In diesem Dokument wird auf den Erfolg des weit verbreiteten PCI-Busses eingegangen und eine neue Generation von I/O-Verbindungstechnologie mit höherer Leistung beschrieben, die als standardmäßiger lokaler I/O-Bus zukünftig für eine breite Palette EDV-Plattformen eingesetzt werden wird – PCI Express. Außerdem wird ein technischer Überblick über die Entwicklung von PC-Bussen, die physikalischen und die Softwareschichten von PCI Express sowie über die Vorteile von PCI Express geliefert. Des Weiteren werden die Auswirkungen angesprochen, die diese neue Technologie auf Mess- und Automatisierungssysteme haben wird.
Inhaltsverzeichnis:
Geschichte des PCs
PCI-Bus: Geschichte und Überblick
PCI vor neuen Herausforderungen
PCI-Express-Architektur
Gegenwart und Zukunft der PC-Architektur
Das PCI-Express-Paket
Vorteile von PCI Express
Glossar
Geschichte des PCs
Als der PCI-Bus Anfang der 1990er eingeführt wurde, stellte dies einen Schritt zur Vereinheitlichung der Unmenge an zu der Zeit für PCs erhältlichen I/O-Bussen, wie beispielsweise VESA Local Bus, EISA, ISA und Micro Channel, dar. Der PCI-Bus wurde zuerst als Chip-zu-Chip-Verbindung und als Ersatz für den fragmentierten ISA-Bus eingesetzt. Während dieser Anfangsjahre stellte der PCI-Bus mit einer Taktfrequenz von 33 MHz eine gute Wahl für den I/O-Bandbreitenbedarf der etablierten, damals erhältlichen Peripheriegeräte dar. Heute ist dies jedoch ganz anders. Prozessor- und Speicherfrequenzen haben sich deutlich erhöht, während die Taktrate des PCI-Busses aufgrund der Kompatibilität zu bestehenden Peripheriegeräten nur in gewissen Grenzen gesteigert werden konnte. Während die Prozessorgeschwindigkeit von 33 MHz auf 3 GHz erhöht wurde, hat sich im selben Zeitraum die Bustaktrate lediglich von 33 auf 66 MHz gesteigert. Die sich daraus ergebende Problematik besteht darin, dass I/O-Technologien wie u. a. Gigabit Ethernet und der Standard IEEE 1394B fast die gesamte verfügbare Bandbreite des PCI-Busses als einzelnes Gerät am Bus monopolisieren können.
PCI-Bus: Geschichte und Überblick
Der PCI-Bus brachte im Vergleich zu früheren Bussystemen eine Reihe an Vorteilen mit sich. Zu den wichtigsten zählten die Unabhängigkeit des Prozessors, gepufferte Isolation, Bus-Mastering und echter Plug&Play-Betrieb. Mittels der gepufferten Isolation wird im Prinzip der lokale Bus an der CPU sowohl elektrisch als auch durch separate Taktbereiche vom PCI-Bus isoliert. Durch diese Eigenschaft ergeben sich zwei Hauptvorteile für die Leistung des Systems. Der erste Vorteil besteht in der Möglichkeit, gleichzeitig Zyklen auf dem PCI-Bus und Prozessorbus auszuführen und der zweite Vorteil darin, die Frequenz des lokalen Busses am Prozessor zu erhöhen. Letzteres ist von der Geschwindigkeit und Belastung des PCI-Busses unabhängig. Mithilfe des Bus-Mastering können PCI-Geräte durch einen Zuteilungsprozess Zugriff auf den PCI-Bus erhalten und die Bustransaktion direkt kontrollieren. Die Host-CPU muss das Gerät nicht mehr ansprechen, was eine Verringerung der gesamten Latenzzeit bei der Durchführung von I/O-Transaktionen zur Folge hat. Durch den Plug&Play-Betrieb, anhand dessen Geräte automatisch erkannt und konfiguriert werden können, wurde das manuelle Einstellen von Schaltungen und Jumpern (Steckbrücken) für die Basisadresse und die verwendeten Interrupts beseitigt, das bei ISA-basierten Karten notwendig war.
