Внешние шины.
IBMPC, появившийся в 1981 году, во многом обязан своим успехом одной особенности, отличавшей его от большинства других ПК того времени. Речь идет оботкрытой архитектурекомпьютера: материнская плата базового ПК содержала лишь процессор, память и тот минимум периферии, без которого компьютер просто не мог функционировать. Для подключения всех остальных устройств на плате имелись восемь разъемов внешней шины, в которые пользователь мог вставлять необходимые ему дополнительные платы: контроллер дисплея, дисковых накопителей, параллельных и последовательных портов и т.д.
Рисунок 6. Разъемы внешних шин на материнской плате
Эта шина была восьмиразрядной, называлась MultibusI, ее разъем был стандартизован, а спецификация – открыта для сторонних производителей периферии. В 1984 году, при создании архитектуры АТ, разрядность этой шины была расширена до 16 бит, новая спецификация получила названиеISA, и в таком виде она и дожила до нынешних времен, в течение 15 лет являясь отраслевым стандартом (ISA–IndustryStandardArchitecture). Шина представляла собой синхронную 16-битную шину с раздельными линиями адреса и данных, работающую на частоте 8,33 Мгц, с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edgeinterrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания по переднему или заднему фронтам сигнала на линии соответствующегоIRQ. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Основной особенностью шиныISAявляется простота ее реализации и, как ни странно это звучит, низкая рабочая частота, что позволяет до сих пор использовать ее при создании нестандартных периферийных устройств самого различного назначения. До самого последнего времени шинаISAбыла единственной, для которой изготовлялись внутренние модемы с аппаратной реализацией управляющих схем, да и многие недорогиеSCSI-сканеры комплектовались интерфейсными картами, рассчитанными именно под эту шину. Но, тем не менее, в настоящий моментISAпрактически закончила существование, передав свои функции более современным шинам.
EISA. С появлением процессоровi386,i486 иPentiumшинаISAстала узким местом персональных компьютеров на их основе. Новая системная шинаEISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивала адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных (в том числе и в режимеDMA), улучшенную систему прерываний и арбитражDMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шиныISAмогли работать на шинеEISA.
Шина EISAпредусматривала централизованное управление доступом к шине за счет наличия специального устройства - арбитра шины. Поэтому к ней могли подключаться несколько главных устройств шины (BusMasters). Улучшенная система прерываний позволяла подключать к каждой физической линии запроса на прерывание несколько устройств, что снимало проблему количества линий прерывания. ШинаEISAработала на частоте около 8 МГц и имела максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с.
MCA. ШинаMCA(MicroChannelArchitecture) также обеспечивала 32-разрядную передачу данных, тактировалась частотой 10 МГц, имела средства автоматического конфигурирования и арбитража запросов. В отличие отEISAона не была совместима с шинойISAи использовалась относительно недолго и только в компьютерах семействаPS/2 компанииIBM.
VL-BUS. ШинаVL-bus, предложенная ассоциациейVESA(VideoElectronicsStandardAssociation), предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей для того, чтобы они могли работать с тактовой частотой до 40 МГц. ШинаVL-busимела 32 линии данных и позволяла подключать до трех периферийных устройств, в качестве которых наряду с видеоадаптерами и дисковыми контроллерами могли выступать и сетевые адаптеры. Максимальная скорость передачи данных по шинеVL-busмогла составлять около 130 Мбайт/с. Основная особенность этой шины заключалась в том, что она рассчитана на совместную работу с процессоромi486 и только с ним – всего три устройства на шине это еще и следствие ограниченной нагрузочной способности выводов процессора. После появления процессораPentiumассоциацияVESAприступила к работе над новым стандартомVL-busверсии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения, однако новым стандартом суждено было стать следующей шине:
PCI. Появившаяся в 1992 году шинаPCIимела несколько особенностей, позволивших ей за короткое время занять господствующее положение в наших ПК, оттеснив многочисленных конкурентов. Главными из них были ее открытая, доступная всем и каждому, архитектура и независимость от процессорной шины. ШинаPCIявляется синхронной 32-х разрядной (кроме этого, существуют ее 64-разрядные версии) и работает на частоте 33 Мгц, обеспечивая пропускную способность (с использованием пакетного режима пересылки данных) 133 Мб/с. Процессор через так называемые мосты (PCIBridge) может быть подключен к нескольким каналамPCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналамиPCI. Важной особенностью шины является реализация принципаBus-master, что позволяет картам расширения производить обмен данными с памятью без обращения к процессору. Для уменьшения количества проводников в шинеPCIиспользуется принцип мультиплексирования данных, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же физическим линиям поочередно.PCI-устройства оборудованы таймером, определяющим максимальный период времени, когда устройство может занимать шину.
