USB и PCI Express: перспективные интерфейсы для встраиваемых систем

USB и PCI Express — две интерфейсные технологии, которые за последние 20 лет получили широкое распространение в промышленности, компьютерных системах и потребительской электронике. За это время технологии в соответствии с растущими потребностями рынка прошли несколько этапов увеличения скорости передачи данных и улучшения функциональных возможностей, поддерживая в то же время совместимость с предыдущими поколениями аппаратуры и программного обеспечения. Высокая надежность этих интерфейсов привлекает внимание и другие отраслевые сегменты рынка, например, сегмента встраиваемых систем, в которых с успехом используется широкая доступность и низкая стоимость интерфейсов, обусловленная крупносерийным производством.

USB 3.0 — сверхскоростной интерфейс USB

USB-технология пережила значительный прогресс с момента появления в 1995 г. в качестве простого интерфейса типа plug-and-play для подключения мыши и клавиатуры. Первая версия интерфейса, известная как USB 1.0, имела скорость передачи данных 1,2— 12 Мбит/с. В начале 2000 г. была представлена версия USB 2.0, которая поддерживает скорость до 480 Мбит/с, что позволило создать множество приложений, требующих высокой передачи данных. В настоящее время интерфейсом USB 2.0 комплектуются видеокамеры, приводы внешнего диска, флэш-устройства, цифровые фотоаппараты, принтеры, сетевые адаптеры и широкий ряд других приложений потребительской электроники. Интерфейс USB – ключевое звено реализации цифровой революции в потребительской электронике.

Использование интерфейса USB 2.0 в таких приложениях, требующих широкой полосы пропускания, как видеоплееры и драйверы высокоскоростных дисков, показало, что в них ввод/вывод данных стал узким местом, поэтому была разработана следующая версия интерфейса — USB 3.0. Эта версия появилась в 2008 г. Она известна также под названием «Сверхскоростной интерфейс USB» (SuperSpeed USB). USB 3.0 обеспечивает десятикратное улучшение быстродействия по сравнению с USB 2.0 и поддерживает скорость 5 Гбит/с. Кроме многократного увеличения скорости, в USB 3.0 реализованы дополнительные возможности, такие как повышенное напряжение питания шины, управление питанием и явная маршрутизация пакетов. В таблице 1 сравниваются ключевые особенности USB 2.0 и USB 3.0.

Таблица 1. Сравнение USB 2.0 и USB 3.0

Характеристики	USB 2.0	USB 3.0
Скорость передачи данных	12 Мбит/с и 480 Мбит/с	5 Гбит/с
Интерфейс данных	Полудуплексный, дифференциальная пара	Двойной симплексный, две дифференциальные пары
Транзакции	Хост-ориентированная, широковещательная рассылка пакетов	Хост-ориентированная, маршрутизация пакетов
Питание шины	Высокий/низкий уровень напряжения питания	Увеличенное на 50—80% напряжение питания по сравнению с версией 2.0

Разъемы интерфейса USB 3.0 совместимы с предыдущей версией USB 2.0, что обеспечивает простоту их включения и использования. Хотя разъемы совместимы, в действительности они различаются, т.к. интерфейс USB 3.0 требует дополнительных сигналов для поддержки дуплексной высокоскоростной связи и питания. Имеются некоторые ограничения на длину кабеля USB 3.0 по сравнению с предыдущей версией, поскольку скорость передачи сигналов значительно выше.

Хотя производители x86-совместимых процессоров только собираются выпускать устройства с поддержкой USB 3.0, несколько вендоров уже представило такие продукты и реализует их крупными партиями. Высокая скорость, новые функциональные возможности и доступность в кремниевом исполнении обеспечат успешное применение интерфейса USB 3.0 для быстродействующего ввода/вывода данных во встраиваемых системах, приводах жесткого диска, видео высокого разрешения и многоканальных аудиосистемах. Кроме того, в настоящее время получают развитие такие усовершенствованные системы хранения данных как DAS (Direct Attached Storage) и NAS (Network Attached Storage), в которых USB 3.0 позволяет достичь максимальной производительности (см. рис. 1 и 2).

