بر روی مادربرد قرار گرفته باشند. تفاوت رنگ اسلات ها تنها به دلیل تشخیص راحت تر آن ها و زیبایی بصری است و تفاوتی در اصل عمل ایجاد نمی کند. وظیفه همه اسلات ها، اتصال قطعات به مادربرد و ایجاد ارتباط میان آن ها و کامپیوتر است.

همانطور که گفتیم، اسلات های مختلفی وجود دارد اما به علت اینکه از موضوع اصلی این مقاله دور نشویم، معرفی و بررسی سایر اسلات ها را در مقاله دیگری تقدیم حضورتان می کنیم.

هدف ما در این مقاله، آشنایی با PCI و PCIe است. اکنون که با مفهوم اسلات آشنا شدیم، دانستن تاریخچه PCI نیز خالی از لطف نیست. پس از آن به PCIe میپردازیم.

اتصال قطعات به مادربرد و نحوه کار آن ها به گونه ای که با کمترین مصرف انرژی، بیشترین بازدهی بدست آید، یکی از مسائلی بود که سبب شد مهندسان و کمپانی های بزرگ دست به کار شوند و استاندارد هایی را معرفی کند. یکی از این استانداردها، استاندار PCI بود که در سال 1992 توسط کمپانی اینتل معرفی شد. PCI مخففPeripheral Component Interconnect به معنای رابط اجزای جانبی می باشد. بر اساس این استاندارد، یک مسیر مشترک برای اشتراک داده ها در دستگاه های مختلف ارائه شد. اصل کار PCI، انتقال موازی اطلاعات بود، یعنی به ازای هر بیت داده، در نظر گرفتن یک سیم برای انتقال آن ضروری به شمار می رفت.

PCI در وضعیت استاندار خود، با استفاده از باس 32 بیتی با سرعت 33 مگاهرتز، پهنای باند 133 مگابایت در ثانیه را ارائه می کرد. اما با استفاده از باس 64 بیتی با سرعت 66 مگاهرتز، پهنای باند تا 533 مگابایت در ثانیه افزایش پیدا می کرد. در جدول زیر، استاندار های مختلف PCI به همراه پهنای باس، سرعت باس و پهنای باند را مشاهده می کنید.

 

سرعت PCI، سرعت کمی نیست اما مشکلاتی دارد. انتقال اطلاعات به صورت موازی سبب می شود تا دستگاه ها نتوانند به طور همزمان به ارسال و دریافت داده بپردازند. همچنین سرعت باس همه دستگاه ها، به دستگاهی محدود می شود که دارای کمترین سرعت باس است. برای مثال، اگر 3 دستگاه وجود داشته باشد که سرعت باس 2 تا از آن ها 66 مگاهرتز و سرعت باس دیگری 33 مگاهرتز باشد، سرعت باس هر سه آن ها 33 مگاهرتز خواهد شد.

از مشکلات دیگر ارسال موازی داده ها، نویز و تاخیر بوجود آمده در مسیر و زمان ارسال آن هاست. با ارسال یک بیت داده از طریق یک سیم، میدان الکترومغناطیسی اطراف آن سیم بوجود می آید. این میدان مغناطیسی هرچه بیشتر شود، بر روی جریان سیم کناری اثر منفی بیشتری می گذارد و باعث بالاتر رفتن نویز در داده ی موجود در آن سیم می شود. همچنین به دلیل کوتاه و بلند بودن سیم های تعبیه شده روی مادربرد، زمان رسیدن داده ها به مقصد به تاخیر می افتد.

برای حل این مشکلات و بهبود سرعت اتصال تجهیزات جانبی، مهندسان کمپانی های بزرگی چون Intel، HP، Dell و IBM به صورت گروهی تحت عنوان PCI-SIG گرد هم آمدند و استاندارد PCI Express را در سال 2004 معرفی نمودند.

PCI Express یا به اختصار، PCIe مخفف عبارت Peripheral Component Interconnect Express است. معنای این عبارت، اتصال سریع تجهیزات جانبی کامپیوتر می باشد.

در حقیقت، PCIe نسخه جدیدتر PCI است اما تفاوت های چشم گیری با آن دارد. اولین تفاوت فاحش بین PCI و PCIe، نحوه ارسال اطلاعات است. همانطور که قبلا اشاره کردیم، PCI اطلاعات را به صورت موازی منتقل می کند اما ارسال اطلاعات در PCI Express به صورت سری یا سریال است. در این روش، هر دستگاه به صورت جداگانه و با یک یا چند مسیر به Root Complex مرتبط می شود. Root Complex مانند یک رابط، ارتباط پردازنده را با سوئیچ های ارتباطی لوازم جانبی برقرار می کند.

تصویر زیر را ملاحظه کنید. شیوه ارسال اطلاعات و مسیرهای ارتباطی در PCI و PCIe باهم مقایسه شده اند.

