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画像シリアル転送にみるPCI-Expressの活用法 ー その1

歴史:なぜPCI-Expressが必要なのか?

現在主流であるPCIバスはISAバスに代わるローカルバスとして1992年に発表されたバスで、LANやSCSI等、広く利用され、実績もある汎用バスです。 当初はバス幅32bit/クロック33MHzであったもののその後Rev2.1の規格が制定されるにあたりバス幅64bit/クロック66MHzもサポートされ、高速バス転送も可能となりました。 また、より高速転送向けとしてバス幅32/64bit、最大クロック133MHzであるPCI-Xも規定されており、サーバやエンタープライズ分野で採用されています。 但し、パラレルインターフェースであるPCI,PCI-Xはこれ以上のバス幅を増やすことやクロックアップをすることが物理的に難しくなり、近年になり従来のPCI、PCI-Xに代わるバスとして今後10年間に渡って拡張性や転送速度の増大に耐えうるバスとしてPCI-Expressが提唱されることになりました。 FA分野においてもより高精細な画像データの処理やセキュリティの必要性が増大することによるデータ量の増大が予想されPCI-Expressの採用は今後必須になるものと思われます。

なぜシリアルなのか?

PCIはパラレルバスです。表1表2のようにPCIの転送レートも時代とともに進化しています。これ以上の転送レートを実現するためにはパラレルバスでは限界が生じてきます。クロック同期式のパラレルバスは、1クロックに複数のビットを同時に送信が可能ですが、受信側もすべてのビットを同時に届く必要があります。クロック周波数があがると各ビットにスキュー(信号遅延)が発生しマージン(余裕度)が少なくなります。これらの問題を解決する為に、プリント基板上で各ビットのパターン長を等長配線したり、送信デバイスと受信デバイスの配置を可能な限り近づけたりしマージンを確保してきました。しかし、クロック周波数が100MHz以上(10nS以下)になるとスキューの影響で十分なマージンを確保できず、ビットバケ等の不具合が発生する可能性が高くなります。(図1参照)これらを解決する為にスキューの制限を受けないシリアルバスを採用する必要があります。PCI Expressは8B/10B変換を行うことにより、通信帯域をGHz帯に対応できるように工夫されています。

表1・PCIバスの転送レート

PCI規格
バス幅
動作周波数
転送レート
*1:2倍の周波数で動作
*2:4倍の周波数で動作
*3:数値は送信と受信の両方向。
*4:レーン数最大32の時転送レートは16GB/s
PCI
32bit
33MHz
133MB/s
32bit
66MHz
266MB/s
64bit
33MHz
266MB/s
64bit
66MHz
533MB/s
PCI-X1.0
64bit
66MHz
533MB/s
64bit
133MHz
1066MB/s
PCI-X2.0
64bit
133MHz DDR*1
2133MB/s
PCI-X2.0
64bit
133MHz QDR*2
4266MB/s
PCI Express 1.1
Serial
5.0Gbps*3
500MB/s x レーン数*3*4

表2・動作周波数とスロット数の関係

PCI規格
動作周波数
スロット数
*1:数値は送信と受信の両方向。
*2:PCI Expressの接続は1対1。よってスロット拡張数はスイッチデバイスに依存。
PCI
33MHz
6
66MHz
2
PCI-X
66MHz
4
100MHz
2
133MHz
1
PCI Express1.1
5.0Gbps*1
Switchに依存*2

 

PCI Expressはどのようなところで使用されるか

現在、数多くのシリアルインターフェイスが規格化されています。シリアルインターフェイスにはチップ間を接続する小規模なものから数メートル以上も離れた装置間を接続するものまでさまざまな規格が存在します。図2(a)に主なシリアルインターフェイス規格とエリアごとの分布を示します。図2(b)~(d)にPCI Expressの適用事例を示します。図2(b)はコンピュータ内部のブロック図となっておりチップセットを介してPCI Expressと接続されています。PCI Express x16のグラフィックボードや汎用のExpress x1ボードと接続する事が可能です。図2(c)はコンピュータの外部ポートを示すブロック図となります。Express Cardやブリッジチップを介してギガビットイーサネットへの接続を可能とします。図2(d)はコンパクトPCIのJ4コネクタにPCI Express x1を実装したACP-130(アバールデータ製)のブロック図です。バックプレーンにを介して他のモジュールとPCI Expressによる接続が可能となります。物理形状、コネクタのピンアサインはオリジナル仕様となります。

【図2の説明】

InterConnect コンピュータ内部のチップ間、ボード間インターフェイス
SAN(Storage Area Network) 記憶装置(ハードディスクなど)とコンピュータ間のインターフェイス
LAN(Local Area Network) 同じ建物内のコンピュータ間や周辺装置のインターフェイス