Bereits im Frühjahr 2001 kündigte Intel auf dem Intel Developer Forum (IDF) eine neue Technologie an, die den PCI-Bus und die internen Verbindungen verschiedener Chips ersetzen sollte: die 3rd Generation I/O (3GIO)-Bustechnologie. Ende 2001 schlossen sich über 20 führende Unternehmen der Branche, darunter Intel, AMD, Dell und IBM, der PCI-SIG (PCI Special Interest Group) an und begannen mit der Ausarbeitung der 3GIO-Spezifikation. Der Entwurf wurde 2002 fertiggestellt, und 3GIO erhielt offiziell den Namen PCI Express. Auf dem IDF im Frühjahr 2003 stellte Intel seinen Produktentwicklungsplan für PCI Express vor. Aktuell sind Mainboards der 915-Serie und zahlreiche Grafikkarten mit PCI-Express-Technologie auf dem Markt erhältlich. Doch was sind die technischen Merkmale von PCI Express? Technische Highlights von PCI Express: Vom Parallel- zum Seriellen Ansatz. Im Vergleich zur gemeinsamen Parallelarchitektur des herkömmlichen PCI und früherer Computerbusse nutzt PCI Express eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen den Geräten. Dies ermöglicht jedem Gerät eine eigene, dedizierte Verbindung, ohne Bandbreite vom gesamten Bus anfordern zu müssen. Gleichzeitig erlaubt die serielle Verbindungstechnik deutlich höhere Datenübertragungsraten, die die Grenzen des PCI-Busses weit übertreffen. Eine einfache PCI-Express-Verbindung ist eine Simplex-Verbindung; eine serielle PCI-Express-Verbindung besteht aus zwei unabhängigen Verbindungen, die über unterschiedliche Niederspannungs-Signalpaare angesteuert werden: ein Empfangs- und ein Sendepaar (insgesamt vier Leitungen). Zwischen den beiden Schnittstellen wird über eine Spannungsdifferenz ein Differenzsignal übertragen. Die erste Generation von PCI-Express-Verbindungen bietet eine unidirektionale Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s über eine einzelne Leitung. Im Vergleich zum herkömmlichen PCI-Bus, der nur unidirektionale Übertragung in einem einzigen Taktzyklus ermöglicht, bietet die duale Simplex-Verbindung von PCI Express höhere Übertragungsraten und eine bessere Qualität, vergleichbar mit dem Unterschied zwischen Halbduplex und Vollduplex. PCI-Express-Seriellverbindungen nutzen zudem eine integrierte Takttechnologie (8b/10b-Codierung), bei der die Taktinformationen direkt in den Datenstrom geschrieben werden. Dies spart Übertragungskanäle und verbessert die Übertragungseffizienz im Vergleich zu den meisten Parallelbussen, die zusätzliche Taktsignale zur Synchronisierung benötigen. Ähnlich wie Serial ATA reduzieren serielle Verbindungen Signal- und elektromagnetische Interferenzen zwischen den Kabeln erheblich. Durch die geringere Anzahl an Übertragungsleitungen sparen sie Platz und ermöglichen größere Entfernungen (der pro Zeiteinheit übertragene Datenstrom kann eine größere Distanz zurücklegen als der Datenstrom mit unabhängigen Taktsignalen in einem Parallelbus). Eine PCI-Express-Verbindung kann aus mehreren Kanälen bestehen, die jeweils die oben genannten Singleton- und Duplex-Verbindungen (zwei Leitungspaare) umfassen. Dies ermöglicht serielle Mehrkanalverbindungen zwischen Geräten und Chips, wobei jeder Kanal unabhängig arbeitet. Eine PCI-Express-Verbindung kann mit Datenbandbreiten von x1, x2, x4, x8, x12, x16 und x32 konfiguriert werden. Der x1-Kanal erreicht eine unidirektionale Übertragungsrate von 312,5 MB/s (2,5 Gbit/s * 1/8 Bit). Die x32-Kanalverbindung bietet eine Rate von 10 GB/s. Unter Berücksichtigung des etwa 20%igen Overheads durch die 8b/10b-Codierung beträgt die tatsächliche Übertragungsrate ca. 8 GB/s (x32 unidirektional). Das PCI-Express-Schichtenprotokoll besteht aus drei Protokollschichten: Transaktions-, Sicherungs- und Bitübertragungsschicht. Bei der Datenübertragung zwischen Geräten wird jedes Gerät als Protokollstapel