Локальні шини

Шини ISA, MCA і EISA мають один загальний недолік — порівняно низька швидкодія. Це обмеження існувало ще за часів перших PC, в яких шина вводу-виводу працювала з тією ж швидкістю, що і шина процесора. Швидкодія шини процесора зростала, а характеристики шин вводу-виводу поліпшувалися в основному за рахунок збільшення їх розрядності. Обмежувати швидкодію шин доводилося тому, що більшість вироблених плат адаптерів не могли працювати при підвищених швидкостях обміну даними.

Деяким користувачам не дає спокою думка про те, що комп'ютер працює повільніше, ніж може. Проте швидкодія шини вводу-виводу в більшості випадків не потрібна. Наприклад, при роботі з клавіатурою або мишею висока швидкодія не потрібна, оскільки в цій ситуації продуктивність комп'ютера визначається самим користувачем. Воно дійсне необхідно тільки в підсистемах, де важлива висока швидкість обміну даними, наприклад у відеоконтроллерах і контроллерах дискових накопичувачів.

Проблема, пов'язана з швидкодією шини, стала актуальною у зв'язку з розповсюдженням графічних інтерфейсів користувача (наприклад, Windows). Ними обробляються такі великі масиви даних, що шина вводу-виводу стає найвужчим місцем системи. Процесор з тактовою частотою, наприклад, 66 або 450 Мгц виявляються абсолютно некорисними, оскільки дані по шині вводу-виводу передаються у декілька разів повільніше (тактова частота близько 8 Мгц).

Очевидне розв’язання полягає в тому, щоб частина операцій по обміну даними здійснювалася не через роз'єми шини вводу-виводу, а через додаткові швидкодійні роз'єми. Якнайкращий підхід до розв’язання цієї проблеми — розташувати додаткові роз'єми вводу-виводу на самій швидкодійній шині, тобто на шині процесора.

Така конструкція одержала назву локальної шини (Local Bus), оскільки зовнішні пристрої (плати адаптерів) тепер мають доступ до шини процесора (найближчої до нього шини). Звичайно, роз'єми локальної шини повинні відрізнятися від слотів шини вводу-виводу, щоб в них не можна було вставити плату "повільних" адаптерів.

Цікаво, що перші 8- і 16-розрядні шини ISA мали архітектуру локальних шин. У цих системах як основна використовувалася шина процесора і всі пристрої працювали із швидкістю процесора. Коли тактова частота в системах ISA перевищила 8 Мгц, основна шина комп'ютера відділилася від шини процесора, яка вже не могла виконувати ці функції. Розширений варіант шини ISA, що з'явився в 1992 році, який називався VESA Local Bus (або VL-Bus), ознаменував повернення до архітектури локальних шин.

У сучасному настільному комп'ютері звичайно є роз'єми ISA, PCI і AGP. Проте згідно специфікації PC 99 в комп'ютерах повинні використовуватися тільки шини — PCI і AGP.

Шина PCI

На початку 1992 року Intel організувала групу розробників, перед якою була поставлена та ж задача, що і перед групою VESA, — розробити нову шину, в якій були б усунені всі недоліки шин ISA і EISA.

У червні 1992 року була випущена специфікація шини PCI версії 1.0, яка з тих пір зазнала декілька змін. Різні версії PCI приведені в табл. 4.27.

Таблиця 4.27. Специфікації PCI

Специфікація PCI	Дата випуску	Основні зміни
PCI 1.0	Червень 1992г.	Оригінальні 32/64-разрядная специфікацій
PCI 2.0	Квітень 1993г.	Певні з'єднувачі і плата розширення
PCI 2.1	Червень 1995 р.	Робоча частота 66 Мгц, порядок групових операцій, зміну часу затримок
PCI 2.2	Січень 1999г.	Управління режимом електроживлення, механічні зміни

Творці PCI відмовилися від традиційної концепції, ввівши ще одну шину між процесором і звичною шиною вводу-виводу. Замість того щоб підключити її безпосередньо до шини процесора, вельми чутливої до подібних втручань, вони розробили новий комплект мікросхем контроллерів для розширення шини.

