Шини введення-виведення

До шин введеня-виведення відносять шину ISA, шину VLB (VESA local bus); шину PCI; шину АGР; шину USB; шину FSB та ін. Наведемо коротку характеристику основних шин.

Шина ISA (Industry Standard Architecture ) – промислова стандартна архітектура, вважається “найстарішою” в сіме’ї шин, проте дотепер використовується навіть в новітніх моделях PC. Річ у тому, що є ще безліч периферійних пристроїв, що використовують стандарт ISA (миша, клавіатура, модеми, ручні сканери, FDD і т. п.), для яких швидкодії цієї шини більш ніж достатньо. Основна проблема шини ISA полягає у тому, що при оптимальній тактовій частоті процесорів 80386 і 80486 вона є як би “шийкою пляшки” (Boutleneck – вузьке місце), оскільки дані не можуть передаватися через шину з тією ж швидкістю, з якою їх обробляє CPU. Тому процесор в очікуванні даних вимушений простоювати (цикл очікування). Це і з’явилося причиною появи шин інших стандартів.

Шина VLB (VESA local bus) – локальна шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, тобто це шина процесора. Вона зазвичай об’єднує процесор, пам’ять, схеми буферизації для системної шини та її контролер, а також деякі інші допоміжні схеми.

Перевагою VLB є висока швидкість обміну інформації (шина могла працювати в системі з процесором 80486DX-50). Але виникає залежність від частоти роботи процесора (конструювання плат з широким частотним діапазоном). Електричне навантаження не дозволяє підключати більше трьох плат (на практиці часто дві). Крім того, VLB не розрахована на використання з процесорами, що прийшли на заміну 486-у або що паралельно існували з ними: Alpha, PowerPC тощо. Тому в середині 1993 року з асоціації VESA вийшли ряд виробників на чолі з Intel. Ці фірми створили спеціальну групу для розробки нового альтернативного стандарту, названого Peripheral Component Interconnect (PCI).

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) була розроблена фірмою Intel для свого нового високопродуктивного процесора Pentium. Основоположним принципом, встановленим в основу шини PCI, є застосування так званих мостів (Bridges), які здійснюють зв’язок між шиною PCI і іншими шинами (наприклад, PCI to ISA Bridge).

У сучасних материнських платах тактова частота шини PCI задається як половина тактової частоти системної шини, тобто при тактовій частоті системної шини 66 Мгц шина PCI працюватимуть на частоті 33 Мгц, при частоті системної шини 75 Мгц – 37,5 Мгц.

Шина PCI не є локальною, а відноситься до класу mezzanine bus, оскільки має між собою і локальною шиною процесора спеціальний вузол – узгоджуючий міст. При цьому стандарт PCI передбачає використання контролера, який піклується про розділення управляючих сигналів шини та процесора, і здійснює арбітраж по шині PCI, а також акселератор. Це робить шину процесорно-незалежною.

Важливою особливістю шини PCI є те, що в ній реалізований принцип Bus Mastering, який має на увазі здатність зовнішнього пристрою при пересилці даних управляти шиною (без участі CPU). Під час передачі інформації пристрій, що підтримує Bus Mastering, захоплює шину та стає головним. При такому підході центральний процесор звільняється для виконання інших задач, поки відбувається передача даних.

Стандарт PCI передбачає кілька способів підвищення пропускної спроможності. Один з них – блокова передача послідовних даних (наприклад графіка, дискові файли), що не вимагає часу на встановлення адреси кожного елементу. Більш того, акселератор може накопичувати інформацію у буферах, що забезпечує одночасний з читанням даних з пам’яті блоковий обмін з периферійним пристроєм. Другий спосіб прискорення передачі – мультиплексування – передбачає передачу послідовних даних через адресні лінії, що подвоює пропускну спроможність шини. Шина PCI використовує встановлення переривань за рівнем, що робить її надійнішою та більш привабливою, на відміну від VLB. Ще одна відмінність – PCI працює на 33 Мгц, незалежно від частоти процесора. Теоретично пропускна спроможність шини 132 Мбайт/с. Реальна ж пропускна спроможність дещо більша половини від теоретичної. Стандарт PCI передбачає і 64-розрядну версію. Для 32-розрядної шини PCI використовується 124-контактний роз’єм, причому в ньому передбачені ключі та контакти, призначені для оцінки необхідного для роботи плати розширення напруги живлення (5В або 3,3В).