PCI vor neuen Herausforderungen
Obwohl dem PCI-Bussystem großer Erfolg beschert war, sieht sich dieses Übertragungsverfahren nun einer Reihe von Herausforderungen gegenüber, so u. a. Bandbreitenbegrenzungen, einer begrenzten Pin-Anzahl beim Host, Mangel an Echtzeitdatenübertragungsdiensten wie beispielsweise isochrone Datentransfers sowie fehlenden Funktionen für I/O-Anforderungen zukünftiger Anwendungen, wie Dienstgüte (Quality of Service), Power-Management und I/O-Virtualisierung.
Seit der Einführung von PCI gab es etliche Überarbeitungen der PCI-Spezifikation, damit sichergestellt wurde, dass mit den ständig wachsenden I/O-Ansprüchen Schritt gehalten werden konnte. Diese werden in Tabelle 1 zusammengefasst:
| PCI-Busbreite (bit) | Bustaktfrequenz (MHz) | Bandbreite (MB/s) | Einsatzmöglichkeit |
| 32 | 33 | 132 | Desktop/tragbar |
| 32 | 66 | 264 | Server |
| 64 | 33 | 264 | Server |
| 64 | 66 | 512 | Server |
Tabelle 1: PCI-Bandbreite und Einsatzmöglichkeiten auf dem Markt
Die nutzbare Bandbreite des PCI-Busses und seiner Abwandlungen ist geringer als die theoretische Bandbreite, was im Protokoll-Overhead und in der Bustopologie begründet liegt. Die wesentliche Beschränkung des PCI-Busses besteht darin, dass die verfügbare Bandbreite mit allen Geräten am Bus geteilt werden muss.
Als PCI-Taktfrequenzen für bestimmte Anwendungen nicht mehr ausreichten, wurde mit PCI-Abwandlungen wie PCI-X und AGP (Advanced bzw. Accelerated Graphics Port) versucht, die Bandbreite durch Erhöhung der Busfrequenzen zu entlasten. Ein Nebeneffekt der Erhöhung der Frequenzen ist die entsprechende Verringerung der Entfernung, über die der Bus geroutet werden kann, und die Anzahl an Steckverbindungen, die Bus-Sender und -Empfänger ansteuern können. Dies führte zum Prinzip der Aufteilung des PCI-Busses in mehrere Segmente. Für jeden Busabschnitt ist dabei ein Controller notwendig, der gesteigerten Anforderungen aufgrund der höheren Geschwindigkeit genügen muss. Darüber hinaus ist auch der konstruktive Aufbau des Busses deutlich komplexer und so ergeben sich für diese Busarchitektur zusätzliche Kosten, die nur dort gerechtfertigt sind, wo die Bandbreite von entscheidender Bedeutung ist. Das ist beispielsweise bei Servern der Fall.
Applikationen wie Datenerfassung, Signalerzeugung und Multimediaanwendungen, bei denen eine Übertragung von Audio- und Videodateien in Echtzeit erforderlich ist, benötigen garantierte Bandbreiten und eine deterministische Latenzzeit. Sind diese nicht vorhanden, treten Störimpulse auf. Die ursprüngliche PCI-Spezifikation befasste sich nicht mit diesen Aspekten, weil solch anspruchsvolle Anwendungen zu der Zeit, als die Spezifikation entwickelt wurde, nicht mit PC-Technologie realisiert wurden. Die hohen Datenübertragungen heutiger Technologien, wie z. B. bei hochauflösenden, dekomprimierten Video- und Audiosignalen, verdeutlichen die Notwendigkeit, bei I/O-Systemen isochrone Datentransfers einzuschließen. Ein Nebeneffekt der isochronen Datentransfers besteht darin, dass die lokalen PCI-Express-Geräte für Puffer-Zwecke erheblich weniger Speicher benötigen als gewöhnliche PCI-Geräte zur Minimierung variabler Bandbreiten nutzen.
Zudem werden I/O-Anforderungen der nächsten Generation wie Quality-of-Service-Messungen und Power Management die Datenintegrität verbessern und einen selektiven Abschaltvorgang von Systemgeräten ermöglichen – was unbedingt zu berücksichtigen ist, da der Stromverbrauch moderner PCs weiterhin wächst. Virtuelle Kanäle ermöglichen ein Routen von Daten über virtuelle Leitwege. Datenübertragungen finden also auch dann statt, wenn andere Kanäle von noch ausstehenden Transaktionen blockiert sind.