PCI додає до традиційної конфігурації шин ще один рівень. При цьому звична шина вводу-виводу не використовується, а створюється фактично ще одна високошвидкісна системна шина з розрядністю, рівною розрядності даних процесора. Комп'ютери з шиною PCI з'явилися у середині 1993 року, і незабаром вона стала невід'ємною частиною комп'ютерів високого класу.

Тактова частота стандартної шини PCI рівна 33 Мгц, а розрядність відповідає розрядності даних процесора. Для 32-розрядного процесора пропускна здатність складає 132 Мбайт/с:

33 Мгц х 32 біт = 1 056 Мбіт/с; 1056 Мбіт/с : 8 = 132 Мбайт/с.

Існує декілька різновидів стандартної шини PCI, вони представлені в табл. 4.28.

В даний час 64-розрядні шини або шини з робочою частотою 66 і 133 Мгц використовуються тільки в системних платах серверів або робочих станцій. Одна з основних переваг шини PCI полягає у тому, що вона може функціонувати одночасно з шиною процесора. Це дозволяє процесору обробляти дані зовнішньої кеш-пам'яті одночасно з передачею інформації по шині PCI між іншими компонентами системи.

Таблиця 4.28. Типи шин PCI

Тип шини PCI	Розрядність, біт	Частота шини, Мгц	Цикли даних/такт	Швидкість передачі даних, Мбайт/с
PCI	32	33	1	133
PCI 66 Мгц	32	66	1	266
64-розрядна PCI	64	33	1	266
64-розрядна PCI 66 Мгц	64	66	1	533
PCI-X	64	133	1	1066

Для підключення адаптерів шини PCI використовується спеціальний роз'єм. Ці роз'єми легко розпізнати, оскільки вони звичайно встановлюються окремо від роз'ємів шин ISA, MCA або EISA (мал. 4.44). Плата PCI може бути тих же розмірів, що і плата для звичної шини вводу-виводу.

Мал. 4.44. Можливе розташування роз'ємів PCI щодо роз'ємів шин ISA і EISA

Стандарт PCI пропонує три види плат для комп'ютерів різних типів і з різною напругою живлення. Плати з напругою 5 В призначені для стаціонарних комп'ютерів, а з напругою 3,3 В — для портативних. Передбачені також універсальні адаптери і системна плата, яка може працювати в комп'ютерах обох типів.

Порівняти 32- і 64-розрядні варіанти стандартного роз'єму PCI (5 В) з 64-розрядним універсальним роз'ємом PCI допоможе мал. 4.45. На мал. 4.46 показане розташування виводів 64-розрядної універсальної плати PCI по відношенню до 64-розрядного роз'єму PCI.

Зверніть увагу, що універсальна плата PCI може встановлюватися в роз'єм, призначений для будь-якої плати з фіксованою напругою живлення. Якщо напруга, що подається на ті або інші контакти, може бути різною, то вона позначається +В I/O. На ці контакти подається опорна напруга, що визначає рівні вихідних логічних сигналів.

Іншою важливою властивістю плати PCI є те, що вона задовольняє специфікації Plug and Play компанії Intel. Це означає, що PCI не має перемичок і перемикачів і може настроюватися за допомогою спеціальної програми настройки. Системи з Plug and Play здатні самостійно настроювати адаптери, а в тих комп'ютерах, в яких ця система відсутня, але є роз'єми PCI, настройку адаптерів потрібно виконувати вручну за допомогою програми Setup BIOS. З кінця 1995 року в більшості комп'ютерів встановлюється BIOS, задовольняюча специфікації Plug and Play, яка забезпечує автоматичну настройку.