betrachtet. Auf der Senderseite werden die Daten zunächst auf der Transaktionsschicht in Pakete aufgeteilt und anschließend an die Sicherungs- und die Bitübertragungsschicht weitergeleitet. Jede Schicht fügt den vorhandenen Daten neue Header- oder Trailer-Informationen hinzu. Schließlich werden die Daten über die physikalische Verbindung an den Protokollstapel des Empfängergeräts übertragen. Auf der Empfängerseite werden die Pakete durch Umkehrung des Prozesses im Protokollstapel aus den Paketen der Senderseite rekonstruiert. Jede der drei Schichten hat ihre eigene Funktion. Die Bitübertragungsschicht ist für die Zusammenstellung und Zerlegung der Daten der Verarbeitungsschicht verantwortlich und steuert die Verbindungsstruktur und die Signale, um die Ende-zu-Ende-Kommunikation sicherzustellen. Dadurch wird die Übertragung legitimer Daten vom Sender zum Empfänger innerhalb der gesamten PCI-Express-Architektur ermöglicht. Die Datenverbindungsschicht gewährleistet die Integrität der Verbindung durch den gesamten Datenstrom mithilfe des ACK/NACK-Protokolls zur Fehlererkennung und -korrektur. Paketverarbeitung und Steckplätze: Die PCI-Express-Paketverarbeitung umfasst vier grundlegende Verarbeitungstypen: Speichertransaktionsverarbeitung, E/A-Transaktionsverarbeitung, Konfigurationstransaktionsverarbeitung und Informationsverarbeitung. Die PCI-Express-Datenverarbeitung nutzt eine grundlegende Flusssteuerung, um sicherzustellen, dass das empfangende Gerät über ausreichend Pufferressourcen verfügt, um Daten vom Sender zu empfangen (einschließlich Datengröße und -typ). PCI-Express-Schnittstellen variieren je nach Busbreite und umfassen x1, x4, x8 und x16 (der x2-Modus wird für interne Schnittstellen anstelle von Steckplatzmodi verwendet). Die bestehende PCI-Schnittstelle bleibt erhalten (ähnlich wie die ISA-Steckplätze auf dem Motherboard verblieben, als PCI ISA ablöste). Kürzere PCI-Express-Karten können in längere PCI-Express-Steckplätze eingesetzt werden (d. h. Karten mit geringerer Breite können in Steckplätzen mit größerer Breite verwendet werden). Das Steckplatzdesign ist aufrüstbar. PCI-Express-Karten unterstützen Hot-Swapping und Hot-Swap-Funktionen und sind mit drei Spannungen kompatibel: +3,3 V, 3,3 Vaux und +12 V. Angesichts des steigenden Stromverbrauchs von Grafikkarten verbesserte die PCI-Express-Spezifikation die Leistungsaufnahme aus dem Steckplatz. Die 16x-Version bietet eine maximale Leistung von 70 W, eine deutliche Verbesserung gegenüber der AGP-8x-Schnittstelle. Damit sind die Anforderungen zukünftiger Mittelklasse- bis High-End-Grafikkarten grundsätzlich erfüllt. Dies zeigt sich in den beiden Versionen der 6600GT, AGP und PCI Express, wobei letztere kein externes Netzteil benötigt. PCI Express unterstützt Spannungen , virtuelle Kanäle und Verkehrsklassen . Darüber hinaus unterstützt PCI Express virtuelle Mehrkanalübertragung pro Verbindung. Bis zu acht unabhängig voneinander gesteuerte Kommunikationsvorgänge können über eine einzige Verbindung laufen. Jede Kommunikation kann basierend auf der Verkehrsklasse (TC) des Datenpakets unterschiedlich verarbeitet werden. Bei Datenpaketen, die über PCI Express übertragen werden, werden die TC-Informationen (Transfer Control Point) an jedem Konvertierungs- oder Verbindungsendpunkt geprüft und entsprechend verarbeitet. Der TC-Deskriptor im Paketheader besteht aus 3 Bit, die verschiedene TC-Stufen repräsentieren. Dies dient demselben Zweck wie QoS (Quality of Service) in Netzwerken: Daten, die Echtzeitverarbeitung erfordern, erhalten eine höhere Übertragungspriorität, und Datenübertragungsverzögerungen werden vermieden. Neben Grafikkarten wird PCI Express bereits in Gigabit-Ethernet-Karten, TV-Tunerkarten, Videobearbeitungskarten und weiteren Geräten eingesetzt .