Obgleich der PCI-Bus in manchen Bereichen gewisse Alterserscheinungen aufweist, wird der Übergang zu PCI-Express einige Zeit in Anspruch nehmen und der PCI-Bus noch viele Jahre lang eine wichtige Stellung bei I/O-Erweiterungen einnehmen. Moderne PCs, die 2004 und später auf dem Markt eingeführt wurden bzw. werden, bieten eine Kombination aus PCI- und PCI-Express-Steckplätzen. Mit zunehmender Verwendung der PCI-Express-Technologie wird die Anzahl entsprechender Steckplätze bald überwiegen.
PCI-Express-Architektur
Die PCI-Express-Architektur ist in Schichten spezifiziert (siehe Abb. 1). Die Kompatibilität mit dem PCI-Adressierungsmodell (eine Load-Store-Architektur mit flachem Adressraum) wird beibehalten, um sicherzustellen, dass alle vorhandenen Applikationen und Treiber unverändert arbeiten können. Die PCI-Express-Konfiguration verwendet Standardmechanismen, die in der PCI-Plug&Play-Spezifikation definiert sind. Die Softwareschichten generieren Schreib-/Leseanfragen, die von der Transaktionsschicht zu den I/O-Geräten transportiert werden, wozu ein paketbasiertes Split-Transaction-Protokoll genutzt wird. Die Verbindungsschicht ergänzt diese Pakete um Sequenznummern und das zyklische Redundanzprüfverfahren (Cyclic Redundancy Check), so dass ein äußerst zuverlässiger Datenübertragungsmechanismus geschaffen wird. Die zugrunde liegende physikalische Schicht (Bitübertragungsschicht) besteht aus einem Dual-Simplex-Kanal, der jeweils als Sende- und Empfangspaar implementiert wird. Mittels der Anfangsgeschwindigkeit von 2,5 Gbit/s in jede Richtung wird ein Kommunikationskanal mit 200 MB/s in jede Richtung bereitgestellt, was fast der vierfachen Geschwindigkeit der klassischen PCI-Datenrate entspricht.
Abb. 1: Schichtenarchitektur des PCI-Express
Physikalische Schicht
Die grundlegende PCI-Express-Verbindung besteht aus zwei wechselspannungsgekoppelten differentiellen Niederspannungs-Signalpaaren (ein Sende- und ein Empfangspaar), was in Abb. 2 gezeigt wird. Das physikalische Verbindungssignal benutzt ein Entzerrungsverfahren, um die Intersymbolinterferenz zu reduzieren und somit die Datenintegrität zu verbessern. Um sehr hohe Datenraten zu erreichen wird ein integrierter Datentakt verwendet, der das 8B/10B-Kodierverfahren nutzt. Die ursprüngliche Signalfrequenz liegt je Richtung bei 2,5 Gbit/s (Signalübertragung der ersten Generation). Hierbei wird eine Erhöhung in Übereinstimmung mit Fortschritten bei der Silizium-Technologie auf bis zu 10 Gbit/s je Richtung (das praktisch mögliche Maximum für Signale bei Verwendung von Kupfer) erwartet. Die physikalische Schicht transportiert Pakete zwischen den Verbindungsschichten zweier PCI-Express-Geräte.
Abb. 2: Darstellung der physikalischen Verbindung bei PCI Express
Die Bandbreite einer PCI-Express-Verbindung lässt sich linear skalieren, indem Signalpaare hinzugefügt werden und so mehrere Lanes (Sende- und Empfangskanäle) gebildet werden. Die physikalische Schicht bietet Bandbreiten von x1, x2, x4, x8, x12, x16 und x32 und teilt die Byte-Daten auf. Jedes Byte wird mit einer 8B/10B-Kodierung über eine oder mehrere Lanes übertragen. Dieses Zerlegen und Zusammenfügen von Daten ist für andere Schichten transparent. Während der Initialisierungsphase wird jede PCI-Express-Verbindung nach Zuweisung der Lane-Breiten und der Übertragungsfrequenz durch die zwei Geräte an jedem Ende der Verbindung aufgebaut. Dies geschieht unabhängig von jeglicher Firmware oder Betriebssystemsoftware. Die PCI-Express-Architektur ermöglicht zukünftige Leistungssteigerungen über Geschwindigkeitsupgrades und erweiterte Kodiertechniken. Die zukünftigen Geschwindigkeiten, Kodiertechniken und Medien werden sich nur auf die physikalische Schicht auswirken.
