Шины расширения

 

Шины расширения используют для подключения внутренних компонентов компьютера, монтируемых на карты расширения. Функционально такие карты охватывает множество сфер применения: звуковые карты, телевизионные тюнеры, модемы, сетевые адаптеры и так далее.

Первоначально в качестве шины расширения использовался интерфейс ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта). На современных платформах этот интерфейс либо отсутствует, либо представлен шинами, обеспечивающими совместимость с устаревшими компонентами, традиционно используемыми в компьютерах.

До недавнего времени единственной шиной расширения был параллельный интерфейс PCI. Однако возросшие требования к пропускной способности шины привели к постепенной замене PCI на последовательную шину PCI Express.

Шина pci

 

Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect) разработан корпорацией Intel в 1991 году для соединения периферийных компонентов, напрямую не связанных с системной шиной. Так удалось обеспечить независимость интерфейса от конкретного типа процессора. В настоящее время действует спецификация PCI 2.2 (утверждена в декабре 1998 г.).

Шина PCI является параллельной и синхронной — регистрация сигналов выполняется по положительному фронту тактовых импульсов. Для обмена данными используется метод мультиплексирования, то есть передача адресов и данных происходит по очереди, по одним и тем же линиям. Сочетание частот шины 33 МГц или 66 МГц с различной разрядностью данных предоставляет широкий диапазон пропускных способностей шины. Собственно шина PCI представляет собой набор параллельных сигнальных линий, соединяющих различные устройства (слоты расширения, микросхемы на системной плате). Один канал контроллера PCI поддерживает до четырех слотов расширения. В системе обычно имеется несколько шин PCI, соединенных мостами PCI - PCI Bridge. Мосты электрически отделяют интерфейсные сигналы одной шины от другой, объединяя их на логическом уровне. Головной мост (Host Bridge) соединяет шину с ядром системы (процессором и памятью). Каждая шина имеет свой номер, головная шина имеет нулевой номер.

Шина pci Express

 

Специальной организацией по совершенствованию интерфейса PCI в 2003 г. была утверждена спецификация последовательного интерфейса PCI Express. Причина появления новой шины расширения довольно проста: параллельный интерфейс PCI не отвечал требованиям наращивания производительности компонентов. Для параллельных шин основной проблемой является невозможность радикального повышения рабочих частот. Последовательную шину гораздо проще запустить на повышенных тактовых частотах, что значительно поднимает производительность. Более того, масштабируемость последовательных шин относительно легко достигается как за счет повышения частоты работы, так и увеличения числа линий.

Спецификация шины PCI Express предусматривает иерархию, аналогичную применяемой в сетевой архитектуре. На самом верхнем, логическом уровне, располагаются прикладные программы, использующие PCI-устройство. Для них в архитектуре ничего не меняется: при обмене данными через шину PCI Express приложения привычно обращаются к операционной системе. На уровне драйверов и конфигурирования устройств архитектура шины PCI Express полностью совместима с интерфейсом PCI.

Однако на других уровнях архитектуры произошли кардинальные изменения. Прежде всего, добавлено два новых уровня - транзакций и соединений, функции которых аналогичны сетевым протоколам адресации и передачи данных ТСР/IP.

На уровне транзакций происходит первоначальная упаковка данных, передача их конкретному получателю и контроль доставки. На уровне соединений указывается физический адрес назначения пакета. Получив адрес, контроллеры шины принимают решение о направлении пакета в конкретную физическую линию.

Маршрутизация пакетов осуществляется на уровне транзакций. Здесь принимается решение о том, на какую шину направить пакет, в какой очередности передавать несколько пакетов. Пакет передается только в том случае, когда поступил сигнал готовности от буфера приема.

Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая часто­та обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Тем самым реализуется концепция обмена данными «точка-точка».

Помимо оконечных устройств архитектурой интерфейса предусмотрено наличие контроллеров (Host), мостов (Bridge) и переключателей (Switch), что позволяет организовать сложную топологию каналов и обеспечить совместимость с другими интерфейсами.

Фундаментом архитектурной модели PCI Express является собственно физическая шина передачи данных: две дифференциальные пары проводников (первая пара работает на прием, вторая на передачу). Никакого внешнего синхронизирующего сигнала от тактового генератора в PCI Express не предусмотрено.

Интерфейс PCI Express позволяет объединять в шину несколько независимых линий передачи данных. Спецификацией предусмотрено использование 1, 2, 4, 8,16 и 32 линий. Передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме «первый байт на первую линию, второй байт на вторую линию,... n+1-й байт снова на первую» и так далее. Так достигается масштабируемость PCI Express, с максимальной пропускной способностью до 6,4 Гбайт/с в одном направлении.

Номинальной рабочей частотой шины PCI Express сейчас является 2,5 ГГц. При этом пиковая пропускная способность (на один канал передачи данных) достигает 200 Мбайт/с, что составляет 100 Мбайт/с на контакт.

Шина PCI Express поддерживает питание устройств достаточно большой мощности: на слот x1 подается до 10 Вт, на слот x4 — до 25 Вт, а на слот x16 — до 75 Вт. Спецификацией предусмотрена установка на системную плату второго разъема питания. Суммарно две линии питания обеспечат функционирование устройств мощностью до 140 Вт.

На системных платах с шиной PCI Express разъем питания АТХ увеличился на четыре контакта (добавились линии +12 В, +5 В, земля и +3,3 В) и стал насчитывать 24 линии.