PCI Express (англ. Peripheral Component Interconnect - Express) - масштабируемая высокоскоростная последовательная шина ввода-вывода. Интерфейс PCI Express (известный прежде под названием 3GIO) основан на открытых стандартах и выступает как наследник PCI и его вариантов для систем ввода-вывода серверов и клиентских устройств. В отличие от PCI и PCI-X, основанных на 32- и 64-разрядной параллельной шине, PCI Express использует высокоскоростную технологию последовательного соединения, похожую на ту, что используется в Gigabit Ethernet, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS). PCI Express отражает общую для компьютерной индустрии тенденцию замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа "точка-точка" (point-to-point).

Новая технология шины обеспечивает скорость передачи, которая будет достаточной с учетом развития процессоров и подсистем ввода-вывода, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.

По сравнению с PCI технология PCI Express имеет следующие преимущества:

• высокая пропускная способность - в первой версии теоретическая пиковая пропускная способность составит 5-80 Гбит/с, в зависимости от реализации;
• последовательное соединение, обеспечивающее масштабирование производительности;
• отдельное соединение "точка-точка" для каждого устройства вместо общей шины PCI;
• малые задержки для серверной архитектуры;
• меньший размер разъемов и упрощенное проектирование систем;
• расширенные функции.

В течение следующего десятилетия интерфейс PCI Express постепенно заменит параллельные шины PCI, PCI-X и AGP. Сначала он вытеснит шины, которые требуют дополнительной производительности и функций. Например, первоначально PCI Express будет применяться как замена шины передачи графических данных AGP 8X в клиентских системах, обеспечивая высокую полосу пропускания и поддержку мультимедийного трафика. Он будет сосуществовать с шиной PCI-X и постепенно вытеснять ее в серверных системах.

Пропускная способность шин PCI, PCI-X и AGP

Шина и частота	Пиковая пропускная способность, Мбайт/с
в 32-разрядном режиме	в 64-разрядном режиме
PCI 33 МГц	133	266
PCI 66 МГц	266	532
PCI-X 100 МГц	Не поддерживает	800
PCI-X 133 МГц	Не поддерживает	1 Гбайт/с
AGP 8X	2,1 Гбайт/с	Не поддерживает

Многоуровневая архитектура PCI Express поддерживает существующие приложения PCI и драйверы за счет обратной совместимости с существующей моделью PCI. В частности, архитектура PCI Express определяет высокопроизводительную масштабируемую последовательную шину "точка-точка". Канал PCI Express состоит из двух однонаправленных каналов, каждый из которых реализован как пара передачи и пара приема для одновременной передачи в обоих направлениях. Каждая пара состоит из двух низковольтных пар дифференциальных сигналов.

Полоса пропускания PCI Express

Реализация PCI Express	Скорость передачи, Гбит/с
с кодировкой	без кодировки
x1	5	4 (500 Мбайт/с)
x4	20	16 (2 Гбайт/с)
x8	40	32 (4 Гбайт/с)
x16	80	64 (8 Гбайт/с)

В будущих реализациях PCI Express частота передачи данных по каналу еще больше увеличится. Например, после появления второго поколения PCI Express частота передачи вырастет не менее чем вдвое. Благодаря архитектуре "точка-точка" вся полоса пропускания каждой шины PCI Express выделяется устройству на конце канала. Несколько устройств PCI могут работать одновременно, не мешая друг другу.

PCI Express, в отличие от PCI, имеет минимальные сигналы боковой полосы, а временные метки и информация об адресе встроены в данные. Именно поэтому данная технология обеспечивает высокую полосу пропускания на один контакт разъема ввода-вывода по сравнению с PCI. В результате соединители становятся более эффективными, компактными и дешевыми.

Расширенные функции PCI Express

В PCI Express предусмотрены расширенные функции, которые будут постепенно реализовываться по мере их поддержки ОС и устройствами, а также по мере их использования приложениями. В список этих функций входят:

• расширенное управление энергопотреблением;
• поддержка трафика данных в реальном времени;
• горячая замена;
• целостность данных и обработка ошибок.

Расширенное управление энергопотреблением

Управление в PCI Express позволяет уменьшить энергопотребление, если шина не активна (т. е. данные не пересылаются между компонентами и периферийными устройствами). Интерфейс PCI Express должен быть активным все время, чтобы передатчик и получатель работали синхронно. Для этого, если нет данных для передачи, непрерывно посылаются пустые символы, получатель декодирует их и отбрасывает. Этот процесс потребляет дополнительную энергию, что, в частности, уменьшает время работы от батарей ноутбуков и карманных компьютеров.

Для решения этой проблемы спецификация PCI Express определяет два состояния канала с низким энергопотреблением и протокол Active-State Power Management (ASPM). Когда канал PCI Express не используется, он может перейти в одно из двух состояний с низким энергопотреблением. Эти состояния экономят энергию, но требуют времени на восстановление для ресинхронизации передатчика и получателя, когда нужно передать данные. Чем дольше время восстановления (или запаздывания), тем ниже энергопотребление.

Поддержка трафика реального времени

PCI Express, в отличие от PCI, поддерживает изохронную (или зависимую от времени) передачу данных и разные уровни QoS. Эти функции реализованы с помощью "виртуальных каналов", которые гарантируют, что конкретные пакеты данных прибудут по своему конечному адресу в определенный момент времени. PCI Express поддерживает несколько изохронных виртуальных каналов (каждый с независимым сеансом связи) на одну линию. Все эти каналы могут иметь разную доступность. Данное законченное решение предназначено для приложений, требующих доставки данных в реальном времени (такова, например, работа с аудио и видео в реальном времени).

Горячая замена

Системы на базе PCI не имеют встроенной поддержки горячей замены плат ввода-вывода. Уже после выпуска стандарта PCI как дополнение к нему была разработана функция горячей замены серверных карт и PC Card с ограниченными возможностями. Эти решения рассчитаны на растущие требования серверов и портативных компьютеров. Во-первых, часто трудно или невозможно запланировать отключение сервера для замены или установки периферийных карт. Возможность горячей замены устройств ввода-вывода сводит к минимуму простои. Во-вторых, пользователям ноутбуков нужно заменять в горячем режиме карты, обеспечивающие такие функции ввода-вывода, как мобильный диск и работа в сети.

В PCI Express реализована оригинальная поддержка для горячей замены периферии ввода-вывода. Единая программная модель может использоваться для всех форм-факторов PCI Express.

Целостность данных и обработка ошибок

Интерфейс PCI Express поддерживает целостность данных на уровне каналов для всех типов пакетов транзакций и каналов данных. Благодаря этому обеспечивается целостность данных при их передаче для приложений высокой доступности, особенно для выполняющихся на серверных системах. PCI Express также поддерживает обработку ошибок PCI и использует усовершенствованный механизм оповещения об ошибках и их обработки, что расширяет возможности решений для изоляции сбоев и восстановления работоспособности.

Форм-факторы PCI Express

Разработаны различные форм-факторы PCI Express, предназначенные для клиентских систем, серверов и портативных компьютеров. В их числе стандартные и низкопрофильные карты - для настольных ПК, рабочих станций и серверов, Mini Card - для портативных компьютеров, ExpressCard - для портативных и настольных ПК, а также модули Server I/O Module (SIOM).

PCI Express спецификация
http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress/

Intel Developer Network for PCI Express Architecture
http://www.intel.com/technology/pciexpress/devnet/