PCI Express

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, lyhennettynä PCIe) on suurinopeuksinen tietokoneen standardoitu väylätyyppi, joka on suunniteltu korvaamaan vanhemmat PCI, PCI-X ja AGP-liitäntästandardit. PCIe-liitäntä sisältää useita parannuksia edeltäjiinsä nähden, joita ovat muun muassa suurempi siirtokyky, siirtyminen sarjamuotoiseen tiedonsiirtoon rinnakkaisesta, väylän parempi skaalattavuus, sekä pienempi siirräntäpinnien määrä, jonka ansiosta PCIe-liittimillä on pienempi fyysinen tilantarve. PCIe:ssä on myös yksityiskohtaisempi virheiden havaitsemis- ja raportointimekanismi (Advanced Error Reporting (AER)) ja lisäksi sen viimeisimmät versiot tukevat I/O-virtualisointia. PCIe on vähitellen korvannut edeltäjänsä (AGP, PCI ja PCI-X), ja on tämän seurauksena noussut hallitsevaksi väylätyypiksi pöytätietokoneissa. PCIe:n sähköteknisiä puolia on hyödynnetty useissa siihen pohjautuvissa muunnelmissa, joista ehkä huomattavimpana voidaan mainita ExpressCard, PCIe:n kannettaville tietokoneille suunniteltu versio.
PCIe-liitäntästandardia ylläpitää PCI-SIG (PCI Special Interest Group), johon kuuluu yli 900 tietotekniikka-alan yritystä. Maaliskuussa 2015 viimeisin tuotannossa ja kuluttajamarkkinoilla saatavilla oleva PCIe-versio oli 3.1.

Muutokset entiseen

PCIe poikkeaa arkkitehtuuriltaan huomattavasti aikaisemmista väylistä, ja tästä syystä se poikkeaa täysin myös PCI-väylästä. Yleensä väylä koostuu yhteisestä tiedonsiirtokanavasta, johon kaikki väylään kytketyt laitteet liittyvät, ja jota laitteet käyttävät vuorotellen. PCIe taas muistuttaa pakettikytkentäistä tiedonsiirtoverkkoa (erityisesti Ethernetin nykyaikaista tähtimäistä versiota) OSI-mallin mukaisella protokollapinolla, joten periaatteessa PCIe ei ole väylä sanan perinteisessä merkityksessä. PCIe:ssä jokaisella laitteella on oma tiedonsiirtokanava kytkimeen. Tiedonsiirtokanava koostuu linjoista (engl. lane). Yksi linja koostuu kahdesta yksisuuntaisesta johdinparista, joista toinen siirtää tietoa kytkimen suuntaan ja toinen taas kytkimeltä laitteelle. Tämän ansiosta voidaan samanaikaisesti siirtää tietoa molempiin suuntiin. Standardi tukee 1, 2, 4, 8, 12, 16 ja 32 linjan ratkaisuja, joista nykyään yleisimmin käytössä ovat yhden (×1), neljän (×4), kahdeksan (×8) ja 16 (×16) linjan kytkennät. Kytkin reitittää tietoa PCIe -laitteiden ja muun järjestelmän välillä tiedonsiirtopakettien otsikkokenttien sisältämän tiedon perusteella. Toisin kuin monet aiemmat väylätekniikat, PCIe käyttää CRC-virheenkorjausta luotettavuuden parantamiseksi.

PCI Express Mini -kortti

PCI Express Mini Card (myös Mini PCI Express, Mini PCIe, Mini PCI-E, mPCIe tai PEM) on PCI Express -väylään pohjautuva korvaaja vanhemmalle Mini PCI -liitännälle. Sen on kehittänyt PCI-SIG, ja liitäntä tukee sekä PCIe- että USB 2.0 -toiminnallisuuksia. Monet vuoden 2005 jälkeen valmistetut kannettavat tietokoneet tukevat jotain PCIe-pohjaista liitäntästandardia.

Fyysiset mitat

PCI Express Mini -kortin ulkomitat ovat 30×50,95 mm. Kytkentä kortin ja emolevyn välillä tapahtuu 52-pinnisellä liittimellä, jonka pinnit on jaettu kahdelle puolelle. Yhden pinnin leveys on 0,6 mm. Kummallakin puolella on 26 pinniä, jotka on jaettu yhteen kahdeksan ja yhteen 18 pinnin osaan. (katso kuva) Mini-kortista on olemassa myös puolet pienempi versio, jonka ulkomitat ovat 30×26,8 mm. mPCIe piirilevyn paksuus on 1,0 mm ilman komponentteja.

PCI Express 1.0a

PCI-SIG esitteli 2003 PCIe 1.0a -liitännän, joka pystyi siirtämään 250 MB/s dataa linjaa kohden ja saavuttamaan 2,5 GT/s siirtonopeuden.
PCIe 1.x käyttää 8b/10b-koodausta. Linkki toimii 2,5 GHz kellotaajuudella, kuljettaen 250 000 000 tehollista tavua sekunnissa (250 MB/s) suurimmalla nopeudellaan.

