ATENÇÃO: Este conteúdo está sob um processo de reformulação para incluir mais informações úteis sobre o PCIe 4.0 e 5.0, bem como reorganizar o que já foi escrito afim de se melhorar o entendimento. Alguns erros na exibição desta página podem ser notados durante este processo (ausência de parágrafos e imagens), por isso pedimos sua compreensão.
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Este artigo é dedicado ao slot PCI Express, desenvolvido pela PCI-SIG no início deste século.
A pós muitos outros padrões de barramentos lentos e que ficaram defasados em pouco tempo, como o ISA (Industry Standard Architecture ou Arquitetura Padrão da Indústria) , EISA (Extended Industry Standard Architecture ou Arquitetura Padrão da Indústria Estendida), entre outros, finalmente a Intel lança o barramento PCI (Peripheral Component Interconnect ou Interconexão de Componentes Periféricos).
Logo depois várias outras fabricantes se uniram e formaram o grupo que é conhecido atualmente como PCI-SIG (PCI Special Interest Group, que significa Grupo de Interesse Especial PCI) para o desenvolvimento e aperfeiçoamento dos padrões de barramento. Com essa união, logo depois já foi criado o padrão PCI-X (Peripheral Component Interconnect eXtended - Interconexão de Componentes Periféricos Estendida), que era uma versão do slot PCI com clocks mais altos e maior largura do barramento.
O slot PCI e PCI-X, quando foram lançados, acompanharam o desempenho do restante do hardware que era desenvolvido na época. Eles eram utilizados para vários fins (instalação de placas de áudio, rede, captura de vídeo, placas de vídeo, etc) mas, após alguns anos, quando os jogos de computador estavam começando a ficar mais bem trabalhados e populares, quando começaram a surgir interfaces de rede Ethernet de 1 Gbps e quando as outras peças evoluíram e ganharam mais desempenho, este barramento se mostrou lento e pouco proveitoso para instalação de "circuitos extras", e nesse período que foi lançado o padrão AGP (Accelerated Graphics Port - Porta Gráfica Acelerada), com clocks mais altos e slot completamente diferente do PCI e PCI-X.
Para saber mais sobre o barramento AGP, clique aqui! Para saber mais sobre o barramento PCI e PCI-X, clique aqui!
Com o tempo, o slot AGP se tornou ultrapassado também, então a PCI-SIG criou o famoso padrão PCI Express, chamado também de PCIe. A principal diferença entre o slot PCIe e os outros slots mencionados aqui é que, como foi explicado no artigo sobre pares diferenciais de dados, o slot PCIe não é um barramento, e sim uma conexão ponto-a-ponto feita para ligar apenas 2 dispositivos de forma serial, abandonando as várias trilhas paralelas que podiam interligar mais de 2 dispositivos.
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O slot PCI Express é utilizado principalmente para conectar as famosas placas de vídeo off-board na placa-mãe do computador. Atualmente está sendo criado SSDs com interface PCIe x4 ou x8, placas de áudio, de rede (Ethernet ou Wi-fi), entre outros, que também aproveitam muito bem esta interface de comunicação.
Se você quer saber ainda mais, acesse este link e veja mais sobre a interface SATA Express, que é uma adaptação do PCI Express original!
O padrão PCIe trouxe o conceito de "lanes". Se você gosta de hardware, provavelmente já ouviu ou vai ouvir este termo um dia. Um lane é uma dupla de pares diferenciais, onde uma envia informações (TX) e a outra dupla recebe (RX). Ao juntar 16 lanes, por exemplo, temos o slot PCI Express x16, que dá um total de 64 trilhas dedicadas pra transmissão de dados.
Uma placa que possua slot PCI Express x1, significa que este possui apenas 1 lane (4 trilhas). O mesmo acontece com o slot PCIe x2, x4, x8, e x32. Pode ser utilizado o termo "bit", já que cada par diferencial pode receber ou enviar 1 pulso elétrico e seu sinal invertido por cada lane, portanto se você ouvir que o slot PCI Express x16 transmite 16 bits, está correto.
Além destas versões, existe uma mais incomum, lançada por volta de 2007, utilizada normalmente em notebooks para conectar placas Wi-Fi, 3G, LTE e outros componentes. Esta versão é chamada de Express Mini (ou MiniPCI Express). Veja a imagem de um dispositivo Express Mini abaixo:
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Este slot foi desenvolvido para cumprir o papel do slot Mini PCI, que estava desatualizado na época. O slot Express Mini possui apenas 1 lane, portanto ele é considerado x1. Veja abaixo a comparação entre uma placa compatível com Mini PCI e uma Express Mini:
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CURIOSIDADE: Atualmente, com a mineração de criptomoedas, se tornou comum ligar placas de vídeo com interface PCIe x16 em slots PCIe x1. Para deixar as várias placas de vídeo alimentadas e bem fixadas, se utiliza uma extensão com cabo USB e placas adaptadoras. Isso se chama "PCIe over USB" e pode ser visto em detalhes CLICANDO AQUI (PDF).
