5.5. Эволюция и современное состояние шин персональных компьютеров

В персональных компьютерах используется несколько различных по характеристикам шин, развитие и совершенствование которых, начиная с первых моделей ПК, ведется непрерывно. Долгие годы стандартной внутренней шиной ПК являлась шина ISA (Industrial Standard Architecture – «стандартная промышленная архитектура»), которая была разработана корпорацией Intel для компьютера IBM PC AT. Эта шина работала на частоте 8,33 МГц, в 8-разрядном исполнении имела пропускную способность (8 бит х 8,33 МГц)/8 = 8,33 Мбайт/с, а в 16-разрядном – соответственно 16,6 Мбайт/с. Шина ISA считается устаревшей по своим скоростным параметрам и фактически не используется в настоящее время.

Для замены шины ISA в 1987 году корпорацией IBM была разработана шина MCA (Micro Channel Architecture – «архитектура микроканала») с повышенной пропускной способностью за счет увеличения тактовой частоты до 10 Мгц и разрядности до 32 бит. Однако эта шина не нашла широкого применения, так как она была полностью несовместима с шиной ISA и при переходе к этой шине требовалась замена не только материнской платы, но и дочерних плат расширения.

Необходимость повышения производительности системы наряду с обеспечением совместимости ее компонентов привела к дальнейшему развитию шины ISA. Наиболее заметными разработками в этом направлении стали в свое время шины EISA (Extended ISA – расширенная ISA) с пропускной способностью 33,3 Мбайт/с и VLB (VESA Local Bus – «локальная шина промышленного альянса VESA») – 132 Мбайт/с.

На смену шине ISA и её модификациям пришла шина PCI (Peripheral Component Interconnect – «шина для подключения периферийных устройств»), которая была предложена Intel одновременно с выпуском первых процессоров Pentium. Эта шина в 32-разрядном исполнении работала на тактовой частоте 33 Мгц и обеспечивала пропускную способность до 132 Мбайт/с. Шина PCI и в настоящее время является одной из основных стандартных шин ПК. Такое долголетие (по современным меркам) шины PCI объясняется рядом её «революционных» качеств по сравнению с семейством шин ISA. В шине PCI используется синхронный протокол с несколькими ведущими и централизованным арбитражом. Установка всех сигналов, а также чтение/запись данных производится строго в соответствии с тактовыми импульсами шины, частота которых равна 33 МГц.

Основное преимущество PCI-технологии заключается в относительной независимости отдельных компонентов системы. В соответствии с концепцией PCI, передачей пакета данных управляет не центральный процессор, а включенный между ним и шиной PCI так называемый мост. Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись данных в память (или их считывание) либо при обмене данными между двумя любыми компонентами системы.

Технология PCI использует принцип временного мультиплексирования (когда для передачи данных и адресов применяются одни и те же линии). Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т. е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug&Play, разработанной корпорацией Intel.

Более скоростные 64-разрядные спецификации PCI имеют пропускную способность 266 Мбайт/с при частоте 33 МГц и 533 Мбайт/с при 66 МГц. Хотя в новых разработках материнских плат роль шины PCI изменилась, она по-прежнему остается основной шиной расширения, предназначенной для подключения внешних устройств.

Следующий шаг в росте пропускной способности обеспечивает 64-разрядная шина PCI-Х, обладающая обратной совместимостью с 32- и 64-разрядной PCI. При тактовой частоте 133 МГц ее пропускная способность составляет 1066 Мбайт/с. В обновленной спецификации PCI-X 2.0 увеличение пропускной способности до 2100 и 4200 Мбайт/с происходит благодаря передаче, соответственно, двух и четырех битов за такт.

По мере роста производительности центральных процессоров потребовалось введение в архитектуру ПК новой дополнительной более производительной по сравнению с PCI шины. Такая дополнительная шина предназначена для скоростной передачи данных и сигналов управления между процессором и остальными компонентами системы. За этой шиной закрепилось несколько названий – синонимов: хост-шина (Host Bus), шина процессора (CPU Bus), системная шина (System Bus) или шина FSB (Front Side Bus – «шина передней стороны»). Шины FSB для ПК с процессорами Intel Pentium 4 при частоте 1066 МГц достигают пропускной способности 8500 Мбайт/с.