Sicherungsschicht
Die Hauptaufgabe einer Sicherungsschicht (Verbindungsschicht) besteht darin, ein zuverlässiges Zustellen der Pakete über die PCI-Express-Verbindung zu gewährleisten. Die Sicherungsschicht ist für die Datenintegrität verantwortlich und ergänzt das Paket der Transaktionsschicht um eine Sequenznummer sowie um eine zyklische Redundanzprüfung, wie in Abb. 3 gezeigt. Die meisten Pakete werden auf der Transaktionsschicht initiiert. Ein so genanntes credit-based Protokoll zur Flusskontrolle sorgt dafür, dass Pakete nur dann übertragen werden, wenn bekannt ist, dass ein Puffer zur Verfügung steht, der dieses Paket am anderen Ende empfängt. Dadurch wird eine wiederholte Versendung von Paketen ausgeschlossen und keine zusätzliche Busbandbreite aufgrund eingeschränkter Ressourcen vergeudet. Die Sicherungsschicht wird ein Paket, bei dem ein Fehler gemeldet wurde, automatisch erneut senden.
Abb. 3: Die Sicherungsschicht fügt Funktionen zur Datenintegrität hinzu
Transaktionsschicht
Die Transaktionsschicht erhält Schreib-/Leseanfragen von der Softwareschicht und erstellt Anfragepakete zur Übertragung an die Sicherungsschicht. Alle Anfragen werden jeweils als Split Transaction (aufgeteilte Transaktion) ausgeführt. Manche Anfragepakete erfordern ein Antwortpaket. Die Transaktionsschicht erhält zudem Antwortpakete von der Sicherungsschicht und ordnet sie den ursprünglichen Softwareanfragen zu. Jedes Paket besitzt einen eindeutigen Bezeichner, anhand dessen Antwortpakete an den richtigen Absender gerichtet werden können. Das Paketformat bietet eine 32-bit-Speicheradressierung sowie eine erweiterte 64-bit-Speicheradressierung. Die Pakete weisen zudem solche Attribute auf wie "no-snoop", "relaxed ordering" und "Priorität", die eingesetzt werden können, um diese Pakete auf optimale Art und Weise durch das I/O-Subsystem zu leiten.
Die Transaktionsschicht stellt vier Adressräume zur Verfügung: drei PCI-Adressräume (Speicher, I/O und Konfiguration) und einen Message-Adressraum. Bei PCI 2.2 wurde eine Ersatzmethode zur Übermittlung von Systeminterrupts eingeführt, die Message-Signaled-Interrupt-Verfahren (MSI) genannt wird. Hierbei wurde anstelle eines verbindungsorientierten Seitenband-Signals ein spezielles Format basierend auf Speicherübertragung als zusätzliche Funktion im PCI-2.2-System eingesetzt. Die PCI-Express-Spezifikation verwendet das MSI-Verfahren als primäre Methode zur Interruptverarbeitung und nutzt den Message-Adressraum, um alle vorrangigen Seitenband-Signale wie beispielsweise Interrupts (Unterbrechungen), Power-Management-Abfragen und Resets als In-Band-Messages (bandinterne Nachrichten) zu übernehmen. Weitere „Spezialzyklen“ in der PCI-2.2-Spezifikation, wie etwa die Interruptquittierung, werden auch als In-Band-Messages implementiert. Man kann sich PCI Express Messages als „virtuelle Kabel" vorstellen, da sie die große Zahl an Seitenband-Signalen, die derzeit bei einer Plattformimplementierung eingesetzt werden, überflüssig machen.
Softwareschicht
Die Softwarekompatibilität ist für PCI Express von äußerster Wichtigkeit. Dabei sind zwei Aspekte der Softwarekompatibilität von Bedeutung: die Initialisierung (bzw. Enumeration) und die Laufzeit. PCI besitzt ein robustes Initialisierungsmodell, bei dem das Betriebssystem die gesamte angeschlossene I/O-Hardware erkennen und dann Systemressourcen wie beispielsweise Speicher, I/O-Adressraum und Interrupts zuweisen kann, um so eine optimale Systemumgebung zu schaffen. Der PCI-Konfigurationsraum sowie die Programmierbarkeit von I/O-Geräten sind wichtige Konzepte, die auch bei der PCI-Express-Architektur unverändert bleiben. Alle Betriebssysteme werden ohne jegliche Änderung auf einem auf PCI-Express-basierten Gerät booten können. Beim Laufzeit-Softwaremodell von PCI handelt es sich um ein Load-Store-Modell mit gemeinsamer Speicherverwendung, das innerhalb der PCI-Express-Architektur aufrechterhalten wird, um somit eine unveränderte Ausführung der gesamten vorhandenen Software zu ermöglichen. Neue Software kann ebenfalls einige der erweiterten Eigenschaften von PCI Express nutzen (z. B. Advanced Switching), auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll.
