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PCI-Express - was ist das?

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PCI-Express LogoPeripheral Component Interconnect - Express oder einfach PCI-Express, PCI-E oder PCIe genannt, ist ein interner Anschlussport im PC für Steckkarten. PCIe zählt heute (2011) zum aktuellsten Anschlussport für Erweiterungskarten. Entwickelt wird PCI-Express von der "PCI-Special Interest Group (PCI-SIG)". Die Erste Version erschien im Jahr 2004.

 

PCI-Express die Entwicklung:

Für die ersten internen Steckkarten im PC (Grafikkarte, Soundkarte u.s.w.) benutzte man den ISA-Bus, der zuerst als 8-Bit, später als 16-Bit Variante gebaut wurde. Schnell wurde der ISA-Bus bei der Datenübertragung zu langsam und es wurde, mit kleineren Zwischenlösungen der PCI-Bus eingeführt. Dieser arbeitete bereits mit einer Breite von 32-Bit. Für die meisten Steckkarten ist der PCI-Bus bis heute noch schnell genug. Man findet diesen Bus daher auch heute noch in aktuellen Computern.
Allerdings reichte die Geschwindigkeit des PCI-Busses für Grafikkarten bald nicht mehr. Die Entwicklung ging stetig weiter und die 3-D Grafiken wurden immer realistischer. Es musste ein schnellerer Anschluss her. Da der PCI-Bus aber für alle anderen Anwendungen schnell genug war, entschloss man sich lediglich einen speziellen Port nur für Grafikkarten zu entwickeln. Das wurde 1997 dann mit dem AGP-Port (Accelerated Graphics Port) umgesetzt. Somit hatte man parallel zum PCI-Bus eine vernünftige Lösung für Grafikkarten gefunden. Der AGP Anschluss ist ein reiner Grafikkartenanschluss, arbeitet auch mit 32-Bit und wird direkt vom Hauptplatinen-Chipsatz angesteuert. Er hat somit eine schnelle Datenverbindung zum Speicher und zum Prozessor.

 

Die Entwicklung geht aber mit großen Schritten weiter, die PCs werden immer schneller und das interne Bus-System stößt heute schon an seine Grenzen, und dieses mal nicht nur für Grafikkarten. Videobearbeitung, Digital-TV Aufzeichnung und realistische 3-D Spiele all das benötigt eine schnelle Computeranbindung. Daher musste man dieses Mal das gesamte Bus-System überarbeiten und hat so den PCI-Express Anschluss entwickelt. Dieser arbeitet so schnell, dass damit sowohl der PCI-Bus als auch AGP abgelöst werden können. PCI-Express verwendet im Gegensatz zu PCI / AGP nun die serielle Datenübertragung, ist also eigentlich kein Bus-System mehr. Jeder PCI-Express Anschluss muss über Swatches (elektrische Schalter) wie bei der Netzwerktechnik "einzeln" (Punkt-zu Punkt) mit der Hauptplatine verbunden werden.

 

Obwohl sich der technische Aufbau des PCI-Express Anschlusses komplett vom eigentlichen PCI-Bus unterscheidet sind diese technisch kompatibel zueinander. Das hat den Vorteil, dass keine neuen Treiber für PCIe erforderlich sind. Das Betriebssystem erkennt eine Steckkarte genau so im PCIe Anschluss wie auch im PCI-Bus. Natürlich können aber keine PCI-Steckkarten in einen PCIe Steckplatz (oder umgekehrt) gesteckt werden!

 

Stirbt nun der PCI-Bus?

 

In einiger Zeit sicher. Allerdings ist der PCI-Bus auch heute noch für viele Steckkarten im PC schnell genug. Daher werden die Hersteller auch zukünftig noch PCI-Bus Steckplätze auf den Hauptplatinen anbieten. Allerdings ist der gleiche Weg wie beim ISA-Bus abzusehen.
Anfangs boten die Hersteller nur Hauptplatinen mit einem oder zwei PCIe Anschlüssen hauptsächlich nur für Grafikkarten an. Diese wurden schließlich zuerst auf PCIe umgestellt. Inzwischen findet man meistens schon mindestens 3 bis 4 PCIe Anschlüsse auf den aktuellen Hauptplatinen. Dafür nehmen die PCI-Bus Anschlüsse ab. Demnächst findet man wahrscheinlich nur noch 1-2 PCI-Bus Anschlüsse bis diese dann irgendwann ganz verschwunden sind, oder nur noch vereinzelt auf speziellen Hauptplatinen angeboten werden. So können auch die Hersteller von Zusatzkarten ihre Produktion nach und nach auf PCIe umstellen.

