Der Highspeed-Datenbus im Detail

12.02.2004
Nach PCI, PCI-X und auch AGP soll PCI Express ab 2004 die einzige, dafür aber universelle Datenautobahn für PCs werden. Wir erläutern den neuen I/O-Standard und vergleichen ihn mit PCI-Technologien bis hin zu PCI-X 3.0. Von Bernd Haluschak

Fortsetzung von Ausgabe 06/04, Seite 46

Powermanagement

Das PCI-Express-Powermanagement unterstützt alle Funktionen, die in der Bus Powermanagement Interface Specification Revision 1.1 und in der Advanced Configuration and Power Interface Specification Revision 2.0 festgelegt sind.

Anders als PCI mit den Device-Powermanagement-States D0, D1 und D2 sowie D3hot und D3cold, definiert PCI Express so genannte Link-Powermanagement-States. Die einzelnen Link-States L0, L0s, L1, L2 und L3 sind aus den Device-States abgeleitet und haben ähnliche Funktionen. Im L0/D0-Modus versorgt das Netzteil die gesamte Hardware mit Strom. Der Zustand L0s/D0/D1 ist mit dem Standby-Modus gleichzusetzen. L1/D1/D2 erweitert den Standby-Betrieb, in dem spezielle Funktionseinheiten einer Steckkarten abgeschaltet werden. Im L2/D3hot-Zustand bleibt nur die Hilfsspannung des Netzteils aktiviert. Hierbei befindet sich das System in einem so genannten Low-Power-Sleep-State. Dagegen schaltet der L3/D3cold-Modus alle Spannungen aus.

Hot-Plug-Fähigkeit

Eine Hot-Plug-Funktion ermöglicht es, Hardware-Komponenten im laufenden Zustand eines Rechners einzustecken oder zu entfernen. Eine Unterbrechung des Betriebs durch einen Reset oder ein Power-Down ist nicht notwendig. Die erste offizielle Hot-Plug-Spezifikation für PCI wurde 1997 verabschiedet. Es folgte 2001 eine überarbeitete Version mit verbesserter Funktionalität des Standard-Hot-Plug-Controllers (SHPC). Für den PCI-Express-Bus startete die Entwicklung der Spezifikationen für das PCI Express Native Hot Plug bereits 2002.

Zu den Vorteilen des PCI Express Native Hot Plug zählt die volle Unterstützung von Legacy-PCI-Hot-Plug, basierend auf dem SHPC-Modell. Zusätzlich nutzt es eine Reihe von Programmroutinen, die bereits in aktuellen Betriebssystemen wie Windows 2003 Server und Windows XP implementiert sind. Dabei verzichtet das Native Hot Plug auf herstellerspezifisch angepasste BIOS- und Treiberversionen sowie auf modifizierte Geräte-Controller. Jede PCI-Express-Komponente wie der Root Complex, die Bridge oder derSwitch verfügt über einen Hot-Plug-Controller, der unabhängig von Herstellervorgaben nach den PCI-Express-Spezifikationen arbeitet.

Einen weiteren Pluspunkt verbucht das PCI Express Hot Plug durch die so genannten "Power-Budgeting-Funktionen". Ist die Leistungsaufnahme eines PCI-Express-Slots vom Betriebssystem auf einen bestimmten Wert begrenzt oder steht dem System an einem Slot nicht mehr genügend elektrische Leistung für ein Gerät zur Verfügung, erkennt PCI Express Native Hot Plug diesen Zustand. Es überträgt diese Informationen an den Systemadministrator, der entsprechende Maßnahmen einleiten kann.

Demgegenüber steht das PCI Hot Plug mit seiner nicht standardisierten und komplexen Funktionalität. Die zentrale Steuerung der PCI-Slots übernimmt ein externer Hot-Plug-Controller. Zusammen mit dem speziell angepassten ACPI-BIOS des Herstellers sind der Controller und das BIOS in der Lage, bestimmte Hot-Plug-Geräte in den PCI-Steckplätzen zu erkennen und entsprechende Funktionsabläufe ebenfalls nach Vorgaben des Herstellers zu starten.

Im Vergleich zu PCI Hot Plug bietet das standardisierte PCI Express Native Hot Plug für den Administrator entscheidende Vorteile bei der Systemverwaltung. Entsprechen die verwendeten Komponenten dem PCI-Express-Standard, so sind keine besonderen Herstellereigenschaften bei der Nutzung der Funktion zu berücksichtigen. Wird zum Beispiel ein Native-Hot-Plug-Gerät in einen PCI-Express-Slot gesteckt, signalisiert das ACPI-BIOS diesen Zustand direkt dem Betriebssystem. Dieses löst definierte Treiber-Service-Interrupts aus und startet entsprechende Hot-Plug-Funktionen, die das Betriebssystem bereits unterstützt.