همانطور که می بینید، در سمت چپ، در ارتباط موازی که مربوط به PCI می باشد، دستگاه ها در ابتدا توسط چند مسیر به یکدیگر و سپس به باس ارتباطی متصل شده اند. در عین حال، در سمت راست، در ارتباط سریال، هریک از دستگاه ها به صورت جداگانه و توسط سوئیچ، به یکدیگر و به باس ارتباطی اتصال یافته اند. در این تصویر به وضوح مشخص است که در حالت انتقال موازی، به دلیل اشتراکی بودن مسیرهای ارتباطی، سرعت کلی باس محدود به دستگاهی است که کمترین سرعت باس را دارد اما در حالت انتقال سری، هر یک از دستگاه ها جداگانه و از مسیر مخصوص به خود با باس ارتباطی در رابطه است و این موضوع سرعت کلی باس و در نتیجه عملکرد سیستم را بهبود می بخشد.

ذکر این نکته ضروری است که در انتقال به روش سریال، در هر سیکل کلاک، تعداد کمتری بیت نسبت به روش موازی جابجا می شود اما روش سریال با فرکانس های بالا مشکلی ندارد و در حالت کلی، سرعت آن بیشتر است.

PCI Express با تکیه بر مسیرهایی تحت عنوان Lane کار می کند. هر یک از Lane ها دارای یک مسیر برای ارسال و یک مسیر برای دریافت داده می باشند و هر مسیر، خود شامل دو سیم است. خطوط ارتباطی Lane به صورت تک بیتی و همزمان به ارسال و دریافت داده می پردازند. بدیهی است هرچه تعداد این خطوط بیشتر باشد، داده ی بیشتری در رفت و برگشت بوده و پهنای باند افزایش می باید. تعداد خطوط ارتباطی را به صورت ضریبی در کنار حرف انگلیسی x نشان می دهند. در حال حاضر، تعداد این خطوط به صورت 1x، 4x، 8x و 16x می باشد. برای مثال، سرعت انتقال داده در 16x بیشتر از 8x می باشد.

در تصویر زیر، ابعاد اسلات های PCIe نمایش داده شده است.

 

PCI Express در چهار نسخه عرضه می شود. نسخه 1.0، 2.0، 3.0 و4.0. هر یک از این نسخه ها برای مشخص کردن مبدا و مقصد اطلاعات، از روشی برای رمزگذاری استفاده می کنند. نسخه های 1.0 و 2.0 از روش رمزگذاری 8b/10b استفاده می کنند. در این روش، به ازای هر 8 بیت داده، 2 بیت به آن اضافه می شود. یکی به عنوان معرف مبدا و دیگری به عنوان معرف مقصد. بنابراین در مجموع 10 بیت داده منتقل می شود. اما در نسخه های 3.0 و 4.0، شیوه رمزگذاری به صورت 128b/130b است. یعنی به ازای 128 بیت، 2 بیت به آن اضافه می شود و در مجموع 130 بیت منتقل می شود. واضح است که سرعت نسخه های 3.0 و 4.0 به مراتب بیشتر از نسخه های قبلی است زیرا بیت های اضافه شده پهنای باند کمتری اشغال می کنند.

در جدول زیر، مشخصات نسخه های مختلف PCI Express برای یک مسیر یعنی 1x نشان داده شده است.

 

اگر بخواهیم این اعداد را برای چند مسیر محاسبه کنیم ( مثلا برای تجهیزاتی که بر روی اسلات 16x نصب می شوند )، پهنای باند تغییر کرده و به همان نسبت افزایش می یابد. ( در این مثال 16 برابر می شود. )

همانطور که گفتیم، اسلات ها محل اتصال تجهیزات جانبی به کامپیوتر هستند. آن دسته از تجهیزاتی که برای اسلات های PCIe ساخته شده اند، از یک ارتباط منطقی استفاده می کنند که اصطلاحا به آن Interconnect یا اتصال بینابین گفته می شود. همچنین PCIe از یک معماری نقطه به نقطه بهره می برد. به این معنا که تمامی دستگاه های موجود می توانند با یکدیگر به صورت یک به یک ارتباط برقرار کنند. ( پیش تر به این موضوع اشاره کردیم)

هر اتصال بینابین به کمک یک یا چند Lane ( که به آن مسیر می گویند ) امکان پذیر می شود. با هر یک از این مسیرها و در هر سیکل کلاک، 1 بیت داده را می توان در یک جهت منتقل کرد. بدیهی است هرچه تعداد این مسیرها بیشتر باشد، بیت های بیشتری منتقل شده و سرعت ارتباط افزایش می یابد. تصویر زیر به خوبی این موضوع را به نمایش می گذارد.

در این مقاله، سعی داشتیم مفاهیم PCI و PCIe را توضیح دهیم و تفاوت های میان آن ها را بیان کنیم. امیدواریم توانسته باشیم اطلاعات مفیدی را ارائه کرده باشیم.