Serielle Schnittstellen: Wie funktioniert PCI Express?

Serielle High-Speed-Links erscheinen irgendwie magisch. Wir erklären am Beispiel von PCI Express, welche Techniken sie ermöglichen - und warum.

Artikel von Johannes Hiltscher veröffentlicht am
An der Schnittstelle von digitaler zu analoger Welt braucht es Magie.
An der Schnittstelle von digitaler zu analoger Welt braucht es Magie. (Bild: Pixabay)

PCI Express (PCIe) verbindet in jedem PC und auch in vielen anderen Geräten den Prozessor mit anderen Komponenten. Grafikkarten ermöglicht die aktuell verfügbare Version 4 des Standards die Übertragung von knapp 32 GByte an Daten pro Sekunde. Damit wurde die Datenrate gegenüber der ersten Version verachtfacht.

In diesem Artikel zeigen wir, welche Magie an der Schnittstelle von digitaler und analoger Welt hierzu erforderlich ist und wie mittels Codierung und mathematischer Analyse immer höhere Datenraten erreicht werden.

PCIe steht hier stellvertretend für viele serielle Schnittstellen. HDMI, SATA, Displayport und USB (ab Version 3.0) nutzen die gleichen Techniken. Sie alle übertragen Daten als seriellen Bitstrom. Manche nutzen mehrere serielle Verbindungen, bei PCIe sind es bis zu 16. Eine einzelne Verbindung wird bei PCIe als Lane bezeichnet. Außerdem nutzen alle differentielle Signale. Dies bedeutet, dass für jede einzelne Verbindung zwei Signalleitungen genutzt werden.

PCIe setzt im Vergleich zu den anderen oben genannten Standards Neuerungen aufgrund der geforderten hohen Datenraten oft sehr früh um. Daher und wegen seiner großen Verbreitung und Bekanntheit nutzen wir es hier als Beispiel.

Serielle haben parallele Schnittstellen verdrängt

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Serielle Schnittstellen haben in den vergangenen knapp 20 Jahren ihre parallelen Vorgänger verdrängt. Sie können wesentlich besser mit den gewachsenen technischen Möglichkeiten Schritt halten. So ersetzte PCIe das parallele PCI. Die Gründe sind komplex und verdienen einen eigenen Artikel.

Eine parallele Verbindung überträgt immer ein oder mehrere Bytes gleichzeitig. Bei seriellen Verbindungen hingegen zerlegt im Sender der Serialisierer die zu sendenden Bytes in ihre einzelnen Bits. Die werden als analoges Signal über einen Leiter zum Empfänger geschickt, wo der Deserialisierer sie wieder zusammensetzt. Auf diese Weise erhält er die Daten, die der Sender übertragen hat. So weit, so einfach.

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Wer genau hinschaut, hat sich allerdings vielleicht schon einmal gewundert, warum die Bitrate nie der Datenrate in Byte pro Sekunde entspricht. Besonders auffällig ist das bei PCIe Version 1 und 2.x - hier lag die maximale (theoretische) Datenrate bei 250 beziehungsweise 500 MByte pro Sekunde und einzelner Verbindung (Lane). Das ist jeweils ein Zehntel der Bitrate (die nennt PCIe Transferrate): 2,5 und 5 Gigatransfers (GT/s), also einzelne Bits, pro Sekunde.

  • Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)
  • Überlagerter Spannungsverlauf vieler Signalwechsel: das Eye diagram. In der Mitte sollte der Empfänger auswerten. (Bild: Cadence)
  • Prinzip der Taktsynchronisation: Abgleich zwischen Empfangstakt und Datensignal (Bild: Johannes Hiltscher)
  • PCIe nutzt ein Schichtenmodell. Mittels spezieller Codewörter können Kommandos direkt ans Physical Layer gesendet werden. (Bild: National Instruments)
  • Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)
  • Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)
  • Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)
  • Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)

Aber ein Byte besteht doch aus acht Bits, also sollte die Datenrate ein Achtel der Transferrate betragen! Richtig, allerdings benötigen serielle Verbindungen eine Prise Magie, um verlässlich zu funktionieren.

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hoffelmann 31. Jan 2022

Seh ich genauso. ich fand den Matapher nicht wirklich hilfreich und irgendwie fehl am Platz.

bananaking 25. Jan 2022

Jetzt kommt mit der nächsten Gen mal mehr als drei Pegel, ja wahnsinn! Ja ich weiss...

LordSiesta 24. Jan 2022

Ich auch. Der war sehr unterhaltsam und lehrreich. Perfekt.

BTFLV 24. Jan 2022

Danke für die Korrektur. Dass elektrische Signale analog sind, ist aus der Sicht ja...



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