PCI Express 1.1

PCI-SIG julkaisi helmikuussa 2005 PCIe 1.1 -liitännän. Päivitys sisälsi useita täsmennyksiä ja parannuksia, mutta se oli täysin yhteensopiva edellisen PCIe 1.0a -standardin kanssa. Päivitys ei sisältänyt muutoksia tiedonsiirtonopeuksiin.

PCI Express 2.0

PCI-SIG julkaisi PCI Express Base 2.0 -määritelmän 15. tammikuuta 2007. PCIe 2.0 -standardissa on kaksinkertaiset tiedonsiirtonopeudet 1.0 -standardiin nähden (2,5 GT/s vs 5 GT/s; 250 MB/s vs 500 MB/s). 32-kaistainen PCIe-liitäntä (×32) pystyy siirtämään yhteenlaskettuna 16 GB/s.
PCIe 2.0 -emolevyliitännät ovat täysin yhteensopivia PCIe v1.x -korttien kanssa. PCIe 2.0 toimivat myös PCIe 1.x liitännässä, mutta niiden PCI Express 1.1 -standardin mukainen pienempi kaistanleveys rajoittaa niiden toimintaa. Yleisesti ottaen PCIe 2.0 -liitännälle suunnitellut näytönohjaimet toimivat v1.1 tai v1.0a emolevyjen kanssa ja päinvastoin.
The PCI-SIG kertoi myös, että PCIe 2.0 sisältää parannuksia Point-to-Point -siirtoprotokollaan ja ohjelmistoarkkitehtuuriin.
Intelin ensimmäinen PCIe 2.0 yhteensopiva piirisarja oli X38, ja ensimmäisten siihen pohjautuvien emolevyjen toimitukset alkoivat eri valmistajilta (Abit, Asus, Gigabyte) lokakuussa 2007. AMD alkoi tukea PCIe 2.0:aa AMD 700 -piirisarjasta ja NVIDIA MCP72 -piirisarjasta. Kaikki Intelin edelliset piirisarjat, mukaan lukien Intel P35 tukivat PCIe 1.1 tai 1.0a -standardia.
PCIe 2.0 käyttää 1.x -liitännän tapaan 8b/10b-koodausta, toimittaen tehollisen 4 Gbit/s siirtonopeuden per kaista.

PCI Express 2.1

PCI Express 2.1 tukee suurta osaa PCIe 3.0:lle suunnitelluista käsittely-, tuki- ja ongelmanratkaisupäivityksistä. Sen siirtonopeudet ovat tosin samat, kuin PCIe 2.0 -liitännässä, mutta osa 2.1-standardille suunnitelluista korteista ei ole yhteensopivia joidenkin vanhempien 1.0 tai 1.0a -emolevyjen kanssa, koska 2.1-standardin kortit ottavat enemmän tehoa PCIe-liitännästä. Useille 1.1-standardin emolevyille on saatavilla BIOS-päivitys, joka tekee niistä yhteensopivia 2.1-korttien kanssa.

PCI Express 4.0

PCI-SIG julkaisi 29. marraskuuta 2011 PCI Express 4.0 -standardin, joka pystyy 16 GT/s siirtonopeuksiin kuparipohjaisella tekniikalla. 4.0:n lopullinen julkaisu on PCI-SIGin mukaan vuoden 2016 loppupuolella. Määrittely julkaistiin virallisesti 8. kesäkuuta 2017.
Liitäntä käyttää PCIe 3.0:n tapaan 128b/130b-koodausta ja on edeltäjiensä tapaan yhteensopiva edellisten PCIe-sukupolvien kanssa.

PCI Express 5.0

17. tammikuuta 2019 PCI-SIG ilmoitti ratifioineensa version 0.9 PCI Express 5.0 -määrittelystä.

PCI Express 6.0

18. kesäkuuta 2019 PCI-SIG ilmoitti PCIe 6.0 -määrittelyn tulevan vuonna 2021.

Yhteensopivuus

PCIe -liittimiä on standardoitu muun muassa ×1, ×4, ×8 ja ×16 -väylille. Pienemmällä liittimellä varustettuja laitteita voidaan liittää suurempaan liittimeen. Arkkitehtuurin ja signaloinnin puolesta suuremman väylän laite voitaisiin liittää myös pienempään väylään, sillä kytkettäessä laitteet säätävät nopeutensa käytössä olevien linjojen mukaan. Tosin useimmissa tapauksissa suuremmat liittimet eivät kuitenkaan ole fyysisesti yhteensopivia pienempien kanssa.
Vanhempia PCI-väylää käyttäviä laajennuskortteja ei voi liittää PCIe-väylään eikä toisinpäin, sillä väylät ovat täysin erilaisia eivätkä millään tasolla yhteensopivia tai samankaltaisia nimeään ja käyttötarkoitustaan lukuun ottamatta.