PCI-Express-Grafik-Interface

Die Tage des AGP-Connectors sind gezählt. Schon Anfang 2004 sollen erste Mainboards mit PCI-Express-Unterstützung auf den Markt kommen. Dann wollen auch Grafikchip- und Grafikkartenhersteller wie ATI, NVIDIA und 3DLabs mit entsprechenden Produkten aufwarten.

Den PCI-Express-Grafikport wird es in einer x16-Link-Ausführung vom Start an geben. Diese Konfiguration ermöglicht eine theoretische effektive Bandbreite von 3,73 GByte/s je Richtung. Demgegenüber steht das AGP-8x-Interface mit 1,99 GByte/s. Die Anzahl der Anschlüsse steigt von 132 Pins beim Universal-AGP- auf 164 Pins beim PCI-Express-Stecker.

Ein Vorteil der neuen PCI-Express-Bus-Technologie ist das unkomplizierte Routing der Leitungen. Nur das einzelne Leitungspaar muss absolut symmetrisch und gleich lang layoutet sein. Bei der Länge der verschiedenen Leitungspaare lässt die Spezifikation mehr Spielraum zu, da Clock- und Dateninformation über jedes Leitungspaar übertragen werden und somit das Timing unkritisch ist. Die AGP-Architektur besteht aus getrennten Daten- und Strobe-Leitungen, die miteinander korrelieren. Um die verschiedenen Signallaufzeiten der einzelnen Leitungen zu kompensieren, ist eine komplexe und exakt definierte Leiterbahnführung (Serpentinen-Routing) notwendig.

Die Spannungsversorgung des PCI-Express-Grafik-Interface beschränkt sich auf 3,3 und 12 V, die herkömmliche AGP-Schnittstelle verlangt zusätzlich eine 5- und 1,5-V-Versorgung.

Der PCI-Express-Slot für Grafikkarten kann bis 75 Watt an elektrischer Leistung bereitstellen. Dagegen liefert der Standard-AGP-Port laut Spezifikation nur maximal 25 Watt. In der AGP-Pro-Ausführung stellt er je nach entsprechender Version auch 50 und 110 Watt zur Verfügung. Eine PCI-Express-Pro-Version befindet sich noch in der Entwicklungsphase des PCI-SIG-Konsortiums.

Mini-PCI-Express

Mini-PCI-Express basiert auf dem PCI-Express-Standard. Die nicht für den End-User konzipierte Schnittstelle soll spezielle Onboard-Erweiterungen wie WLAN oder Modem in Notebooks und PCs aufnehmen. Mini-PCI-Express soll Mini PCI ersetzen.

Zu den gravierenden Änderungen gegenüber einem herkömmlichen Mini-PCI-Einschub Type III zählt der halbe Formfaktor einer Mini-PCI-Express-Karte. Darüber hinaus hat sich die theoretische Daten-Performance des neuen Interface von 127,2 MByte/s auf 596 MByte/s (eine PCI-Express-Lane) mit einer Taktfrequenz von 2,5 GHz) erhöht. Diese hohe Bandbreite bei der Datenübertragung ermöglicht der Umstieg von der parallelen PCI- auf die serielle PCI-Express-Technologie.

Um eine hohe Flexibilität des Mini-PCI-Express-Interface zu gewährleisten, haben die Entwickler zusätzlich zum PCI-Express-Bus auch einen SM-Bus und einen USB-2.0-Bus integriert. Insgesamt verfügt die Mini-PCI-Schnittstelle über 52 Steckkontakte. Der Abstand der einzelnen Pins beträgt 0,8 mm. Das Interface liefert über die 3,3-V-Kontakte 750 mA und über die 1,5-V-Kontakte 375 mA an Strom.

Erste Produkte mit dieser Schnittstelle sollen in der zweiten Jahreshälfte 2004 auf den Markt kommen.

ExpressCard

ExpressCard ist die nächste Evolution des PC-Card-Standards auf Basis von PCI Express. Die PCMCIA Trade Association verabschiedete die unter dem Code-Namen NEWCARD entwickelte ExpressCard-Spezifikation 1.0 im September 2003. Der ExpressCard-Standard löst mit höherer Performance und kleinerem Formfaktor die bisherigen PC Cards in Notebooks ab und soll auch in PCs zum Einsatz kommen.

