PCI Express의 기술적 특징

PCI Layer와 호환성의 유지

PCI Express는 다음과 같은 5개 계층을 갖는다.

여기서, PCI가 PCI Express로 변화되면서 변경이 가해지는 부분은 Transaction(변환), Data Link(연결), Physical(물리적) 계층 뿐이다. 그 위의 S/W 계층을 비롯하여 Config/OS 계층은 변화하지 않는다. 그 결과, PCI Express는 기존의 운영체제와 디바이스 드라이버를 그대로 유지하면서 동작한다. 인텔은 인텔 개발자 포럼에서 Windows XP에 별도의 드라이버 추가/변경 등이 없이 그대로 PCI Express를 사용할 수 있도록 만들겠다고 하였는데, 이것은 바로 S/W 및 Config/OS 레이어가 그대로 유지됨으로써 가능해진다.

그 아래의 변환 계층부터는 PCI Express의 특징을 극명하게 드러내고 있다. 간단히 살펴보면 변환 계층에서는 패킷 단위의 전송을 할 수 있도록 데이터 패킷을 형성하고 이를 연결 계층으로 전달한다. 그리고 연결 계층에서 데이터 신뢰도를 위한 CRC 코드를 삽입한 후 물리적 계층에서 8b/10b 인코딩이 이루어지고 전송된다. 흔히 이야기하는 거의 모든 특징은 물리적 계층에 집중되어 있다고 보아도 좋다.

패킷의 생성과 데이터의 전달

변환 계층(Transaction Layer)에서 만들어내는 데이터 패킷은 헤더와 데이터로 구성되어 있다. 이 패킷이 연결 계층(Data Link Layer)로 들어가면 변환 계층에서 만들어낸 패킷의 앞뒤에 패킷의 순서를 정한 번호와 CRC 코드가 덧붙여진다. 그리고 이것이 물리적 계층으로 옮겨지면 그 앞뒤로 프레임이 붙어서 PCI Express 버스를 통해서 전달될 데이터 패킷이 완성된다.

물리적 계층에서는 연결 계층을 통해 전달받은 패킷을 직렬화(serialize)한다. 이 때 사용되는 것이 8b/10b 인코딩 스킴으로써, 이에 대해서는 Serial ATA 강좌에서 언급한 바 있다.

관련강좌보기 : Serial ATA에 적용된 기술과 물리적 특징

변환 계층에서의 헤더, 연결 계층에서의 패킷순서번호, CRC 데이터, 물리적 계층에서의 프레임 및 8b/10b 인코딩 과정에서의 제어코드와 인코딩 과정으로 인해서 전달되는 데이터는 실제 데이터에 비해서 상당히 늘어난다. 그래서 PCI Express는 초기에 2.5GHz의 클럭으로 동작하는데, 실제 데이터 전송속도는 핀당 100MB/s가 된다.

다양한 대역폭의 확보

PCI Express는 하이퍼트랜스포트와 마찬가지로 듀얼 심플렉스(Dual Simplex) 방식의 버스이다.

듀얼 심플렉스라는 것은 단방향으로의 데이터버스가 2개 1조로 구성되어, 하나의 버스는 데이터를 보내는데에만, 다른 하나의 버스는 데이터를 받는 데에만 사용되는 방식을 지칭한다. 즉, PCI Express는 기본적으로 2개의 데이터 전달 통로(lane)를 갖는다.

PCI Express의 동작클럭이 2.5GHz로, 하나의 통로에서는 100MB/s의 대역폭을 갖게 되므로, PCI Express가 가질 수 있는 최소의 데이터 전송 대역폭은 200MB/s라는 이야기가 된다. 이것만으로도 현존하는 32bit PCI가 가지는 133MB/s를 50%정도 상회하는 것이다. 또한 규격상으로 PCI Express는 1X, 2X, 4X, 8X, 12X, 16X, 32X의 전달 통로 폭을 갖는다. 이 경우의 데이터 전송 대역폭은 다음과 같다.

32X의 PCI Express는 최대 6.4GB/s의 데이터 전송폭을 갖는다. 이것은 AGP 8X의 2.1GB/s를 200% 이상 상회하는 것이며, PCI보다는 무려 50배에 가까운 것이다. 따라서, 현존하는 어떠한 주변기기의 대역폭도 무리없이 소화해낼 수 있다.

직렬전송에서의 특징과 토폴로지

직렬전송으로써의 특징은 하이퍼트랜스포트와 동일하다고 보아도 무방하다. 우선, 시리얼 버스에 기반한 LVDS 데이터 전송이 있다. 이에 대해서는 이미 하이퍼트랜스포트, RDRAM의 강좌에서 언급하였다. 다음의 내용은 하이퍼트랜스포트 강좌중에서 설명되었던 LVDS에 관련된 내용이다.

그런데, 하이퍼트랜스포트와 마냥 똑같지만은 않다. 하이퍼트랜스포트, PCI Express 모두 P2P 토폴로지를 가지지만, 하이퍼트랜스포트의 경우 P2P 토폴로지 상에서 터널 및 브릿지-터널 등의 구조를 허용하고 있어서 사실상 트리(tree)구조의 형성이 가능하다. 그러나 PCI Express는 순수한 P2P 형태의 구성만이 가능하다는 차이점을 가진다. 다음의 일러스트는 하이퍼트랜스포트의 P2P와 PCI Express의 P2P가 어떠한 차이를 가지는가를 단적으로 보여준다.

하이퍼트랜스포트에서의 버스구성

PCI Express에서의 버스구성

이러한 특징 때문에, PCI Express에서는 하이퍼트랜스포트와는 약간 다른 방법으로 하위 하드웨어들의 트리구조를 형성한다. 바로 '스위치(switch)'를 이용하는 것이다.

스위치는 일종의 분배기, 또는 허브라고 생각하면 정확하다. 스위치 아래쪽으로는 각종 주변기기들이 PCI Express를 통해서 물려 있고, 스위치는 호스트 브릿지에 보다 고속의 PCI Express로 연결되어 있다. 이러한 구조를 통해서 PCI Express의 트리구조는 형성된다.

PCI SIG에서 2003년에 등장하리라고 예상하고 있는 시스템들의 간단한 토폴로지를 살펴보자.

1. 데스크탑 모바일 PC에서의 PCI Express(3GIO) 적용

2. 서버/웍스테이션에서의 PCI Express 적용

3. 네트웍 통신장비에서의 PCI Express 적용

스위치 적용 구조를 통해 PCI Express는 높은 확장성과 함께 높은 I/O 성능을 보장받는다. 여기서의 스위치는 호스트 브릿지 안에 집적될 수 있는 논리적 요소이지만, 별도의 구성요소로 존재할 수도 있다. PCI Express와 PCI가 공존하는 까닭은 낮은 대역폭만을 요구하는 다양한 장비들 및 기존의 PCI 주변기기들의 사용자를 보호하기 위함이지만, 시간이 흐르게 되면 PCI Express로 대체될 것이다.

서버의 경우 PCI Express가 PCI-X의 상위개념으로써 존재하며, 내부적으로는 PCI Express와 PCI/PCI-X를, 외부적으로는 인피니밴드를 사용하게 된다. 네트웍장비에서는 여러가지 트래픽 타입에 따라 다수의 스위치를 사용하여 전체적인 트래픽 소통을 최적화할 수 있다.