 

Wie funktioniert PCI-Express?

 

PCIe arbeitet im so genannten "vollduplex" Verfahren. Das heißt, es können gleichzeitig Daten gesendet und empfangen werden. Der Datenaustausch erfolgt somit über zwei getrennte Adernpaare (1 paar zum Datensenden und 1 paar zum Datenempfangen). Eine solche Kombination aus 2 Adernpaaren, also 4 Adern nennt sich "Lane". Darüber kann eine PCI-Express Karte somit gleichzeitig Daten senden und empfangen. Einen PCIe Anschluss mit einer Lane bezeichnet man dann auch mit "PCIe x1".
PCI-Express ist so flexibel, dass sich viele Aderpaare (Lanes) kombinieren lassen um so die gewünschte Geschwindigkeit bereitzustellen. Für Grafikkarten sind derzeit bereits 16 Aderpaare (Lanes) vorgesehen (PCIe x16). Maximal lassen sich 32 Adernpaare (Lanes) kombinieren. PCIe x32 wird heute aber im Standard PC-Bereich noch nicht eingesetzt, da eine so hohe Übertragungsgeschwindigkeit noch von keiner Erweiterungskarte benötigt wird.

 

Auch unterstützt PCIe "Hot-Plug", also das einstecken und entfernen von Steckkarten im laufenden Betrieb. Allerdings muss dass dann von der Steckkarte und vom Betriebssystem unterstützt werden. Im "normalen" PC Alltag ist eine solche Unterstützung sicher nicht erforderlich. Allerdings für den Servereinsatz, ist diese Funktion ein Segen. Geht einmal eine Steckkarte kaputt muss für den Austausch nicht der ganze Server stillgelegt und heruntergefahren werden.

Wie sieht die Entwicklung von PCI-Express aus?

Wie bei fast alle aktuellen Technologien wird auch PCI-express stetig weiter entwickelt und an aktuelle Bedürfnisse und technische Fortschritte angepasst. So hat man die Geschwindigkeit des PCIe Anschlusses stetig erweitert. Heute (2011) ist man bereits bei  der Spezifikation 3.0 angekommen. Folgende Spezifikationen mit den dazugehörigen Geschwindigkeiten gibt es bisher:

  Maximale Geschwindigkeit PCIe V 1.0/1.1 (seit 2004) Maximale Geschwindigkeit PCIe V 2.0 (seit 2008)
Maximale Geschwindigkeit PCIe V 3.0 (seit 2011)
PCIe 1x
250 MByte/s 500 MByte/s 1.000 MByte/s
PCIe 2x 500 MByte/s 1.000 MByte/s 2.000 MByte/s
PCIe 4x 1.000 MByte/s 2.000 MByte/s 4.000 MByte/s
PCIe 8x 2.000 MByte/s 4.000 MByte/s 8.000 MByte/s
PCIe 16x 4.000 MByte/s 8.000 MByte/s 16.000 MByte/s
PCIe 32x 8.000 MByte/s 16.000 MByte/s 32.000 MByte/s

In der Ersten Version wurden die Lanes bereits mit 2,5 GHz getaktet. Dadurch kann eine theoretische Geschwindigkeit von ca. 250 MByte/s je Lane erreicht werden. Technisch liegt diese Geschwindigkeit leicht darunter. Zum Vergleich, der PCI-Bus kommt gerade mal komplett auf etwa 133 MByte/s!
Auch der Vergleich zwischen PCIe 16x (Version 1.0) und dem AGP-Port (AGP 8x) kann sich schon sehen lassen. PCIe 16x kommt auf eine Übertragungsgeschwindigkeit von theoretischen 16 x 250 MByte/s = 4.000 MByte/s. Der schnellste AGP-Port (AGP 8x) kommt auf eine maximale Geschwindigkeit von 2.133 MByte/s! PCIe 16x (Version 1.0) ist so schon fast doppelt so schnell.

Heute wird bereits die Version 2.0 verwendet, die schon doppelt so schnell wie die Version 1.0 arbeitet. Der PCIe 2.0 Anschluss wird mit 5 GHz getaktet.
Die Spezifikation 3.0 wurde erst Ende 2010 verabschiedet. Bis es eine genügend große Anzahl verfügbarer Hardware dafür gibt, wird es sicher noch bis Anfang 2012 dauern. Diese Version ist dann sogar viermal so schnell wie PCIe in der Ersten Version und wird mit 8 GHz getaktet.