Gegenwart und Zukunft der PC-Architektur
PC-Architektur 2002 mit PCI
2002 bestand die PC-Architektur aus einer Reihe voneinander abweichender Anforderungen für jede der Verbindungen. So wurden Grafikkarten zum Beispiel über AGP (Advanced/Accelerated Graphics Port) angeschlossen und die Memory Bridge wurde mittels einer Reihe von Schnittstellen, wie beispielsweise Hublink, mit der I/O-Brücke verbunden (siehe Abb. 4).
Abb. 4: PC-Architektur 2002 mit PCI
PC-Architektur mit PCI Express
Wie aus Abb. 5 hervorgeht, vereinheitlicht PCI Express das I/O-System durch Nutzung einer gemeinsamen Busarchitektur. Zudem ersetzt PCI Express auch einige der internen Busse, mit denen Subsysteme verbunden werden.
Abb. 5: PC-Architektur mit PCI-Express-Implementierung
Das PCI-Express-Paket
PCI Express wird, je nach Plattform (Notebook-Computer, Desktop-Rechner oder Server), in verschiedenen I/O-Erweiterungsformaten erhältlich sein. Server, die große Bandbreiten benötigen, um I/O-Anforderungen zu bedienen, werden über mehr PCI-Express-Steckplätze verfügen, die wiederum eine höhere Anzahl an PCI-Express-Lanes bieten werden. Dagegen kann ein Notebook-Computer die PCI-Express-Architektur intern verwenden, aber nur eine einzige x1-Lane für Peripheriegeräte mit mittlerer Geschwindigkeit extern freilegen.
PCI-Express-Erweiterungssteckplätze im Desktop-Rechner
Der Ersatz für die PCI-Karte für Desktop-Rechner und Workstations wird einen sehr ähnlichen mechanischen Aufbau haben wie die PCI-Karten von heute. Ein Randstecker sowie ein Haltebügel mit I/O-Steckverbinder, die durch den Bügel ragen und an der Hauptplatine befestigt sind, bilden dabei die Grundlage. Der Stecker auf der Hauptplatine weist einen verbesserten Halt auf, wodurch gewährleistet wird, dass sich die Karte bei Erschütterungen oder während des Versands nicht vom Stecker löst. Der Randstecker ist, je nach Breite der PCI-Express-Lane, in unterschiedlichen Größen erhältlich: von x1 bis x16. Der x16-Steckplatz soll den AGP-Steckplatz auf Hauptplatinen ersetzen und somit Grafikkarten erweitern. Abbildung 6 zeigt eine Hauptplatine mit drei PCI-Steckplätzen: zwei x1-Steckplätze und ein x16-Steckplatz für die Grafikkarte. Die hier abgebildete Hauptplatine hat immer noch einige klassische PCI-Steckplätze. Diese werden wahrscheinlich noch lange auf Platinen vorhanden sein. Abbildung 7 zeigt eine Standard-Grafikkarte mit einer x16-Verbindung. Sie bietet die Möglichkeit, Daten mit 3,2 GB/s zu übertragen. Abbildung 9 zeigt technische Zeichnungen verschiedener PCI-Express-Steckverbinder.
Abb. 6: PCI-Express-Erweiterungssteckplätze auf einer Hauptplatine
Abb. 7: Eine Grafikkarte mit x16-Schnittstelle
x8
x4
x1
Abb. 8: Technische Zeichnungen verschiedener PCI-Express-Stecker
ExpressCard
Der ExpressCard-Standard gibt Anwendern eine sehr einfache Möglichkeit an die Hand, ihre Systeme um Hardware oder Datenträger zu erweitern. Der Primärmarkt für die ExpressCard-Module sind Notebook-Computer und kleine PCs, die nur eine begrenzte Erweiterung benötigen. Das ExpressCard-Modul kann ohne Einsatz besonderer Werkzeuge zu fast jedem beliebigen Zeitpunkt eingesteckt oder entfernt werden (im Gegensatz zu herkömmlichen Erweiterungskarten für Desktop-Computer). Die ExpressCard-Technologie macht es Nutzern von Desktop- und tragbaren Computern auf gleich bleibende, einfache, zuverlässige und sichere Weise möglich, Geräte in ihre Systeme einzubinden.
