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Le PC change de BUS

Youssef Belgnaoui
- PCI Express va progressivement remplacer le bus PCI à bord des PC. Il promet des vitesses de transfert gigantesques.

PCI Express : tout est dit dans le nom de ce bus, qui va peu à peu équiper tous les PC. "PCI" car... il est destiné à remplacer le bus PCI qui équipe les ordinateurs, tout en préservant la compatibilité logicielle. "Express" car il offre des cadences de transfert de données bien plus importantes. Il faut dire qu'avec sa dizaine d'années de bons et loyaux services, l'interface d'interconnexion des composants périphériques PCI (Peripheral Component Interconnect) commence à s'essouffler et montre ses limites en terme de bande passante. À tel point que l'interface graphique AGP (Accelerated Graphics Port) l'a déjà remplacé sur les PC, pour accroître les performances du circuit vidéo sans saturer la bande passante du bus PCI que se partagent tous les périphériques.

Introduit au début des années 1990, le bus PCI a tout d'abord permis d'unifier l'architecture d'interconnexion des entrées/sorties (E/S) des PC sur un marché qui comptait alors une multitude de bus : VESA, EISA, ISA, Micro Channel, NuBus et Sbus notamment. Il fut d'abord mis en oeuvre en tant que système d'interconnexion de circuit à circuit, et remplaça très rapidement le bus ISA.

Durant les premières années, dans sa version initiale (33 MHz), il répondait parfaitement aux exigences en bande passante des périphériques d'E/S de l'époque. Mais la situation a beaucoup évolué. Les fréquences de fonctionnement des processeurs et des mémoires ont augmenté. La bande passante du bus PCI aussi, puisque de 33 Mhz elle atteint aujourd'hui 66 MHz. Une augmentation très insuffisante, comparée à celle de la vitesse des processeurs (de 33 MHz à 3 GHz). C'est encore plus vrai si l'on considère les technologies d'E/S émergentes comme l'Ethernet Gigabit et le bus IEEE 1394B (Firewire). Elles peuvent à elles seules monopoliser toute la bande passante disponible du PCI avec un seul périphérique ! D'autant plus que, si le bus PCI actuel offre un débit théorique de 133 Mo/s, « il n'est en pratique que de 80 Mo/s à cause de la topologie du bus et de la part réservée au protocole ; cette bande passante doit, en outre, être partagée entre tous les périphériques reliés à ce bus », souligne Étienne Suc, responsable expertise chez National Instruments.

Des périphériques reliés point à point

La structure parallèle du PCI atteint donc la limite de ses capacités de transfert de données asynchrones, notamment pour les applications de streaming audio et vidéo qui exigent une bande passante garantie et des temps d'attente déterministes. PCI Express leur ouvre de nouvelles perspectives, en éliminant le goulet d'étranglement inhérent au bus PCI. il abandonne pour cela l'architecture parallèle pour faire appel à une communication série. Avec PCI Express, les périphériques sont reliés par des liaisons point à point.

L'interface physique du PCI Express comporte deux liaisons série unidirectionnelles : une pour l'émission et l'autre pour la réception de signaux. Le débit est de 2,5 Gbit/s dans chaque direction, soit un débit théorique d'environ 250 Mo/s. « En retirant les bits de contrôle et d'initialisation, le taux de transfert utile est de l'ordre de 200 Mo/s, bien supérieur à celui du bus PCI qui, en pratique, ne dépasse pas les 80 Mo/s », précise Étienne Suc.

Une architecture évolutive

Si cette cadence est insuffisante, rien n'empêche de faire fonctionner plusieurs liaisons série... en parallèle. L'architecture PCI Express est en effet évolutive. Il suffit pour cela d'ajouter des canaux de base (un lien série pour l'émission, un autre pour la réception) pour former des voies multiples. En conséquence, selon les spécifications, la taille des connecteurs accueillant les cartes d'extension n'est plus figée. Ces connecteurs peuvent être composés de 1, 2, 4, 8, 16 ou 32 voies. Le bus PCI Express se décline donc en plusieurs versions : 1x, 2x, 4x, 8x, 16x et 32x selon le nombre de voies mises en oeuvre. Les octets à transmettre se répartissent sur celles-ci. La bande passante augmente en fonction du nombre de canaux. Elle passe ainsi de 250 Mo/s en version 1x à 8 Go/s en version 32x. Et ce n'est qu'un début puisque si la cadence de transfert de première génération est de 2,5 Gbit/s sur une liaison série, celle de la seconde génération devrait atteindre 5 Gbit/s. « Elle pourra, à plus long terme, tutoyer les 10 Gbit/s et atteindre ainsi la limite de transmission de signaux sur des conducteurs en cuivre. Pour aller plus loin, il faudra passer à l'optique », observe Étienne Suc.

