جدول محتوا
از زمان راه‌اندازی اولین رایانه در سال 1981 تمامی مادربردها دارای اسلات‌های توسعه (Expansion Slots) بوده‌اند. این اسلات‌ها امکان افزودن قطعات سخت‌افزاری نظیر کارت صدا و گرافیک را که به‌طور مستقیم روی مادربرد نصب نشده‌اند، فراهم می‌کنند. همچنین این اسلات‌ها به کاربران اجازه می‌دهند تا رایانه‌های خود را به صورت سفارشی‌سازی شده ارتقا دهند. در حال حاضر رایج‌ترین نوع این اسلات‌ها PCI Express است. در ادامه این مقاله به معرفی اسلات PCI Express در مادربرد و انواع آن می پردازیم.
در انواع سیستم‌های الکترونیکی مانند کامپیوترها، سرورها از قبیل سرور های HPE مانند مدل های سرور DL380 G11 و … و لپ‌تاپ‌ها، پردازنده به‌عنوان مغز سیستم و مادربرد به دلیل ارتباط بین اجزای مختلف، به‌عنوان بدن سیستم عمل می‌کند. شکاف‌های توسعه یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های سرورها و کامپیوترها به شمار می‌آیند.
PCI Express یا به اختصار PCI-E یک رابط ارتباطی پیشرفته است که در دستگاه‌های الکترونیکی برای اتصال کارت‌های توسعه، کارت گرافیک، کارت صدا، کارت شبکه و سایر دستگاه‌ها به مادربرد استفاده می‌شود. PCI-E جایگزین رابط‌های قدیمی‌تر مانند PCI (Peripheral Component Interconnect) و AGP (Accelerated Graphics Port) شده است.
PCIe یا PCI اکسپرس چیست؟
PCIe مخفف “Peripheral Component Interconnect Express” است و به عنوان یک رابط استاندارد و سریع برای اتصال قطعات سخت‌افزاری اضافی به مادربرد، از جمله کارت گرافیک و حافظه، عمل می‌کند. قبل از بررسی PCI Express، بهتر است نگاهی به تاریخچه اسلات‌های توسعه و روند گسترش آن‌ها داشته باشیم تا به درک بهتری از تفاوت‌های PCI Express برسیم.
اسلات‌های توسعه PCI (Peripheral Component Interconnect) بخش حیاتی معماری کامپیوترها هستند و برای سال‌ها، PCI روشی جامع و کارآمد برای اتصال کارت‌های صدا، تصویر و شبکه به مادربرد بوده است. اسلات یا شکاف توسعه، سوکتی روی مادربرد است که برای قرار دادن کارت‌های توسعه (بردهای مدار) استفاده می‌شود و امکان افزودن قطعات سخت‌افزاری ضروری یا اضافی مانند ویدئو، صدا، گرافیک پیشرفته، اترنت و کارت‌های RAID را به رایانه یا سرور فراهم می‌کند.
کارت‌های توسعه دارای کانکتور لبه‌ای هستند که به‌طور دقیق در شکاف توسعه قرار می‌گیرند و با ردیف اتصال و مدارهای مجتمع، ارتباط الکتریکی بین مادربرد و قطعات دیگر را برقرار می‌کنند. بسته به فرم فاکتور کیس و مادربرد، یک سیستم کامپیوتری می‌تواند از یک تا هفت اسلات توسعه داشته باشد و با استفاده از سیستم backplane، حداکثر 19 کارت توسعه قابل نصب است. ورودی شکاف توسعه معمولاً در پشت رایانه قرار دارد و با استفاده از یک پیچ، اتصال کارت به شکاف و مادربرد را فراهم می‌سازد.
اولین مدل کارت توسعه برای اسلات Altair 8800 بود که در سال 1974-1975 توسط IBM به بازار عرضه شد. برخی از متداول‌ترین انواع اسلات‌های توسعه در تاریخ رایانه و سرور عبارتند از:
- ISA (Industry Standard Architecture)
- MCA (Micro Channel Architecture)
- EISA (Extended Industry Standard Architecture)
- VLB (VESA Local Bus)
- PCI (Peripheral Component Interconnect)
- PCI-X (Peripheral Component Interconnect eXtended)
- AGP (Accelerated Graphics Port)
- PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)
با گذشت زمان و افزایش سرعت و قدرت قطعات سخت‌افزاری مانند پردازنده‌ها، کارت‌های ویدئویی، کارت‌های صدا و کارت‌های شبکه سرور، اسلات‌های PCI که دارای عرض ثابت 32 بیت بودند، نمی‌توانستند پاسخگوی نیازها باشند و تنها قادر به مدیریت پنج دستگاه به صورت همزمان بودند. اسلات‌های جدیدتر PCI-X پهنای باند 64 بیتی را فراهم کردند اما هنوز هم نیاز به پهنای باند بیشتری وجود داشت. در نتیجه اسلات PCIe به بازار عرضه شد که بسیاری از کاستی‌ها و مشکلات را برطرف کرد.
