PCI-Slots (Peripheral Component Interconnect) sind ein integraler Bestandteil der Architektur eines Computers, so dass diese heute als selbstverständlich angesehen werden. Seit Jahren ist PCI eine vielseitige, funktionale Möglichkeit, Sound-, Video- und Netzwerkkarten an ein Motherboard anzuschließen.

PCI-Kartenslots

Aber PCI hat einige Schwächen. Während Prozessoren, Grafikkarten, Soundkarten und Netzwerke immer schneller und leistungsfähiger geworden sind, hat sich PCI kaum verändert. Es hat eine feste Breite von 32 Bit und kann nur 5 Geräte gleichzeitig verarbeiten. Der neuere 64-Bit-PCI-X-Bus bietet mehr Bandbreite, aber die größere Bandbreite führt auch zu mehr Problemen.

Ein neues Protokoll mit der Bezeichnung PCI Express (PCIe) beseitigt viele dieser Mängel, bietet mehr Bandbreite und ist mit bestehenden Betriebssystemen kompatibel. In diesem Artikel werden wir untersuchen, was PCIe von PCI unterscheidet. Außerdem werden wir uns ansehen, wie PCI Express einen Computer schneller macht, potentiell die Grafikleistung erhöht und den AGP-Steckplatz ersetzen kann.

Serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung

In den Anfängen der Computertechnik wurden große Datenmengen über serielle Verbindungen übertragen. Die Computer teilten die Daten in Pakete auf und übertrugen diese Pakete dann einzeln von einem Ort zum anderen. Serielle Verbindungen waren zwar zuverlässig, aber langsam, so dass die Hersteller begannen, parallele Verbindungen zu verwenden, um mehrere Datenpakete gleichzeitig zu übertragen.

Es hat sich herausgestellt, dass parallele Verbindungen bei immer höheren Geschwindigkeiten ihre eigenen Probleme haben – zum Beispiel können sich die Drähte elektromagnetisch gegenseitig stören -, so dass das Pendel jetzt wieder in Richtung hochoptimierter serieller Verbindungen ausschlägt. Verbesserungen der Hardware und des Verfahrens zur Aufteilung, Kennzeichnung und Wiederzusammensetzung von Paketen haben zu wesentlich schnelleren seriellen Verbindungen geführt, wie USB 2.0 und FireWire.

PCI Express ist eine serielle Verbindung, die eher wie ein Netzwerk als ein Bus funktioniert. Anstelle eines Busses, der Daten aus mehreren Quellen verarbeitet, verfügt PCIe über einen Switch, der mehrere serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen steuert. Diese Verbindungen gehen vom Switch aus und führen direkt zu den Geräten, an die die Daten weitergeleitet werden müssen. Jedes Gerät hat seine eigene dedizierte Verbindung, so dass sich die Geräte die Bandbreite nicht mehr teilen, wie es bei einem normalen Bus der Fall ist. Wie dies geschieht, wird im nächsten Abschnitt erläutert.

PCI Express Lanes

Wenn der Computer hochgefahren wird, stellt PCIe fest, welche Geräte an der Hauptplatine angeschlossen sind. Anschließend werden die Verbindungen zwischen den Geräten identifiziert, wobei eine Karte erstellt wird, die zeigt, wohin der Datenverkehr geht, und die Breite der einzelnen Verbindungen ausgehandelt wird. Diese Identifizierung von Geräten und Verbindungen ist das gleiche Protokoll, das PCI verwendet, so dass PCIe keine Änderungen an Software oder Betriebssystemen erfordert.

Jede Lane einer PCI Express-Verbindung enthält zwei Leitungspaare – eines zum Senden und eines zum Empfangen. Die Datenpakete bewegen sich mit einer Rate von einem Bit pro Zyklus über die Lane. Eine x1-Verbindung, die kleinste PCIe-Verbindung, hat eine Lane, die aus vier Drähten besteht. Sie überträgt ein Bit pro Zyklus in jeder Richtung. Eine x2-Verbindung besteht aus acht Drähten und überträgt zwei Bits auf einmal, eine x4-Verbindung überträgt vier Bits und so weiter. Andere Konfigurationen sind x12, x16 und x32.

PCI Express ist für Desktop- und Laptop-PCs verfügbar. Seine Verwendung kann zu niedrigeren Kosten bei der Herstellung von Hauptplatinen führen, da seine Anschlüsse weniger Pins enthalten als PCI-Anschlüsse. Außerdem können viele Geräte unterstützt werden, darunter Ethernet-Karten, USB 2 und Videokarten.

Aber wie kann eine serielle Verbindung schneller sein als die 32 Drähte von PCI oder die 64 Drähte von PCIx? Im nächsten Abschnitt werden wir uns ansehen, wie PCIe in der Lage ist, eine enorme Bandbreite in einem seriellen Format bereitzustellen.

PCI Express – Schnelligkeit der Verbindung

Der 32-Bit-PCI-Bus hat eine maximale Geschwindigkeit von 33 MHz, so dass maximal 133 MB Daten pro Sekunde über den Bus laufen können. Der 64-Bit-PCI-X-Bus hat die doppelte Busbreite von PCI. Die verschiedenen PCI-X-Spezifikationen ermöglichen unterschiedliche Datenübertragungsraten, die von 512 MB bis 1 GB pro Sekunde reichen.