Die höhere Bandbreite garantiert beim ExpressCard-Standard die PCI-Express-Technologie. Wahlweise kommt USB 2.0 zum Einsatz. Die universellen ExpressCard-Einsteckplätze verfügen über genügend Kontakte für beide Varianten und unterstützen jeweils beide Bussysteme. Künftige Notebooks oder PCs benötigen keinen zusätzlichen Controller für die Ansteuerung der ExpressCard: PCI Express und USB 2.0 zählen dann zu den Standard-Features der Systemchipsätze. Notebooks mit PC-Card-Steckplätzen müssen noch einen eigenen PC-Card-Controller nutzen - der zusätzliche Kosten verursacht.

Die ExpressCard-Spezifikation 1.0 definiert zwei Formfaktoren: den ExpressCard/34 mit einer Breite von 34 mm und den ExpressCard/54 mit 54 mm Breite. Letztere entspricht der Breite einer herkömmlichen PC Card und nimmt beispielsweise entsprechende Festplatten auf. Als Steckplätze sind ebenfalls beide Formfaktoren vorgesehen. Allerdings kann der universell einsetzbare ExpressCard-Slot/54 auch 34er ExpressCards aufnehmen. Die Höhe der ExpressCards beträgt standardmäßig 5 mm bei einer Länge von einheitlich 75 mm.

Mit der ExpressCard-Spezifikation 1.0 bietet die PCMCIA erstmals einen gemeinsamen Standard für Erweiterungskarten an, der für Notebooks und PCs gilt. Die aktuellen PC-Cards haben sich ausschließlich in den mobilen Rechnern durchgesetzt. Ähnlich wie USB 1.1/2.0 soll ExpressCard künftig beide Gattungen verbinden und somit eine höhere Funktionalität bieten. Neben der PCMCIA Trade Organisation unterstützen Intel, Microsoft, Dell, Lexar Media und SCM Microsystems die Entwicklung von ExpressCard. Die Industriegruppen USB-IF und PCI-SIG arbeiten auf Grund ihrer Interfaces ebenfalls am Erweiterungsstandard mit.

Erste ExpressCard-Devices wird es laut PCMCIA in der zweiten Jahreshälfte 2004 zu kaufen geben. Dann soll auch bereits eine breite Infrastruktur von Systemen mit PCI-Express-Chipsätzen existieren, die ExpressCard-Komponenten direkt unterstützen.

Fazit

Die grundsätzlichen Vorteile von PCI Express liegen in der Skalierbarkeit, der Software-Kompatibilität zu PCI und dem universellen Einsatz wie zum Beispiel im Serverbereich und in Desktop-PCs. Denn je nach benötigter Bandbreite können mehrere Lanes parallel an einem Port zusammengeschaltet werden. Die Minimalkonfiguration mit einer Lane erreicht 2,5 Gbit/s je Richtung. Die Entwickler halten sogar eine Vervierfachung der Übertragungsleistung für möglich. Allerdings relativiert der 20 Prozent geringere Anteil an Nutzdaten - bedingt durch das 8B/10B-Kodierverfahren - die hohe Übertragungsleistung.

Darüber hinaus lässt sich PCI Express nicht nur als I/O-Verbindung für Steckkarten, sondern auch als Chip-to-Chip-Interconnect einsetzen. Durch das "serielle" Bussystem und das besonders aufwendige Übertragungsprotokoll mit 8B/10B-Kodierung entstehen aber hohe Latenzzeiten bei der Datenübertragung, so dass PCI Express als Prozessor- oder Speicherbus nicht in Frage kommt. Hier hat HyperTransport Vorteile, da dieser Ballast fehlt. Nach Intels Plänen soll die weiter führende Entwicklung von PCI Express Advanced Switching unter dem Namen PCI EAS in naher Zukunft sogar als Datenbus für Netzwerkprozessoren zum Einsatz kommen. Auch als Basis für den Ersatz der AGP- und der Mini-PCI-Schnittstelle sowie der PC-Card wird die neue Bustechnologie genutzt.

Ein weiterer Pluspunkt von PCI Express sind niedrige Kosten durch die geringe Leiterbahnanzahl. Auf der anderen Seite verlangt PCI Express eine neue Verbindungsarchitektur auf den System-Boards und neue Steckkarten, wie zum Beispiel Grafikkarten. Zu beachten ist, dass PCI-X als abwärtskompatible Variante zu PCI verfügbar ist und mit PCI-X-1066 noch genügend Leistungspotenzial für künftige Systemlösungen bietet. So wird es PCI Express in der Einführungsphase schwer haben, sich gegen die etablierten Busarchitekturen und die installierte Basis von Steckkarten durchzusetzen. Allerdings stehen die Vorzeichen nicht schlecht, denn mittlerweile hat jeder namhafte Chipsatzhersteller einen PCI-Express-Chipsatz für das Jahr 2004 angekündigt. Auch die Steckkartenlieferanten stehen mit entsprechenden Produkten für PCI Express bereits in den Startlöchern.

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