PCI-Express-Bus über Kabel: Schnell und einfach verbinden

Was machen, wenn der Box-IPC nicht mehr über genügend Erweiterungspotenzial verfügt? Mit den Produkten des US-Herstellers One Stop Systems bietet Bressner Technology eine breite Palette an Lösungen für »PCIe over Cable« an.

Selbst kleine Netzwerke mit bis zu acht Rechnern sind damit realisierbar.
Ob in der Mess- und Automatisierungstechnik oder in der industriellen und medizinischen Bildverarbeitung - wenn es darum geht, Daten möglichst schnell zwischen externen Geräten und einem Rechner auszutauschen, dann bietet sich der PCI-Express-Standard (PCIe) als interessante Option über Kabel an. Denn die schnellen Datenübertragungsraten des PCI-Express-Busses sind nicht nur auf Backplane-Ebene, sondern auch als Kabelverbindung verfügbar.

Damit können z.B. auch kompakte Box-PCs, die nur über einen ExpressCard-Slot verfügen, mit leistungsstarken I/O-Geräten oder mit Erweiterungschassis, die zusätzliche PCIe- oder PCI/PCIe-Steckplätze bereitstellen, ohne Performanceverluste und ohne zusätzliche Software verbunden werden.

Obwohl als Backplane-Standard heute verbreitet, ist PCIe als Option für richtig schnelle Kabelverbindungen noch kaum bekannt. Dabei erlaubt - im Gegensatz zu parallelen Busschnittstellen - die serielle Technik von PCIe in Verbindung mit dem im Datensignal eingebetteten Übertragungstakt die Nutzung maximaler Datentransferraten sowohl über Backplane als auch über Kabel.

Bereits im Februar 2007 verabschiedete die PCI Special Interest Group (PCI-SIG) die »PCI Express External Cabling Specification 1.0«, die diese Implementierung des PCIe-Busses über ein Standardkabel spezifiziert. Wesentlicher Bestandteil der Spezifikation ist das »Embedded Clocking«. Es sorgt dafür, dass es keine Verschiebung oder Zeitverzögerung zwischen dem Taktsignal und den Daten gibt. Die Taktrate für jedes PCIe-Signal beträgt 2,5 GHz für die erste Generation PCIe (Gen 1) oder 5,0 GHz für Gen 2. Damit werden theoretische Datenraten von 5 GBit/s (x1) bis 80 GBit/s (x16) erreicht. Theoretisch deshalb, weil die tatsächlich nutzbare Datenrate aufgrund der 8B/10B-Datenkodierung, die für die Rückgewinnung des eingebetteten Takts notwendig ist, um 20 Prozent niedriger liegt.

Die Kabelspezifikation definiert vier verschiedene Stecker für x1-, x4-, x8- und x16-Verbindungen. Am unteren Ende stellt das x1-Kabel eine preisgünstige Anbindung mit einer theoretischen Übertragungsrate von 250 MByte/s dar. Für Anwender, die z.B. ein Erweiterungschassis mit einer ATX-PCI/PCIe-Backplane mit dem Mainboard eines Host- bzw. Box-PCs verbinden wollen, ist dieses mehr als ausreichend. Die PCIe-x4- und -x8-Kabel offerieren eine höhere Bandbreite für High-Speed-Applikationen wie die Bildverarbeitung.

Für den Anschluss der Kabel sind Interface-Karten in verschiedenen Formfaktoren erhältlich. Für den Einsatz in kleinen Box- bzw. Hutschienen-IPCs eignen sich beispielsweise Schnittstellen im Express-Card-Format oder als Low-Profile-Steckkarte. Erhältlich ist auch ein PCIe-x8-Kabel-Interface als XMC-Board - XMC ist die PCI-Express-Variante einer PCI Mezzanine Card (PMC).

Die Kabelvariante von PCIe beinhaltet die gleichen Signale wie die Backplane-Version. Die differenziellen Leitungspaare für die Datenübertragung sind dabei vergossen und sorgfältig abgeschirmt. Damit ist sichergestellt, dass die Länge der Drähte über das gesamte Kabel gleich bleibt und elektromagnetische Einflüsse auf ein Minimum beschränkt bleiben. Zusätzlich finden sich noch einige Sideband-Signale, die zwar nicht unmittelbar für die Datenübertragung benötigt werden, die aber nützliche Funktionen bereitstellen. Dazu zählt insbesondere der 100 MHz Referenztakt für das sogenannte »Spread Spectrum Clocking« kurz SSC - eine Technik, die der Minimierung hochfrequenter Störaussendungen dient.

PCIe wurde zwar ursprünglich für die Kommunikation zwischen CPU und I/O-Komponenten konzipiert, doch mit der SuperSwitch-Technologie von OSS offeriert Bressner auch eine Lösung für die Host-zu-Host-Kommunikation von bis zu acht Rechnern über PCI Express. Die Lösung besteht aus einem 8-Port-Switch im 1HE-Rackmount-Chassis, den PCIe-x4-Interface-Karten für die Rechner, den entsprechenden Kabelsätzen und der ExpressNet-Software. Letztere unterstützt die leistungsstarken 64 Bit CPUs und ist für die Betriebssysteme Linux und Windows erhältlich.