Mittels der ExpressCard-Technologie werden die herkömmlichen parallelen Busse für I/O-Geräte durch zwei skalierbare serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen ersetzt – PCI Express und USB 2.0. ExpressCard-Entwickler können mittels PCI Express Module für ihre leistungsfähigsten Anwendungen erstellen oder USB einsetzen, um eine breite Palette an bereits verfügbarer USB-Hardware zu nutzen. Unabhängig von der Bustechnologie, die der Modul-Anbieter wählt, wird das Ergebnis für Endanwender dasselbe sein. Es wird keine externen Hinweise geben, anhand derer der Endanwender erkennen kann, welcher Bus dem Modul zugrunde liegt.
Bei den ExpressCard-Modulen gibt es zwei Standardformate: ExpressCard/34 (34 mm breit) und ExpressCard/54 (54 mm breit). Beide sind fünf Millimeter dick, genauso wie die PC Card Typ II. Die Standardlänge des Moduls beträgt 75 mm. Es ist somit 10,6 mm kürzer als eine standardmäßige PC Card. Die Module ExpressCard/34 und ExpressCard/54 sind für dieselbe Verbindungsschnittstelle konzipiert.
Die zwei Größen der ExpressCard-Module bieten Systemherstellern eine Flexibilität, die ihnen bei früheren Modul-Standards nicht zur Verfügung stand. Während sich die ExpressCard/34 besser für kleinere Systeme eignet, kann das breitere ExpressCard/54-Modul Geräte anbinden, die nicht in das engere ExpressCard/34-Format passen. Abbildung 9 zeigt die zwei Größen der ExpressCard-Module im Vergleich zum PCMCIA-CardBus-Modul. Zu den größeren /54-Modulen gehören SmartCard-Leser, Compact-Flash-Leser und 1,8-Zoll-Festplatten. Das Modul ExpressCard/54 bietet nicht nur zusätzlichen Platz für Komponenten, sondern leitet im Vergleich zum kleineren ExpressCard/34-Modul mehr Wärmeenergie ab. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die ExpressCard/54 für Anwendungen mit höherem Durchsatz und Applikationen der ersten Generation besonders geeignet. Jedoch hat ein Modulhersteller, dessen Applikation in das schmalere Modul passt, den Vorteil, dass dieses bestimmte Modul in ExpressCard-Steckplätzen beider Größen eingesetzt werden kann. Der Steckplatz für die ExpressCard/54 besitzt ein Führungsteil, durch das sich die ExpressCard/34-Module leicht in die Fassung des Steckverbinders führen lassen. Der Steckplatz hat zudem solche Abmessungen, dass beim Einstecken einer CardBus-Karte in den ExpressCard-Steckplatz oder umgekehrt weder Steckplatz noch Karte beschädigt werden können.
Jeder Steckplatz der Host-Schnittstelle der ExpressCard muss eine einzelne PCI-Express-Lane (x1) besitzen, die mit einer minimalen Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s in jede Richtung arbeitet, wie dies in der PCI Express Base Specification 1.0a festgelegt wurde. Die Host-Schnittstelle der ExpressCard muss außerdem die USB-Datenübertragungsraten Low-, Full- und High-Speed laut USB-2.0-Spezifikation handhaben können. Die Bereitstellung beider Schnittstellen ist eine Voraussetzung dafür, dass die Host-Plattform mit der ExpressCard kompatibel ist. Ein ExpressCard-Modul kann je nach Applikationsanforderungen entweder eine oder beide Standardschnittstellen nutzen.