Eine einzelne PCI Express-Lane kann jedoch 200 MB Datenverkehr pro Sekunde in jede Richtung bewältigen. Ein x16 PCIe-Anschluss kann erstaunliche 6,4 GB Daten pro Sekunde in jede Richtung übertragen. Bei diesen Geschwindigkeiten kann ein x1-Anschluss problemlos eine Gigabit-Ethernet-Verbindung sowie Audio- und Speicheranwendungen verarbeiten. Eine x16-Verbindung kann problemlos leistungsstarke Grafikadapter verarbeiten.

Wie ist das möglich? Ein paar einfache Fortschritte haben zu diesem enormen Sprung in der Geschwindigkeit der seriellen Verbindungen beigetragen:

  • Priorisierung von Daten, so dass das System die wichtigsten Daten zuerst überträgt und Engpässe verhindert
  • Zeitabhängige Datenübertragungen (Echtzeit)
  • Verbesserungen bei den physischen Materialien, die zur Herstellung der Verbindungen verwendet werden
  • Besseres Handshaking und bessere Fehlererkennung
  • Bessere Methoden, um Daten in Pakete aufzuteilen und die Pakete wieder zusammenzusetzen. Da jedes Gerät seine eigene dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Switch hat, müssen Signale aus verschiedenen Quellen nicht mehr über denselben Bus laufen.

PCI Express und erweiterte Grafiken

Wir haben festgestellt, dass PCIe eine AGP-Verbindung überflüssig machen kann. Ein x16-PCIe-Steckplatz kann weit mehr Daten pro Sekunde übertragen als die derzeitigen AGP-8x-Verbindungen. Darüber hinaus kann ein x16-PCIe-Steckplatz die Grafikkarte mit 75 Watt Leistung versorgen, im Gegensatz zu einer AGP-8x-Verbindung mit 25/42 Watt. Aber PCIe hat noch mehr beeindruckendes Potenzial für die Zukunft der Grafiktechnologie auf Lager.

Mit der richtigen Hardware kann ein Motherboard mit zwei x16 PCIe-Anschlüssen zwei Grafikkarten gleichzeitig unterstützen. Mehrere Hersteller entwickeln und bringen Systeme auf den Markt, die diese Funktion nutzen: NVIDIA Scalable Link Interface (SLI): Mit einem SLI-zertifizierten Motherboard, zwei SLI-Grafikkarten und einem SLI-Anschluss kann ein Benutzer zwei Grafikkarten in dasselbe System einbauen. Die Karten arbeiten zusammen, indem der Bildschirm in zwei Hälften geteilt wird. Jede Karte steuert eine Hälfte des Bildschirms, und der Anschluss sorgt dafür, dass alles synchronisiert bleibt.

ATI CrossFire: Zwei ATI Radeon® Grafikkarten, eine davon mit einem „Compositing Engine“-Chip, werden in ein kompatibles Motherboard gesteckt. Die Technologie von ATI konzentriert sich auf die Bildqualität und erfordert keine identischen Grafikkarten, obwohl Hochleistungssysteme identische Karten haben müssen. Crossfire teilt die Arbeit des Renderings auf eine von drei Arten auf:

  • Teilung des Bildschirms in zwei Hälften und Zuweisung einer Hälfte an jede Karte (so genanntes „Scissoring“)
  • Aufteilung des Bildschirms in Kacheln (wie ein Schachbrett), wobei eine Karte die „weißen“ Kacheln und die andere die „schwarzen“ Kacheln darstellt
  • Jede Karte rendert abwechselnd Bilder

Alienware Video-Array: Zwei handelsübliche Grafikkarten werden mit einem Video Merger Hub und proprietärer Software kombiniert. Dieses System verwendet spezielle Kühl- und Stromversorgungssysteme, um die zusätzliche Wärme und Energie der Grafikkarten zu bewältigen. Die Technologie von Alienware unterstützt möglicherweise bis zu vier Grafikkarten.

Da PCI, PCI-X und PCI Express kompatibel sind, können alle drei Formate auf unbestimmte Zeit nebeneinander bestehen. Bislang haben Grafikkarten den Übergang zum PCIe-Format am schnellsten vollzogen. Netzwerk- und Soundadapter sowie andere Peripheriegeräte waren in der Entwicklung langsamer. Da PCIe jedoch mit den aktuellen Betriebssystemen kompatibel ist und höhere Geschwindigkeiten ermöglicht, ist es wahrscheinlich, dass es PCI schließlich als PC-Standard ablösen wird. Nach und nach werden PCI-basierte Karten überflüssig werden.

Wir hoffen, dass wir Ihnen einen guten Überblick über die PCI-Technologie liefern konnten. Wenn Sie noch Fragen oder Anregungen haben sollten, können Sie sich gerne mit unseren Produktexperten in Verbindung setzen. Über den folgenden Link gelangen Sie zu unserem Kontaktformular.