Шина AGP (Advanced Graphic Port) – це локальна високошвидкісна шина введення/виводу, призначена винятково для потреб відеосистеми. Вона пов’язує відеоадаптер (3 D-акселератор) з системною пам’яттю PC, тому на материнській платі є тільки один роз’єм (слот) AGP. Шина AGP була розроблена на основі архітектури шини PCI, тому вона також є 32-розрядною. Разом з тим, у неї є ряд важливих відмінностей від шини PCI, що дозволяють у декілька разів збільшити пропускну спроможність:

• використовування вищих тактових частот (режими 2, 4);

• демультиплексування (режим sba);

• пакетна передача даних;

• режим прямого виконання в системній пам’яті (DiME).

Специфікація периферійної шини USB (Universal Serial Bus) розроблена для підключення периферійних пристроїв поза корпусом ПК. Шина USB підтримує технологію Plu&Play. Швидкість обміну інформацією по шині USB складає 12 Мбіт/с. На нових материнських платах є спеціальний роз’єм для підключення концентратора USB (USB-Hab). К комп’ютерам, обладнаним шиною USB, можна під’єднувати периферійні пристрої (клавіатуру, мишу, джойстик, принтер та ін.), не вимикаючи живлення. Як тільки пристрій буде підключений, автоматично здійснюється його конфігурація. Всі периферійні пристрої повинні бути обладнані роз’ємами USB, і підключатися до ПК через окремий виносний блок, іменований USB-хабом або концентратором, за допомогою якого до ПК можна підключити до 127 периферійних пристроїв.

PCI Express, або PCIe, або PCI-E – комп’ютерна шина, що використовує програмну модель шини PCI і високопродуктивний фізичний протокол, заснований на послідовній передачі даних. Розвитком стандарту PCI Express займається організація PCI Special Interest Group. Розробка стандарту PCI Express була почата фірмою Intel після відмови від шини InfiniBand. Офіційно перша базова специфікація PCI Express з’явилася в липні 2002 року.

На відміну від шини PCI, що використала для передачі даних загальну шину, PCI Express, в загальному випадку, є пакетною мережею з топологією типу зірка, пристрої PCI Express взаємодіють між собою через середовище, утворене комутаторами, при цьому кожен пристрій безпосередньо зв’язаний з’єднанням типу крапка-крапка з комутатором.

Крім того, шиною PCI Express підтримується:

• гаряча заміна карт;

• гарантована смуга пропускання (QoS);

• управління енергоспоживанням;

• контроль цілісності переданих даних.

Шина PCI Express націлена на використання тільки як локальна шина. Оскільки програмна модель PCI Express багато в чому успадкована від PCI, то існуючі системи і контроллери можуть бути допрацьовані для використання шини PCI Express заміною тільки фізичного рівня, без доопрацювання програмного забезпечення.

Єдина специфікація PCI-Express (PCI-E) припускає декілька стандартів роз’ємів, які замінять на материнських платах як безнадійно застарілий PCI, так і графічний порт AGP, що також наблизився до межі своїх технологічних можливостей. Така сумісність стала доступною завдяки модульному принципу побудови роз’єму. Будь-який слот PCI-Express включає базовий набір службових контактів і певну кількість однакових шин із швидкістю передачі даних 256 Mbps в обидві сторони. Число шин вказане в назві стандарту і дозволяє визначити підсумкову пропускну спроможність роз’єму. Стандарт 1х має один набір контактів і відповідно пропускну спроможність 256 Mbps. Такої швидкості з лишком вистачить для будь-якої карти розширення в домашньому ПК, окрім відеокарт, тому базовий роз’єм позиціонується як заміна PCI. Стандарти 2х, 4х і 8х передбачені для серверів, де може виникнути потреба в швидших інтерфейсах. Роз’єм PCI-Express 16x призначений для відеокарт, його пропускна спроможність (256Ч16) = 4096 Mbps, тобто у вісім разів більше, ніж у AGP 8X. Він назад сумісний з рештою варіантів PCI-Express (1x, 4x, 8x) і дозволяє встановлювати будь-які PCI-E-карти. Таким чином, за наявності інтегрованого відео можна використовувати відео роз’єм для установки будь-якої іншої плати. Також PCI-Express підтримує “гаряче” підключення пристроїв.

Зараз саме у зв’язку з відео-картами найчастіше згадують стандарт PCI-Express. І це недивно – характеристики порту AGP вже не задовольняють розробників. Наприклад, його пропускної спроможності не вистачає на оцифрування відео в стандарті HDTV, який поступово завойовує популярність у користувачів. Тому виробники графічних чипів активно підтримали ініціативу впровадження PCI-Express.