Abb. 9: ExpressCard-Formate mit PCMCIA/CardBus im Vergleich
Server-I/O-Module
Server benötigen I/O-Adaptergehäuse, bei denen Folgendes berücksichtigt wird: Adapteraus-/-einbau bei geschlossenem Chassis, integrierte Hot-Plug-Möglichkeit, Schutz des Adapters vor elektrostatischen Entladungen und Beschädigungen bei der Handhabung, standardisierte Datenverwaltungsschnittstellen und -funktionen, angemessene Kühlung, einzelne Energieversorgung sowie eine geringere I/O-Abmessung. Die Spezifikation des Server-I/O-Moduls (SIOM) beschreibt zwei modulare PCI-Express-Gehäuse für I/O-Adapter, die einen Ein- bzw. Ausbau bei geschlossenem Chassis ermöglichen. Sie sind außerdem für eine native Hot-Plug-Fähigkeit ausgelegt. So wird das Modul bzw. das Chassis nicht beschädigt, wenn die Module installiert bzw. entfernt werden, während Spannung an das Chassis angelegt ist. Die zwei in Höhe und Tiefe identischen Formate unterscheiden sich nur in der Breite bzw. der Steckplatzgröße, die sie im Gehäuse benötigen. Das Modul mit einfacher Breite passt in jeden SIOM-Steckplatz. Das Modul mit doppelter Breite erfordert zwei angrenzende SIOM-Steckplätze.
Ein Modul mit einfacher Breite kann einen Anschluss für bis zu einen PCI-Express-x8-Steckplatz besitzen und ein Modul mit doppelter Breite einen Anschluss für bis zu einen x16-Steckplatz. (Steckplätze mit doppelter Breite sind bei Servern mit PCI-Express-SIOM optional.) Eine minimale Datenverwaltungsschnittstelle, die auf allen Modulen standardmäßig vorhanden ist, besteht aus einem EEPROM, der dem Host-System über den Adapter Verwaltungsdaten zur Verfügung stellt. Eine optionale integrierte Speicherschnittstelle ermöglicht das Anbinden von bis zu vier 1x-Anschlüssen von SAS/SATA-Schnittstellen und den Anschluss einer Seitenband-Schnittstelle zur Steuerung von Laufwerk-LEDs.
Für das SIOM und das SIOM-Chassis bestehen hinsichtlich der Kühlung die gleichen Anforderungen. Laut Spezifikation müssen SIOM-Chassis ein gewisses Mindestmaß an Luftzufuhr zu jedem Steckplatz gewährleisten. Server-I/O-Module müssen ein Minimum und ein Maximum an Luftwiderstand bieten, um zu gewährleisten, dass das SIOM einen bestimmten Luftstrom für die I/O-Kühlung zur Verfügung hat und dass die I/O-Wärmebelastung nicht an das Chassis übertragen wird.
Vorteile von PCI Express
Für PC-gestützte Mess- und Automatisierungssysteme war der PCI-Bus viele Jahre lang die erste Wahl für Erweiterungssteckkarten. Er wird auch weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Während die Entwicklung des PCs weiterging, hat sich der PCI-Bus (mit seiner parallelen Architektur) nicht im gleichen Maße wie die übrige Plattform verändert. PCI Express berücksichtigt diese Faktoren und bietet gewisse Vorteile in fünf Hauptbereichen:
- Hohe Leistung -- Sie bezieht sich insbesondere auf die Bandbreite, die bei einer x1-Verbindung mehr als doppelt so hoch ist wie bei PCI und linear zunimmt, wenn weitere Lanes (Sende- und Empfangspaare) hinzugefügt werden. Ein weiterer Vorteil, der nicht sofort ersichtlich ist, besteht darin, dass diese Bandbreite simultan in beide Richtungen bei jeder Verbindung zur Verfügung steht. Zudem wird erwartet, dass sich die ursprüngliche Signalgeschwindigkeit von 2,5 Gbit/s noch erhöhen wird, was zu weiteren Verbesserungen bei der Übertragungsgeschwindigkeit führt.
- I/O-Vereinfachung -- Sie bezieht sich auf die Rationalisierung der Unmenge an sowohl Chip-to-Chip-Bussen als auch internen Bussen mit Anwenderzugriff, wie beispielsweise AGP, PCI-X und Hublink. Dadurch werden komplexe Bauweisen vereinfacht und die Kosten der Implementierung verringert.
- Schichtenarchitektur -- PCI Express besitzt eine Architektur, die an neue Technologien anpassbar ist und gleichzeitig dafür sorgt, dass die Softwareinvestitionen gewahrt bleiben. Die Schichtenarchitekturen sind für zwei Schlüsselbereiche vorteilhaft: zum einen für die physikalische Schicht, bei der sich die Übertragungsraten erhöhen, und zum anderen für den Bereich Softwarekompatibilität.