Wie viele Anschlüsse hat ein PCEe Steckplatz?

PCI-express Steckplätze bestehen aus zwei Teilen. Im linken Teil befinden sich bei allen PCIe Anschlüssen immer 22 Kontakte für die Stromversorgung und die Steuerleitungen. Dieser Teil ist somit bei allen Steckplätzen gleich. Rechts daneben befinden sich die Anschlüsse für die Datenleitungen. Diese sind natürlich je nach PCIe Geschwindigkeit unterschiedlich lang. PCIe 1x hat z.B. im rechten Bereich 14 Kontakte, PCIe 16x 142 Kontakte. Hier eine Übersicht der wichtigsten PCIe Anschlüsse:

Lanes
Kontakte rechts
Kontakte gesamt
PCIe x1 14 36
PCIe x4 42 64
PCIe x8 76 98
PCIe x16 142 164
 

Wieso gibt es überhaupt verschiedene PCIe Anschlüsse?

 

Auf den Hauptplatinen findet man heute meist kurze (PCIe x1) und lange (PCIe x16) Anschlüsse. Das hat mit der Verwendung der Steckkarten zu tuen. Als Ersatz für den PCI-Bus verwendet man Anschlüsse mit nur einer Lane, das sind die kurzen Steckkontakte, oder auch PCIe x1 Anschlüsse. Grafikkarten verwenden Anschlüsse mit 16 Lanes, also die langen PCI-Express Steckkontakte, oder auch PCIe x16 Anschlüsse. Ob und wann es auch Anschlüsse mit 2 oder mehr Lanes geben wird bleibt abzuwarten.

Zwei PCIe x16 und zwei PCIe x1 Anschlüsse
Die PCIe x16 Anschlüsse arbeiten hier auf dem Mainbaoard bei zwei eingesteckten Grafikkarten "nur" noch mit PCIe x8 Tempo (siehe Aufdruck)

Was ist ein PEG Anschluss?

PCIe x16 (PEG) AnschlussIm Zusammenhang mit PCI-Express fällt auch häufig der Ausdruck "PEG-Anschluss". PEG steht für "PCI-Express for Graphics" und ist ein anderer Ausdruck für den PCIe x16 Anschluss für Grafikkarten. Steht auf einer Grafikkarte also "PEG-Port" oder "PEG-Anschluss" erforderlich muss die Hauptplatine für diese Grafikkarte einen PCIe x16 Anschluss besitzen.

 

Was ist mit PCI-Express möglich?

 

Gegenüber den älteren Anschlüssen (ISA, PCI, AGP) wird PCI-Express noch weiterentwickelt und bietet noch viel Potential. Es ist also in ein paar Jahren nicht wieder ein neuer Anschluss erforderlich. Ein PCEe Anschluss kann bis zu 32 Lanes unterstützen, also doppelt so viele wie derzeit für Grafikkarten verwendet werden. Damit ist dann schon eine theoretische Datenübertragungsrate von 32 x 1.000 MByte/s = 32.000 MByte/s (bei PCIe in der Version 3.0) möglich! PCIe x32 wird derzeit nur im Server- und Workstationbereich eingesetzt. Hier findet man auch schon PCIe x4 und x8 Anschlüsse.

 

Warum sind manchmal zwei PCIe x16 Steckplätze vorhanden?

 

Auf manchen Hauptplatinen (Mainboards) findet man gleich zwei PCIe x16 Steckplätze. Wie oben beschrieben sind PXIe x16 Steckplätze für Grafikkarten bestimmt. Eine solche Hauptplatine kann somit zwei Grafikkarten aufnehmen und diese als Verbund zusammenschalten um noch mehr Grafikleistung zu nutzen. Allerdings kann dafür nicht jede beliebige Grafikkarte verwendet werden. Zum einen gibt der Chipsatz der Hauptplatine den Hersteller der zwei Grafikkarten vor und zum anderen müssen spezielle, möglichst gleiche Grafikkarten verwendet werden, die diesen Verbund auch unterstützen.
Die Grafikkartenfirma ATI (AMD) verwendet dafür die so genannte "CrossFire" Technik. Bei nVidia nennt sich diese Technik "SLI". Ein Mischen der beiden Techniken ist nicht möglich.
Wird nur eine Grafikkarte verwendet, ist der Hersteller egal.