Par son architecture radicalement différente et ses débits de données gigantesques, PCI Express se démarque complètement de son aîné. La compatibilité logicielle entre les deux bus est pourtant assurée. C'était une condition de départ à la définition des spécifications de PCI Express. Ainsi, à l'instar du PCI, le système d'exploitation (OS) identifie automatiquement toutes les cartes connectées au bus, et leur assigne les ressources systèmes dont elles ont besoin (mémoire, interruptions, etc.). En pratique, tous les OS seront à même de gérer sans aucune modification des périphériques PCI Express. Toutefois, la possibilité d'insertion et l'extraction à chaud des cartes, qui fait partie des spécifications de PCI Express, ne sera pas supportée par les OS actuels. Il faudra donc attendre la prochaine version des OS pour pouvoir connecter une carte sans avoir à redémarrer le PC.

La compatibilité de PCI Express avec le modèle d'adressage du PCI va aussi permettre de migrer d'un matériel PCI vers son équivalent PCI Express, sans que les applications logicielles soient modifiées. La carte PCI Express sera vue par le logiciel comme s'il s'agissait d'une carte PCI. Les appels se font comme s'il s'agissait d'un mode de transfert parallèle des données. Une couche logicielle basse assure la transcription série.

La migration sera progressive

Au-delà de ces caractéristiques, le standard PCI Express présente d'autres atouts. Il devrait notamment réduire le coût de production des cartes mères et des cartes d'extension. Alors qu'une carte mère de 6 ports PCI intègre plus de 1 000 pistes métalliques, une carte mère de 6 ports PCI Express sera équipée de moins de 400 pistes. Cela réduira de fait la place réservée aux ports sur la carte mère et diminuera du même coup la taille des cartes d'extension. Pour les PC portables, le standard ExpressCard a été défini. Des cartes de 34 et 54 mm (75 mm de long et 5 mm d'épaisseur) remplaceront les modules PC Card (85,6 mm de long, 54 mm de largeur et 3,3 à 10,5 mm d'épaisseur).

Les performances du bus PCI répondent encore aux besoins de la plupart des applications. La transition des PC vers le PCI Express se fera donc progressivement. Les nouveaux PC vont intégrer des emplacements pour les périphériques PCI et PCI Express pour, à plus long terme, ne posséder que des emplacements pour cartes PCI Express. On verra donc pour quelques années encore des emplacements de bus PCI cohabiter avec des connecteurs PCI Express.

LES PREMIÈRES CARTES ARRIVENT...

- Jusqu'à présent, on parlait surtout du PCI Express pour son application dans les cartes graphiques, en remplacement du traditionnel port AGP (Accelerated Graphics Port). Une carte mère récente possède, en général, au minimum un connecteur PCI Express 16x, réservé à la carte graphique, ce qui fait de cette dernière le premier périphérique a adopté ce format. - Progressivement, d'autres types de cartes apparaissent sur le marché. Ainsi, le constructeur Syskonnect a présenté l'une des premières cartes réseau au format PCI Express 1x. Elle repose sur la technologie Gigabit Ethernet. - De son côté, National Instruments propose la première carte d'acquisition d'images au format PCI Express. La carte PCIe-1429, basée sur une version 4x du bus, acquiert l'équivalent du contenu d'un CD (680 Mo) en une seconde, à partir d'une caméra compatible Camera Link.

JUSQU'À 60 FOIS PLUS RAPIDE !

PCI Type de bus Parallèle de 32 bits Débit théorique 133 Mo/s Insertion à chaud (hotswapping) Non PCI Express Type de bus Série évolutif de 1 à 32 voies Débit théorique 2,5 Gbit/s par voie, ce qui correspond à une vitesse de 250 Mo/s sur un canal (1x) à 8 Go/s sur 32 canaux (32x) Insertion à chaud (hotswapping) Oui, sous réserve que le système d'exploitation le supporte.

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