- Input/Output der nächsten Generation - PCI Express bietet aufgrund isochroner Datenübertragungen neue Funktionen für die Datenerfassung und Multimedia-Anforderungen. Isochrone Datenübertragungen bieten eine Art Garantie bezüglich der Dienstgüte (Quality of Service), durch die eine rechtzeitige Datenbereitstellung mittels deterministischer, zeitabhängiger Methoden gewährleistet wird.
- Benutzerfreundlichkeit - PCI Express sorgt für eine erhebliche Vereinfachung beim Hinzufügen und Aktualisieren von Systemen. PCI Express ist sowohl Hot-Swap- als auch Hot-Plug-fähig. Da die Hot-Plug-Fähigkeit auf bestimmten Eigenschaften des Betriebssystems beruht, kann sie den Start der Hardware verzögern. Des Weiteren bestehen durch die Vielfalt bei den Formaten für PCI-Express-Geräte, besonders für SIOM und ExpressCard, viel mehr Möglichkeiten, um leistungsstarke Peripheriegeräte an Server und Notebook-Computer anzuschließen.
All diese Eigenschaften sorgen dafür, dass der PC zu einer immer beliebteren Plattform wird, die sich hervorragend als Grundlage für Mess- und Automatisierungssysteme der nächsten Generation eignet.
GLOSSAR
8B/10B-Kodierung – Ein Verfahren zur Kodierung von Signalen mit integriertem Datentakt. Die Kodierung erfolgt aus zweierlei Gründen. Zum einen wird dadurch sichergestellt, dass ausreichend Übergänge im Datenstrom zur Taktrückgewinnung vorhanden sind und zum anderen wird die Anzahl an Nullen und Einsen angepasst, wodurch ein Gleichstromausgleich bei wechselspannungsgekoppelten Systemen aufrechterhalten wird.
AGP (Advanced/Accelatered Graphics Port) – eine Version des PCI-Busses mit höherer Geschwindigkeit, bei der ein anderer Steckverbinder zum Einsatz kommt. Sie wurde entwickelt, um den Bandbreitenbedarf bestimmter Grafikkarten bei Desktop-PCs abzudecken.
CRC (Cyclic Redundancy Check) – Die zyklische Redundanzprüfung ist eine Methode zur Erkennung und Behebung von Bitfehlern in einem Informationspaket durch Hinzufügen eines berechneten Wertsatzes zum Paket. Die Werte werden vom ursprünglichen Datenpaket abgeleitet.
Differenziell – Bei der differenziellen Signalisierung kommen zwei Leitungen zum Einsatz, die ein Signal übertragen, bei dem eine Phasenverschiebung um 180 Grad vorliegt. Der Hauptvorteil besteht in einer Verringerung hinsichtlich der Anfälligkeit gegenüber Verrauschen.
ExpressCard – Eine kompakte I/O-Karte, die sowohl PCI-Express- als auch USB-2.0-Schnittstellen umfasst.
ISA-Bus (Industry Standard Architecture) – Ein Busstandard für PCs, der 1984 eingeführt wurde und die XT-Bus-Architektur auf 16 bit erweitert. Mit diesem Bus werden Peripheriekarten an die Hauptplatine angeschlossen. Er wird auch als AT-Bus bezeichnet.
PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) – Die Gruppe von Mitgliedsunternehmen, die aktuelle Spezifikationen für CompactPCI und PCI/ISA pflegen.
PCI – Peripheral Component Interconnect ist ein paralleler Hochgeschwindigkeitsbus, der ursprünglich von Intel entwickelt wurde, um I/O-Peripheriegeräte mit einer Zentraleinheit zu verbinden.
PCI Express – Eine weiterentwickelte Version von PCI, bei der das PCI-Softwaremodell beibehalten wird. Sie ersetzt den parallelen Bus durch einen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus (2,5 Gbit/s), der mehrere Leitungen anspricht.
SIOM (Server I/O Module) – Das Server-I/O-Modul ist ein Input/Output-Modul, das für Server- und Workstation-Applikationen entwickelt wurde und PCI Express zur Übertragung verwendet.
USB 2.0 – Bei USB 2.0 handelt es sich um einen externen seriellen Bus mit Punkt-zu-Punkt-Verbindung, bei dem die Daten differenziell übertragen werden. Er liefert Datenübertragungsraten von bis zu 480 Mbit/s. USB 2.0 ist eine Erweiterung von USB 1.1, wobei dieselben Kabel und Stecker zum Einsatz kommen.
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