3.1. Системная шина. Локальные шины

Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.

Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.

Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.

Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.

Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, большее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.

Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.

Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.

100 * 64 = 6400 Мбит/сек;

6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода–вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) — Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования — поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.