Автоматическое конфигурирование устройств PCI(выбор запросов прерывания, каналовDMA) поддерживается средствамиBIOSматеринской платы в соответствие со стандартомPlug&Play. СпецификацияPCI2.2 обеспечивает поддержку плат расширения с напряжениями питания как 3,3, так и 5 вольт, причем тип платы определяется расположением ключей в разъеме. Если у картыPCIесть две ключевые выемки, то она поддерживает любой из вариантов слота, если же на ней только одна выемка ближе к передней части платы, то эта карта только на 3,3 вольта. При расположении выемки ближе к задней части - карта пятивольтовая.
AGP. В результате широкого распространения 3D-графики и поддерживающих ее видеокарт, нагрузка на шинуPCIдостигла предельных для нее значений, превратив участок процессор -PCI-видеокарта в очередное "узкое место" системы. Для разрешения возникшей проблемы с наименьшими затратами специалистамиIntelбыла предложена новая спецификация шины, ориентированной исключительно для обмена данными с видеоадаптером:AGP1.0, являющейся, по сути дела, расширением старой доброй шиныPCI. С целью ускорения обмена данными было устранено мультиплексирование линий адреса и данных (напомним, что вPCIдля удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям), удвоена тактовая частота и реализована (в режимеAGP2x) схемаDDR, когда по шине передается 2 блока данных за один цикл. В результате предельная пропускная способность шины составила 533 Мбайт/с. Но очень скоро и этого стало не хватать, поэтому в новой спецификацииAGP2.0 (режим 4x), благодаря снижению напряжения питания видеокарт с 5 до 3,3V, а, значит, и амплитуды сигналов в шине, появилась возможность осуществлять не 2, а 4 транзакции (пересылки блока данных) за один такт, что удвоило пропускную способность шины, доведя ее до 1066 Мбайт/с. Для автоматического распознавания видеокарт разных спецификаций используются различные конфигурации их разъемов
Шина AGPимеет два основных режима работы:DIMEиDMA. В режимеDMAосновной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты, используя механизм, аналогичныйBus-masterна шинеPCI. В режимеDIME(DIrectMemoryExecute- непосредственное выполнение в памяти, иногда используется другой термин -AGP-текстурирование) локальная и системная память для видеокарты логически равноправны, что позволяет использовать часть системной памяти для хранения текстур. В спецификацииAGP2.0 появилась поддержка нового режима передачи данныхFastWrites. Он позволяет процессору напрямую, не обращаясь к системной памяти, передавать данные ускорителю со скоростью 4х.
PCI Express илиPCIe– компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCIExpress, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCIExpressвзаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Кроме того, шиной PCIExpressподдерживается:
горячая замена карт;
гарантированная полоса пропускания (QoS);
управление энергопотреблением;
контроль целостности передаваемых данных.
Разработка стандарта PCI Expressбыла начата фирмойIntel. Официально первая базовая спецификация PCIExpressпоявилась в июле 2002 года.
Шина PCI Expressнацелена на использование только в качестве локальной шины. Так, как программная модель PCIExpressво многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCIExpressзаменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCIExpressпозволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI, ожидается, что PCIExpressзаменит эти шины в персональных компьютерах.
Для подключения устройства PCI Expressиспользуется последовательное двунаправленное соединение типа точка-точка, называемоеlane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине. Соединение между двумя устройствами PCIExpressназываетсяlink, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединенийlane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x. На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCIExpressпо отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCIExpressвсего лишь четырьмя проводниками. Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:
карта PCI Expressпомещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).
PCI Expressпересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCIExpressвполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).
15 января 2007 года группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCIExpress2.0. Основные нововведения в ней таковы:
Спецификация PCI Express2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединенияlaneкак 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCIExpress1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCIE 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCIE 2.0. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
Динамическое управление скоростью — для управления скоростью работы связи.
Оповещение о пропускной способности — для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.
Расширения структурных возможностей — расширение управляющих регистров для более тонкого управления устройствами, слотами и процессом передачи данных.
Службы управления доступом — опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
Управление таймаутом выполнения
Переопределение предела по мощности — для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих большую мощность.
Внешняя кабельная спецификация PCIe, позволяющая подключать внешние устройства напрямую к шине.
7 февраля 2007 года PCI-SIG выпустила спецификацию внешней кабельной системы PCIE. Новая спецификация позволяет использовать кабели длиной до 10 метров, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.
В настоящее время идет работа над PCI-Express3.0. Он будет обладать пропускной способностью в 8 Гб/с. Планы наPCI-Express3.0: утверждение в 2009 году, а первые продукты на основе нового интерфейса - в 2010 году.