Вот уже более десяти лет PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, даже несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает (пока ещё) оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее она неуклонно сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express, о которой чуть ниже.

В далёком 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI – Peripheral Component Interconnect (дословно: взаимосвязь периферийных компонентов). А в 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на неё продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.

Причины успеха PCI – это гораздо большая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключённых к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.

Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:

• частота шины – 33,33 МГц, передача синхронная
• разрядность шины – 32 бит
• пиковая пропускная способность – 133 Мбит/с
• адресное пространство памяти – 32 бит (4 Гбайт)
• адресное пространство портов ввода-вывода – 32 бит (4 Гбайт)
• количество подключаемых устройств – до четырёх (для увеличения их количества используется мост PCI-to-PCI)
• конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт
• напряжение 3,3 или 5 В

Вскоре PCI «взяли на вооружение» также платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и другие.

Ещё большее распространение получил стандарт 2.2.

Отличия PCI 2.2 от 2.0:

• возможность одновременной работы нескольких устройств bus-master (так называемый конкурентный режим)
• появление универсальных карт расширения, способных работать как в слотах 5 В, так и в 3,3 В
• появились расширения PCI66 и PCI64 (ширина шины может быть увеличена до 64 бит, а также допускается разгон тактовой частоты до 66 МГц – вдвое по сравнению с PCI 2.0)
• сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный разъём и способны работать практически во всех более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах 2.1

Со времён анонса PCI 2.0 разработкой и продвижением стандарта занимается специальная организация – консорциум PCI-SIG (Special Interest Group), она же занимается продвижением PCI Express.

Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее распространённые из которых:

• AGP – разработана на базе PCI 2.1 и предназначена для использования с графическими адаптерами, характеризуется отсутствием арбитража интерфейса, то есть допускается подключение к этой шине только одного устройства, также устранена мультиплексированность
• PCI-X – ускоренная до 133 МГц (также выпускались варианты с 266 и 533 МГц) шина PCI 2.2 с обязательно 64-битной разрядностью интерфейса

• Compact-PCI – системная шина, широко используемая в промышленной автоматике. Электрически шина соответствует обычной PCI и обычно использует тот же набор микросхем, но физически разъём выполнен по-другому, что позволяет использовать «горячее» подключение плат
• mini-PCI – применяется в портативных компьютерах
• Card Bus (32-разрядная версия стандарта PCMCIA, допускающая «горячее» подключение)

Сводная таблица конструктивов карт и слотов в зависимости от версии стандарта

Однако, как и многие параллельные шинные решения (те же Parallel ATA, SCSI), шина PCI в данное время находится на границе разумного масштабирования производительности, после которого «гонка частот и разрядности» приведёт к непозволительно высоким технологическим усложнениям и, соответственно, к затратам. Но на данный момент проблема эффективной масштабируемости и наращивания уже решена, ведь в компьютерной индустрии уже полным ходом идёт переезд с PCI на новую последовательную шину PCI-Express.

PCI-Express

Разработка рабочей группой Arapahoe, основанной компаниями Compaq, Dell, IBM, Intel и Microsoft при участии организации PCI-SIG, нового межкомпонентного интерфейса была начата фирмой Intel еще тогда, когда только ожидался выход в свет AGP 3.0 (он же AGP 8х). Так, программную модель PCI планировали унаследовать и в новом интерфейсе,  чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Сам же интерфейс должен был быть последовательным. Это означало, во-первых, однозначное подключение «точка-точка», исключающее арбитраж шины и перетасовку ресурсов (как частный случай – прерываний). Во-вторых, упрощалась схемотехника, разводка и монтаж. В-третьих, экономилось место.

Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.

Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

В спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express 1.1.

Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:

• стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощён или заменён, не влияя на остальные. Например: может быть использован иной носитель сигнала – или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства (как в случае PCI Express x16 для графики)
• возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации, опционально реализуются в серверных системах)
• возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service – качество обслуживания)⁸
• возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC)⁸
• поддержка технологий энергосбережения (ACPI)⁸

Итоги

Как мы видим, последовательные интерфейсы пришли в компьютерную индустрию всерьёз и надолго. Не за горами времена, когда такие почётные долгожители, как PCI, IDE(PATA), SCSI, совсем уйдут со сцены, ибо преемники – PCI Express, Serial ATA, Serial Attached SCSI – уже агрессивно отвоёвывают позиции у «старичков». В стане процессорных шин пока паритет – архитектура K8 компании AMD c организацией процессорной шины на основе HyperTransport уже зарекомендовала себя как удачное решение, но и компания Intel с «последней редакцией» параллельной шины FSB (QPB) чувствует себя довольно уверенно и не собирается от неё отказываться.

Что касается возможной войны технологий PCI Express и HyperTransport, то здесь не тот случай – уж слишком разные сферы применения уготованы разработчиками этим решениям. Для вторжения в сферу сверхбыстрых передач у PCI Express недостаточно пропускной способности (максимум 8 ГБ/с для х16 против 41 ГБ/с у HyperTransport). Что касается работы HyperTransport с периферийными контроллерами, то данная шина не обладает для этого достаточными возможностями протоколов в силу своего изначального предназначения – замены процессорной шины, первое упоминание о «горячем» подключении появилось лишь в спецификации HyperTransport 3.0, да и стандартом пока что не предусмотрено внешних разъёмов.