SLI-BridgeBei bestimmten Hauptplatinen und Grafikkarten kann es allerdings sein, dass nach dem Einstecken zweier Grafikkarten diese nicht mehr mit voller Geschwindigkeit laufen! Die Hauptplatine stellt in diesem Fall generell nur 16 Lines für die Grafikkarten zur Verfügung. Stecken zwei Grafikkarten auf der Hauptplatine stehen beiden nur noch 8 Lanes zur Verfügung. Besonders bei "CrossFire" oder auch bei "SLI" ohne "SLI-Bridge" (Elektrische Verbindung "Brücke" zwischen den Grafikkarten) kommt das schon vor. Möchte man das vermeiden, sollte man sich vor dem Kauf der Hauptplatine und der Grafikkarten diesbezüglich genau erkundigen. Oft steht auch schon ein Hinweis wie "PCIe Full Speed" auf der Verpackung, wenn alle 16 Lanes für eine Grafikkarte verwendet werden.

 

Sind alle PCIe Anschlüsse kompatibel zueinander?

 

Soweit es technisch realisierbar ist ja. Das heißt, wenn in einen "großen" PCIe Anschluss mit z.B. 16 Lanes eine Karte mit PCIe x1 gesteckt wird funktioniert diese einwandfrei. Natürlich wird dann auch nur eine Lane verwendet und die anderen liegen brach. Umgekehrt, kann eine Karte die normalerweise 16 Lanes benötigt, technisch nicht in eine PCIe x1 Buchse gesteckt werden, diese würde dort nicht hineinpassen.
Auch die unterschiedlichen Versionen des PCIe Standards sind untereinander kompatibel. Unterstützt eine Hauptplatine schon den PCIe 3.0 Standard, können in den Steckplätzen auch weiterhin PCIe-Steckkarten mit dem älteren V2.0 oder sogar V1.x Standard betrieben werden. Auch umgekehrt ist das möglich. Neue PCIe V3.0 Steckkarten können auf Hauptplatinen mit PCIe V2.0 Steckplätzen benutzt werden. Natürlich bestimmt die langsamste Karte dann das Tempo!

 

Wieso gibt es dann nicht nur PCIe x16 Ports?

 

PCIe nutzt wie eingangs schon gesagt, eine "Punkt-zu-Punkt" Verbindung und keinen Bus. Das heißt, jede verwendete Lane muss einzeln auf einen Steuerchip geführt werden und kann nicht, wie bei einem Bus, durchgeschliffen werden. Würden also z.B. 5 PCIe x16 Ports auf der Hauptplatine sein, entspricht das schon 80 Lanes, ohne die Anbindung interner Hardware! Außerdem verwenden die meisten Zusatzkarten für PCIe sowieso nur eine Lane, da dieses Tempo vollkommen ausreichend ist.
Aktuelle Hauptplatinen Chipsätze bieten oft schon 48 Lanes an. Diese muss der Konstrukteur der Hauptplatine sinnvoll auf die PCIe Ports und auf die interne Hardware wie z.B. die Netzwerkchips aufteilen.

 

Was ist ein "Mobile PCI-Express Module"?

 

Ein "Mobile PCI-Express Module", abgekürzt "MXM" ist ein Grafikkartenmodul für Laptops mit PCIe Port. Ein großes Manko von Laptops ist die fest eingebaute und oft schlechte Grafikkarte. Der Grafikkartenhersteller nVidia hat nach einer Lösung für dieses Problem gesucht und auswechselbare Grafikkarten für Laptops entwickelt, die so genannten "Mobile PCI-Express Module". Diese Module gibt es in verschiedenen Baugrößen und Wärmeentwicklungsklassen. Um ein solches MXM nutzen zu können, muss der Laptop einen entsprechenden PCIe Anschluss zur Verfügung stellen.

 

Fazit:

 

Da Grafikkarten im PC die Karten sind, bei denen es auf eine besonders hohe Datenübertragungsrate ankommt, wurde auch dort zuerst auf PCI-Express umgestellt. Inzwischen findet man auch schon einige PCIe x1 Ports auf den Hauptplatinen. Die Hersteller von Zusatzkarten bieten neue Steckkarten fast nur noch in der PCIe Ausführung an.
Grafikkarten mit AGP Anschluss nehmen in der Verbreitung drastisch ab. Auch neue Hauptplatinen mit AGP Port muss man schon suchen.
In einiger Zeit findet man sicher nur noch 1-2 PCI Anschlüsse auf den Hauptplatinen, für Karten, "die noch irgendwo Rumliegen". Etwas später wird dieser Anschluss wahrscheinlich ganz verschwinden.

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Zuletzt aktualisiert am Samstag, 12. Oktober 2013 20:13

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Letzte Aktualisierung: 24.12.2013

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