Рис. 1. Применение интерфейса USB в системе DAS

Рис. 2. Применение интерфейса USB в системе NAS

PCI Express

Интерфейс PCI Express (PCIe) был представлен, когда производительность и возможности параллельной шины PCI достигли максимума при 64-разрядной ширине шины и тактовой частоте 133 МГц. PCIe представляет собой кардинальное расширение шины PCI. Этот интерфейс реализует последовательную технологию межсоединений типа «точка-точка». Интерфейс PCIe прошел несколько этапов увеличения производительности от 2,5 Гбит/с до 8 Гбит/с и совершенствования функциональных возможностей в соответствии с требованиями встраиваемых, графических, коммуникационных приложений и систем хранения данных. Совершенствуя быстродействие и функционал, интерфейс PCIe каждого нового поколения, как и USB, поддерживает совместимость с предыдущими версиями в трех ключевых для встраиваемых систем требованиях: стеке программ, форм-факторе и протоколе. В таблице 2 приведено сравнение версий интерфейса PCIe 2.0 и 3.0. Ожидается, что устройства на базе PCIe 3.0 со скоростью передачи данных 8 Гбит/с будут выпущены в текущем году.

Таблица 2. Сравнение PCIe 2.0 и PCIe 3.0

Характеристики	PCIe 2.0	PCIe 3.0
Скорость передачи сигналов	5 Гбит/с	8 Гбит/с
Скорость передачи данных	4 Гбит/с	7,9 Гбит/с
Интерфейс данных	Дуплексный, дифференциальная пара
Транзакции	Хост-ориентированное одноранговое соединение
Питание шины	Мощность свыше 100 Вт
Расширение протокола	Расширение r2.1	Включено

Как и USB, интерфейс PCIe предназначен для приложений все возрастающего числа отраслевых сегментов. Этот интерфейс обеспечивает передачу данных в канале с масштабируемой полосой пропускания между центральным процессором и портами ввода/вывода сервера; согласует скорость передачи в интерфейсах SAS/SATA и в оптоволоконном канале (Fibre Channel, FC) для устройств хранения данных; обеспечивает высокоскоростные каналы управления или каналы пакетной обработки в коммуникациях; обслуживает каналы аудио/видеопроцессоров реального времени в потребительской электронике и позволяет реализовать широкополосные последовательные каналы во многих встраиваемых приложениях.

Серверы, смонтированные в стойках, и блейд-серверы. Эти высококачественные приложения можно разделить на два класса — смонтированные в стойках серверы и блейд-серверы.

Графика. Эти приложения являются основной движущей силой технологии PCIe, т.к. соответствующее серийное производство компонентов снижает их стоимость. Стремительный рост продолжается, например, в области видеоигр, поэтому поставщики графических чипов стараются обеспечить передовые характеристики своей продукции за счет внедрения графических процессоров высокого разрешения.

Распределение видеоданных. Главной тенденцией, которая позволяет увеличить производительность и улучшить возможности настольных издательских систем, CAD, CAM, CAID, систем финансового анализа, биржевых продаж, разработки программного обеспечения, моделирования и анимации, является использование нескольких мониторов с помощью интерфейса PCIe.

Системы хранения данных. PCIe обеспечивает межсоединение между интерфейсами систем хранения данных, например FC, SCSI и SATA, и управляющими процессорами.

Промышленные/встраиваемые приложения. Технология PCIe введена многими органами по стандартизации в промышленные и встраиваемые приложения, например телекоммуникации, системы MicroTCA и AMC-системы. PCIe-коммутаторы от компании PLX Technology используются для связи встраиваемых и сетевых процессоров благодаря интегрированным в них интерфейсам PCIe.

Системы безопасности. При использовании большого числа установленных камер высокого разрешения требуется увеличение пропускной способности системы. Например, устройство захвата изображения принимает сигналы от видеокамер, обрабатывает их и передает информацию на главный компьютер для анализа и выполнения соответствующих процедур (см. рис. 3).

Рис. 3. Применение интерфейса PCIe в системе видеонаблюдения

Платы цифровых видеомагнитофонов и ТВ-тюнеры. В настоящее время платы цифровых видеомагнитофонов комплектуются обычными PCI-интерфейсами. Однако в связи с заменой слотов PCI на PCIe платы цифровых видеомагнитофонов следующего поколения будут оснащены PCIe-интерфейсом.