Мал. 4.45. Роз'єм 32-розрядної шини РС1 порівняно з роз'ємами 64-розрядної шини РС1 і 64-розрядної універсальної шини РС1

Мал. 4.46. 64-розрядна універсальна плата РС1 (вгорі) в порівнянні з роз'ємом 64-розрядної універсальної шини РС1 (внизу)

ПРИСКОРЕНИЙ ГРАФІЧНИЙ ПОРТ (AGP)

Для підвищення ефективності роботи з відео і графікою Intel розробила нову шину— прискорений графічний порт (Accelerated Graphics Port — AGP). AGP схожа на PCI, але містить ряд добавок і розширень. І фізично, і електрично, і логічно вона не залежить від PCI. Наприклад, роз'єм AGP подібний роз'єму PCI, але має контакти для додаткових сигналів і іншу розводку контактів. На відміну від PCI, яка є справжньою шиною з декількома роз'ємами, AGP — високоефективне з'єднання, розроблене спеціально для відеоадаптера, причому в системі для одного відеоадаптера допускається тільки один роз'єм AGP. Специфікація AGP 1.0 була вперше реалізована Intel в липні 1996 року. Відповідно до цієї специфікації використовувалася тактова частота 66 Мгц і режим 1х або 2х з рівнем напруги 3,3 В. Версія AGP 2.0 була випущена в травні 1998 року, в ній був доданий режим 4х, а також знижено робочу напругу до 1,5 В.

У новій специфікації AGP Pro визначений досить довгий роз'єм з додатковими контактами на кожному кінці для підведення напруги живлення до плати AGP, яка споживає більше 25 Вт (максимальна потужність — 110 Вт). Плата AGP Pro може використовуватися для високоякісних графічних робочих станцій. Роз'єми AGP Pro назад сумісні, тобто до них можна підключати стандартну плату AGP. Оскільки роз'єм AGP Pro довший від AGP 1х/2х, існує ймовірність неправильної установки плати AGP 1х/2х, що може привести до її пошкодження. Для того, щоб цього уникнути, розширення AGP Pro, розташоване в задній частині роз'єму, іноді закривається спеціальною кришкою. Перед установкою плати AGP Pro цю кришку слід видалити.

Стандартні роз'єми AGP lx/2x, AGP 4х і AGP Pro показані на мал. нижче. У серпні 2000 року була представлена остання версія специфікації AGP для PC — AGP 8x; у цій специфікації визначений швидший, 8-кратний (8х) режим передачі даних, дозволяючий значно збільшити її продуктивність.

AGP — швидкодійне з'єднання, що працює на основній частоті 66 Мгц (фактично — 66,66 Мгц), яка удвічі вища, ніж у PCI. У основному режимі AGP, названому 1х, виконується одиночна передача за кожен цикл. Оскільки ширина шини AGP рівна 32 бітам (4 байти), при 66 млн. тактів в секунду по ній можна передавати дані з швидкістю приблизно 266 млн. байт в секунду! У первинній специфікації AGP також визначений режим 2х, при якому в кожному циклі здійснюються дві передачі, що відповідає швидкості 533 Мбайт/с. В даний час практично вся сучасна системна плата підтримує цей режим.

Специфікація AGP 2.0 підтримує 4-кратний режим передачі даних, тобто передача даних здійснюється чотири рази протягом одного такту. При цьому швидкість передачі даних досягає 1066 Мбайт/с. Більшість сучасної плати AGP підтримують, як мінімум, стандарт 4х. У табл. 4.29 приведені тактові частоти швидкості передачі даних для різних режимів AGP.

Параметри різних режимів AGP

Тип шини AGP	Розрядність, битий	Частота шини, Мгц	Цикли данных/такт	Швидкість передачі даних, Мбайт/с
AGP	32	66	1	266
AGP2x	32	66	2	533
AGP4X	32	66	4	1066
AGP8X	32	66	8	2133

Оскільки шина AGP незалежна від PCI, при використанні відеоадаптера AGP можна звільнити шину PCI для виконання традиційних функцій вводу-виводу, наприклад для контроллерів IDE/ATA, SCSI або USB, звукової плати і ін.

Крім підвищення ефективності роботи відеоадаптера, AGP дозволяє діставати швидкий доступ безпосередньо до системної оперативної пам'яті. Завдяки цьому відеоадаптер AGP може використовувати оперативну пам'ять, що зменшує потребу у відеопам'яті. Це особливо важливо при роботі з тривимірними відеопрограмами, що інтенсивно використовують великі об'єми пам'яті.