سازندگان برای تمایز استانداردهای قدیمی PCI، مدل جدید را با اضافه کردن نام Express عرضه کردند. PCIe به گونه‌ای طراحی شده است که علاوه بر فراهم کردن پهنای باند بیشتر، با انواع سیستم‌عامل‌ها سازگاری داشته و عملکرد بهتری نسبت به مدل‌های قبلی دارد.
شکاف اسلات PCI Express چیست؟
برای درک بهتر شکاف PCI Express ابتدا باید با مفهوم شکاف توسعه آشنا شوید. هر مادربرد دارای جایگاهی برای اضافه کردن قابلیت‌های اضافی مانند کارت گرافیک پیشرفته، کارت شبکه، اترنت و دیگر قطعات است. این قطعات به‌طور مستقیم در داخل شکاف توسعه قرار می‌گیرند تا مادربرد بتواند به آن‌ها دسترسی داشته و ارتباط آن‌ها را با سایر قطعات برقرار کند. در طول سال‌ها انواع مختلفی از شکاف‌های توسعه مانند PCI، AGP، AMR، CNR، ISA، EISA و VESA به بازار عرضه شده‌اند، اما محبوب‌ترین آن‌ها PCIe است.
شکاف PCI Express یک روش مدرن برای گسترش قطعات بر روی رایانه یا سرور است که با استفاده از کابل مخصوص به مادربرد متصل می‌شود. این شکاف از روش Lane برای ارتباط بین مادربرد، سیستم و سایر قطعات سخت‌افزاری استفاده می‌کند. اطلاعات از طریق جفت‌های سیگنالینگ ارسال و دریافت می‌شوند و سرعت انتقال بر اساس تعداد خطوط شکاف PCI Express تعیین می‌شود.
شکاف PCIe به کاربران امکان می‌دهد که کارت‌های توسعه را به مادربرد اضافه کنند و عملکرد دستگاه‌های خود را بهبود بخشند. این شکاف‌ها در اندازه‌های مختلفی در بازار موجود هستند که هر یک برای عملکرد خاصی طراحی شده‌اند.
انواع اسلات PCI Express
انواع اسلات PCI Express در مادربورد براساس اندازه آن تعیین می‌شود و هر اندازه اسلات PCIe با تعداد خطوط خود نمایان می‌شود. به‌طور کلی پنج اندازه فیزیکی کارت PCIe وجود دارد، که چهار نوع پیکربندی آن یعنی x1، x4، x8 و x16 رایج‌تر هستند. اما پیکربندی فیزیکی پنجم یعنی اسلات PCIe x32 یا FYI که دارای حداکثر 32 خط است، بسیار نادر و جزو جریان اصلی قرار نمی‌گیرد.
عدد بعد از “X” به تعداد خطوط در اسلات PCIe اشاره دارد. به عنوان مثال یک کارت PCIe x4 دارای چهار خط است و می‌تواند داده‌ها را با 4 بیت در هر چرخه جابه‌جا کند. در بیشتر موارد، هرچه تعداد خطوط اسلات بیشتر باشد، سخت‌افزار نیز عملکرد بهتری خواهد داشت.
باید توجه داشته باشید که مقدار خطوط PCIe یک رایانه یا سرور توسط CPU و مادربرد مشخص می‌شود که با نگاه کردن به مشخصات CPU و CHIPSET مادربرد معلوم می‌شود.
نسل های مختلف پی سی آی ای (PCIe)
استانداردهای PCIe در حال حاضر شامل پنج نسل PCIe 1.0، PCIe 2.0، PCIe 3.0، PCIe 4.0 و PCIe 5.0 می‌شوند که هر نسل نسبت به نسل قبل پهنای باند دو برابری ارائه می‌دهد. شایان ذکر است که استاندارد PCIe 6.0 در ژانویه 2022 معرفی شد.
PCIe 4.0
استاندارد PCIe 4.0 در سال 2017 معرفی شد و توانایی پردازش 64 گیگابایت بر ثانیه را ارائه داد. این استاندارد برای سرورهای سطح سازمانی قابل استفاده بود، اما استفاده از آن برای SSDها از سال 2019 ممکن شد. پردازنده‌های سری Ryzen 3000 از شرکت AMD که در جولای 2019 عرضه شدند، اولین پردازنده‌های دسکتاپی هستند که به طور پیش‌فرض از PCIe 4.0 x16 پشتیبانی می‌کنند. برای بهره‌برداری کامل از این استاندارد، کاربران به مادربردهای جدید با چیپست X570 نیاز دارند.