Сравнение интерфейсов PCIe и USB

Сравнивая интерфейсы PCIe 2.0 и USB 3.0, можно отметить ряд совпадений и отличий, которые следует учитывать при разработке встраиваемых приложений.

Одноранговое соединение. USB-концентратор поддерживает множество конечных устройств, однако эти устройства не способны обмениваться трафиком друг с другом. PCIe-коммутаторы поддерживают одноранговую связь. Сконфигурированные главным компьютером, конечные устройства могут непосредственно связываться друг с другом. Однако необходимо тщательно подходить к выбору поставщика коммутатора, т.к. некоторые поставщики требуют поддержки однорангового соединения со стороны центрального процессора.

Кабель и разъемы. Кабели и разъемы для USB обеспечивают полную совместимость всех версий. Широкое использование USB-интерфейса в потребительской электронике обеспечило низкую стоимость разъемов и кабелей для всех версий USB. Разработка кабелей и разъемов для PCIe в силу ряда причин была слишком затянута. В результате, создание спецификации на кабель PCIe 1-го поколения заняло слишком много времени и стало весьма сложным, поэтому до настоящего времени стоимость кабеля и разъемов все еще чрезмерно высока. Хотя интерфейс PCIe 2-го поколения появился в начале 2007 г., разработка спецификации на кабель для данной версии еще не завершена. Это было вызвано желанием вендоров быть в стороне от разработки спецификации на PCIe или проектировать разъемы и кабели для своих нужд.

Полоса пропускания. USB 3.0 работает на скорости 5 Гбит/с и обеспечивает 4,8-Гбит/с полосу пропускания в обоих направлениях, что делает их весьма привлекательными для множества потребительских и встраиваемых приложений. PCIe 3-го поколения работает на скорости 8 Гбит/с, обеспечивая эффективную полосу пропускания 7,9 Гбит/с после кодирования, а PCIe 2-го поколения работает на скорости 5 Гбит/с, обеспечивая 4-Гбит/с полосу пропускания после кодирования. PCIe не только превосходит USB по полосе пропускания, но также допускает масштабирование полосы пропускания до 16 раз за счет использования 16 PCIe-трактов в одном канале данных. Увеличить пропускную способность таким способом можно в 2, 4, 8 и 16 раз.

Качество сервиса. USB не обеспечивает какой-либо вид сервиса, и он не требуется в большинстве приложений, которые обслуживает интерфейс. PCIe поддерживает сервис благодаря множеству виртуальных каналов, арбитражу портов и наличию классов трафика. Встраиваемые приложения могут воспользоваться этим сервисом.

Восстановление работоспособности. USB не обеспечивает какой-либо механизм восстановления работоспособности системы после сбоя в канале. PCIe поддерживает положительное подтверждение приема пакетов данных, пересылаемых между устройствами, и ретранслирует их в случае сбоя. PCIe также поддерживает уменьшение ширины портов и/или скорости в канале, если фиксируется слишком много сбоев.

Управление питанием. USB поддерживает некоторые функции управления питанием. PCIe поддерживает все функции управления питанием на уровне устройства, канала и системы.

Расширения протокола. В USB 3.0 была проведена некоторая оптимизация протокола для поддержки маршрутизации пакетов на базе адресов вместо широковещательной рассылки через USB-концентратор. Специальная группа PCI-SIG разработала значительный список расширений протокола для того, чтобы разработчики имели возможность улучшать производительность системы и управлять потребляемой мощностью.

В заключение следует отметить, что как PCIe, так и USB, являются весьма ценными технологиями для разработчиков встраиваемых систем. Интерфейс USB весьма полезен для организации связи с периферией благодаря недорогому кабелю и разъему и повсеместной доступности. К сожалению, этот интерфейс нельзя масштабировать для канала данных со скоростью выше 4,8 Гбит/с. PCIe обеспечивает недорогую альтернативу для межсоединений во многих встраиваемых приложениях. PCIe хорошо масштабируется для поддержки приложений с широкой полосой пропускания и обеспечивает ряд расширений, по сравнению с простыми каналами данных, например Ethernet.

Литература

1. Akber Kazmi. USB and PCI Express: Advanced, Evolving Interconnects for Embedded Systems//RTC Magazine. April 2010.