As empresas da aliança PCI-SIG sempre estão revisando o projeto e estudando melhorias. Abaixo você vê a tabela com as versões e revisões do slot PCI Express já lançadas no mercado:
Tabela 1
A cada pulso de clock é transmitido 1 dado (1 bit). No caso do slot PCIe x1 1.0, há apenas 1 lane transmitindo a 2,5 GHz (2,5 bilhões de pulsos por segundo), o que dá uma taxa de transferência teórica de 250 Mega Bytes por segundo (MB/s).
Para saber mais sobre clock, clique aqui!
Devido ao sistema de codificação dos dados, a taxa de transferência é diferente do normal. Você verá na PARTE 2 deste texto os sistemas de codificação de dados do PCIe. Para a revisão 1.0 e 2.0 era utilizada a codificação 8B/10B, onde cada conjunto de 8 bits é transformado em um pacote de 10 bits. Esses 2 bits extras não significam nada, são apenas utilizados para codificação, ocupando 20% da taxa de transferência.
Numa conexão PCIe x1 1.0 por exemplo, em vez de ser 312,5 MB/s de taxa de transferência, como é perdido 20% com os dados da codificação, ele é padronizado com 250MB/s. Já a revisão 3.0 e 4.0 utilizam a codificação 128B/130B e por este motivo foi possível dobrar a taxa de transferência de dados sem dobrar a frequência(GHz).
Para calcular a taxa de transferência de dados, e se você não entende muito bem sobre bits, Bytes e clock, leia os artigos sobre estes assuntos para saber mais. Eles já estão disponíveis no site e para acessa-los, clique aqui!
Os slots Express Mini utilizam as mesmas revisões do PCI Express comum. O padrão Express Mini prevê que a conexão PCI Express possa ser substituída pela interface USB em alguns dispositivos, facilitando assim o projeto do circuito. Mais abaixo você verá a pinagem do conector Express Mini e entenderá melhor onde entra a interface USB.
CURIOSIDADE: As dimensões das miniplacas PCI Express são 30 mm x 50,95 mm (largura x comprimento) para uma miniplaca completa. Há um conector de borda de52 pinos, consistindo em duas fileiras escalonadas em um passo de 0,8 mm. Cada linha tem oito contatos, uma lacuna equivalente a quatro contatos e, em seguida, mais 18 contatos. As placas têm espessura de 1,0 mm, excluindo os componentes. Um "Half Mini Card" (às vezes abreviado como HMC) também é especificado, tendo aproximadamente metade do comprimento físico, isto é, 26,8 mm.
CURIOSIDADE: A primeira placa de vídeo a utilizar o PCIe 3.0 foi a AMD Radeon HD 7970, lançada em janeiro de 2012.
Os pinos da interface PCI Express
Veja agora o vídeo abaixo com o diagrama e imagens do slot PCI Express, com toda a sua pinagem:
Vídeo disponível no canal Hardware Central no You Tube
Como você pode ver, do pino A1/B1 ao A11/B11 é especialmente para a alimentação elétrica e controle da placa conectada. Por padrão, o slot PCIe pode oferecer 75 Watts para a placa de expansão. A partir da divisória, todos os outros pinos são os pares de transmissão e recebimento de dados, linhas de identificação da placa conectada, linhas de sinal de sincronismo, linhas negativas e alguns pinos que não são conectados. O padrão PCIe x2 foi destacado no vídeo, mas ele é muito pouco utilizado. Perceba que para o slot x1, há um identificador (pino B17), para o PCIe x4 há outro identificador (B31) e assim por diante.
Compatibilidade
É importante ressaltar que, se você conectar uma placa PCIe x1 por exemplo, num slot x4, x8 ou x16, ela vai funcionar normalmente. Ao contrário também pode funcionar: por exemplo, se você conectar uma placa PCIe x16 num slot x4, esta placa irá funcionar normalmente, mas limitada pela taxa de transferência de dados do slot PCIe x4. Placas maiores que o slot podem funcionar em placas-mãe que possuem slots vazados, como pode-se ver abaixo:
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As placas e slots são totalmente compatíveis entre as revisões: uma placa-mãe com slot PCIe 1.0 ou 2.0 vai funcionar com uma placa expansível PCIe 3.0, só que esta conexão será limitada pela taxa de transferência das versões anteriores. Resumindo: você pode conectar qualquer placa PCIe, independente da revisão em qualquer placa-mãe que tenha slot PCIe de qualquer revisão, o único detalhe é a limitação da taxa de transferência. A versão 3.0 já inclui o sistema de codificação 128B/130B (padrão da versão) e também o 8B/10B das versões anteriores.
Para finalizar este assunto de compatibilidade, veja abaixo a tabela com os tamanhos (em milímetros) e a quantidade de pinos dos slots PCI Express x1 ao x16:
Tabela 2
PCIe na prática
Abaixo, separei um esquema elétrico de slot PCIe para entender melhor o que está escrito nesse texto e no vídeo linkado. O diagrama é da fabricante Gigabyte.
Esquema elétrico da GBT GA-M55S Rev.: 2.02
Agora, separei dois esquemas elétricos das saídas e entradas do controlador PCI Express no chipset da placa-mãe. Os diagramas escolhidos também são da fabricante Gigabyte. Observe:
Esquema elétrico da GBT GA-M59SLI Rev.: 1.01 (Controlador PCIe do chipset nVidia MCP55)
Esquema elétrico da GBT GA-M61PM Rev.: 1.00 (Controlador PCIe do chipset nVidia MCP61)
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