PCIe 5.0
استاندارد PCIe 5.0 در ماه مه سال 2019 معرفی شد و توان عملیاتی 128 گیگابایت بر ثانیه را فراهم می‌کند. این استاندارد با نسل‌های قبلی PCIe سازگار است و ویژگی‌های جدیدی از جمله تغییرات الکتریکی برای بهبود یکپارچگی سیگنال و اتصالات CEM سازگار به سمت عقب برای اضافه کردن کارت‌ها را ارائه می‌دهد. اولین دستگاه‌های PCIe 5.0 در سال 2022 برای مشتریان سازمانی معرفی شدند و محصولات مصرفی نیز به دنبال آن عرضه شدند.
PCIe 6.0
استاندارد PCIe در سال 2022 معرفی شد که در همان حداکثر تعداد خطوط 16، پهنای باند استاندارد PCIe 5.0 را دو برابر می‌کند و به 256 گیگابایت بر ثانیه می‌رساند. همچنین نرخ انتقال داده به 64 انتقال گیگابیت در ثانیه (GT/s) در هر پین رسیده است که از نرخ داده 32 انتقال گیگابیت در ثانیه (GT/s) استاندارد PCIe 5.0 بیشتر است؛ بنابراین PCIe 6.0 با نسل‌های قبلی PCIe سازگار است.
مقایسه سرعت نسل‌های PCIe
عملکرد کلی اسلات PCIe به‌طور قابل توجهی تحت تاثیر نسل PCI Express در مادربورد است. هر نسل جدید سرعت هر خط را دو برابر می‌کند. به‌عنوان مثال یک PCIe x1 V 3.0 دارای توان خروجی 985 مگابایت بر ثانیه است، در حالی که PCIe x1 V 4.0 دو برابر سرعت یعنی 1969 مگابایت بر ثانیه دارد.
در هر نسل به‌روز‌رسانی‌هایی در استاندارد PCIe انجام گرفته و هر بار پهنای باند نیز به شدت افزایش یافته است. همچنین بهبود عملکرد و مدیریت انرژی نیز در هر نسل با تغییراتی همراه است.
در آخرین نسل به بازار عرضه شده یعنی PCIe 4.0 دارای نرخ داده 16 GT/s است که در مقایسه با نسخه قبلی خود که 8GT/s بوده، دو برابر افزایش یافته است. همچنین هر پیکربندی خط PCIe 4.0 از پهنای باند دو برابر PCIe 3.0 نیز پشتیبانی می‌کند که حداکثر به 32 گیگابایت بر ثانیه در اسلات 16 خطی و 64 گیگابایت بر ثانیه می‌رسد.
توجه داشته باشید که تمامی نسخه‌های کارت PCIe با نسخه قبلی سازگار هستند. یعنی هر نسخه از کارت PCIe و مادربرد می‌توانند در حالت پایین‌تر نسخه با هم کار کنند.
PCIe چگونه کار می‌کند؟
در روزهای اول عمر پردازش، حجم زیادی از داده از طریق کانکشن های سریال منتقل می‌شد. کامپیوترها داده را در بسته ها قرار داده و از جایی به جای دیگر ارسال می‌کردند. ارتباطات سریال قابل اطمینان بودند اما سرعت کمی داشتند. در نتیجه به سمت استفاده از کانکشن های موازی و پارالل رفتیم تا همزمان چندین قسمت از داده را انتقال دهیم.
اما ارتباطات موازی هم مشکلات خود را دارند چرا که سرعت بالا باعث می‌شود سیم ها روی یکدیگر تاثیر الکترومغناطیسی بگذارند. در نهایت باز هم حرکت برگشتی به تکنولوژی کانکشن های سریالی بهینه شده آغاز شد. با این هدف، تغییراتی در سخت افزار و فرآیند تقسیم و برچسب زنی و ری اسمبل کردن بسته ها انجام شد که منتهی به سریال کانکشن های پرسرعت شد مانند USB 2.0 و FireWire.
PCI Express کانکشن سریالی است که بیشتر شبیه به شبکه کار می‌کند تا باس. به جای اینکه باسی وجود داشته باشد که داده های چندین منبع را مدیریت کند، سوییچی دارد که اتصالات سریالی نظیر به نظیر و متفاوت را مدیریت می‌کند. این اتصالات، بین سوییچ و دستگاهی که قرار است داده به آنحا برود، وجود دارد و هر دستگاه هم اتصال مختص به خودش را دارد. با این توضیح می‌بینیم که دیگر لازم نیست پهنای باند همانند آنچه که در باس معمولی اتفاق می‌افتد، به اشتراک گذاشته شود.
اساس طراحی معماری PCI Express بطور کلی با باس PCI تفاوت دارد. PCI Express از طرح انتقال اطلاعات سریال استفاده می‌کند و بنابراین در فرکانس‌های بالاتری می‌تواند کار کند و نیز نرخ انتقال اطلاعات قابل دسترس بطور همزمان در هر دو جهت (ارسال و دریافت داده‌ها) یکسان است.
