Tudo o que você precisa saber sobre a conexão PCI Express

De paralelo para serial

A conexão PCI Express representa um avanço extraordinário na forma como os dispositivos periféricos se comunicam com o micro. Ele diferencia-se do barramento PCI em vários aspectos, mas o principal deles é a forma com que os dados são transferidos. O barramento PCI Express é mais um exemplo de como as transferências de dados migraram da comunicação paralela para a comunicação em série. Outras interfaces que utilizam comunicação em série incluem a USB, a Ethernet (rede) e as portas SATA e SAS (armazenamento).

Antes do PCI Express, todos os barramentos e slots de expansão para PC usavam comunicação em paralelo. Na comunicação em paralelo, vários bits são transferidos através de um mesmo caminho de dados ao mesmo tempo, em paralelo. Na comunicação em série somente um bit é transferido através do caminho de dados por pulso de clock. Isto faz, à primeira vista, as comunicações em paralelo parecerem ser mais rápidas que as em série, já que quanto maior o número de bits transmitido por pulso de clock, mais rápida será a comunicação.

No entanto, as comunicações em paralelo apresentam problemas que impedem que elas alcancem clocks mais altos. Quanto mais alto o clock, a comunicação será mais susceptível a interferências eletromagnéticas e atraso de propagação.

Quando corrente elétrica passa por um fio, um campo eletromagnético é criado ao seu redor. Este campo pode induzir corrente elétrica em um fio adjacente, corrompendo a informação que está sendo transmitida através dele. Como na transmissão em paralelo vários bits são transmitidos ao mesmo tempo, cada bit transmitido utiliza um fio. Por exemplo, em uma comunicação de 32 bits (como as do slot PCI padrão), são necessários 32 fios apenas para a transmissão de dados, sem contar com sinais de controle adicionais que também são necessários. Quanto mais alto o clock, maior será o problema de interferência eletromagnética.

Figura 1: Bits chegam ao receptor corrompidos devido à interferência eletromagnética

Como comentamos anteriormente, na comunicação em paralelo cada bit é transmitido por um fio separado. No entanto, é quase impossível fazer com que 32 fios apresentem exatamente o mesmo comprimento na placa-mãe. Em clocks mais altos, dados transmitidos através de fios mais curtos chegam antes que dados transmitidos através de fios mais longos. Isto significa que alguns bits na comunicação em paralelo chegam com atraso. Consequentemente, o dispositivo receptor tem de esperar até que todos os bits sejam recebidos para que possa completar o processamento dos dados, o que representa uma considerável redução no desempenho. Este problema é conhecido como atraso de propagação e se torna pior em clocks mais altos.

Figura 2: Bits chegam ao receptor fora de ordem devido ao atraso de propagação

O projeto de um barramento que utiliza comunicação em série é mais simples de ser implementado do que o de comunicação em paralelo, já que menos fios são necessários para transmissão de dados. Em um típico sistema de comunicação em série, quatro fios são necessários: dois para a transmissão de dados e dois para recepção, usualmente com uma técnica contra interferência eletromagnética chamada cancelamento ou transmissão diferencial. Com a técnica de cancelamento, o mesmo sinal é transmitido através de dois fios, sendo que a transmissão do sinal no segundo fio é “espelhada” (polaridade invertida), como você pode ver na Figura 3. Quando o receptor recebe o sinal, ele pode comparar os dois sinais, que devem ser iguais mas “espelhados”. A diferença entre os dois sinais é ruído, que é facilmente identificado pelo receptor e prontamente descartado.

Figura 3: Técnica de cancelamento

Além de fornecer maior imunidade contra interferências eletromagnéticas, as comunicações em série não sofrem atraso de propagação. Deste modo elas podem atingir clocks mais altos de forma mais fácil do que as comunicações em paralelo.

Outra diferença muito importante entre a comunicação em paralelo e a comunicação em série é que a comunicação em paralelo é half-duplex (os mesmos fios são usados tanto para a transmissão quanto para a recepção de dados) devido ao grande número de fios necessários para a sua implementação, enquanto que a comunicação em série é full-duplex (apresenta um conjunto separado de fios para a transmissão de dados e outro para a recepção – tecnicamente falando, seriam dois canais simplex) já que ela só necessita de dois fios para cada direção. Em uma comunicação half-duplex, dois dispositivos não podem “falar” entre si ao mesmo tempo; apenas um deles poderá transmitir dados em um certo momento. Na comunicação full-duplex, os dois dispositivos podem transmitir dados ao mesmo tempo.

Estas são as principais razões pelas quais engenheiros adotaram comunicação em série em vez de comunicação em paralelo para o PCI Express.

Você deve estar se perguntando: as comunicações em série não são mais lentas? Isto dependerá com o que você está comparando. Se você comparar uma comunicação em paralelo de 33 MHz transmitindo 32 bits por pulso de clock, ela será 32 vezes mais rápida que uma comunicação em série de 33 MHz transmitindo apenas um bit por pulso de clock. Mas se você comparar a mesma comunicação em paralelo com uma comunicação em série trabalhando a um clock mais alto, a comunicação em série poderá ser muito mais rápida. É só comparar a largura de banda do barramento PCI original que é de 133 MB/s (33 MHz x 32 bits) com a largura de banda da conexão PCI Express 1.0 x1 (250 MB/s, 2,5 GHz x 1 bit). Se compararmos com um padrão PCI Express mais atual, como o 4.0 x1 (2 GB/s, 16 GHz x 1 bit), a diferença é ainda mais brutal.

A noção de que a comunicação em série é sempre mais lenta do que a em paralelo vem dos computadores antigos, que tinham uma “porta serial” e uma “porta paralela”. Naquele tempo, a porta paralela era muito mais rápida que a porta serial. Isto se devia à maneira com que estas portas foram implementadas. Mas isto não significa que comunicações em série são sempre mais lentas que as comunicações em paralelo.

Vamos falar agora sobre o funcionamento da conexão PCI Express.