Среди шин, обеспечивающих на материнской плате межмостовое соединение, отметим шины HL (Hub Link) корпорации Intel, V-Link корпорации VIA, MuTIOL корпорации SiS, HyperTransport корпорации AMD. Шина спецификации HL 2.0 является 16-разрядной, работает на частоте 266 МГц, обеспечивает пропускную способность 1066 Мбайт/с. Шина HyperTransport имеет универсальное назначение, ее ширина – от 2 до 32 бит, пропускная способность при частоте 800 МГц и передачи 2 бит за такт составляет 6400 Гбайт/с.

Для подключения высокопроизводительных графических адаптеров корпорацией Intel была разработана и представлена в 1992 году шина AGP (Accelerated Graphics Port – «ускоренный графический порт»). У первой версии AGP пропускная способность составляла 266 Мбайт/с (что соответствовало так называемому режиму 1х), а благодаря архитектуре «точка – точка» эта шина была в полном распоряжении графического адаптера. Помимо режима 1х, стандартом AGP Revision 1.0 предусматривался режим 2х,при котором передача данных производилась не только по переднему, но и по заднему фронту тактового импульса. В режиме 2х пропускная способность составляла 533 Мбайт/с. Для AGP характерна конвейерная передача данных, что значительно повышает скорость обмена данными через шину AGP по сравнению с обменом через шину PCI. Третья версия стандарта AGP обеспечивает в 32-разрядном исполнении при частоте 66 МГц передачу 8 бит за такт с пропускной способностью 2100 Мбайт/с.

В последнее время AGP вытесняется шиной PCI-Express. Спецификация PCI-Express, позиционируемая как замена AGP и некоторых межмостовых соединений, регламентирует последовательное соединение типа «точка – точка». Масштабирование происходит увеличением не частоты, а числа каналов: PCI-Express может состоять из 1, 2, 4, 8, 16 или 32 каналов, данные передаются по обоим фронтам сигнала. Пропускная способность одного канала PCI-Express составляет 250 Мбайт/с, а в 16-канальной конфигурации PCI-Express x16, применяемой в качестве графического интерфейса, – в 16 раз больше и достигает 4000 Мбайт/с. Отметим, что переход с AGP на PCI-Express связан не столько с более высокой пропускной способностью PCI-Express (при необходимости разработчики AGP вероятно смогли бы предложить более скоростную ее версию), а с тенденцией унификации внутренних шин и перехода на легко масштабируемые соединения типа «точка – точка», которым корпорация Intel отводит центральную перспективную роль.

В табл. 5.1 представлены характеристики основных внутренних шин ПК.

Таблица 5.1

Характеристики внутренних шин ПК

Наименование	Количество линий	Частота, МГц	Бит за такт	Пропускная способность, Гбайт/с
PCI 32-бит PCI 64-бит PCI-X PCI-X 2.0 PCI-X 2.0 HL 2.0 HyperTransport MuTIOL AGP 3.0 (8x) PCI-Express x1 PCI-Express x16	32 64 64 64 64 16 32 16 32 4 4 x 16	33 66 133 133 133 266 800 133 66 250 250	1 1 1 2 4 2 2 4 8 2 2	133 533 1066 2100 4200 1066 6400 1200 2100 250 4000

При подключении различных устройств, внешних относительно материнской платы или компьютера в целом, находит применение несколько разных внешних интерфейсных соединений (внешних интерфейсов).

Параллельный интерфейс IDE (Imbedded Drive Electronics – «встроенная электроника дисковода»), имеющий также название АТА (Attachment Advanced Technology – «технология подключения устройств к PC AT») предназначен исключительно для обеспечения работы дисковых накопителей информации.

Первый стандарт АТА обеспечивал скорость обмена данными с НЖМД от 2 до 3 Мбайт/с, поддерживал только два НЖМД, емкость каждого из которых не могла превышать 504 Мбайт. Малые скорости обмена данными и существенные ограничения интерфейса АТА требовали усовершенствования этого интерфейса. В 1993 году был разработан новый интерфейс АТА-2, называемый также EIDE (Enhanced IDE – «усовершенствованный IDE»). В отличие от АТА интерфейс стандарта АТА-2 допускал увеличение емкости диска свыше 504 Мбайт, что стало возможным благодаря применению метода логической адресации блоков. АТА-2 поддерживал подключение не только НЖМД, но и других устройств: накопителей на оптических дисках, накопителей на магнитных лентах. Контроллер АТА-2 имел два канала (primary – «первичный» и secondary – «вторичный»), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (то есть всего четыре). Последующая модификация интерфейса Ultra АТА/33, называемая также ATA-33, включала режим прямого доступа к памяти Ultra DMA/33 (Direct Memory Access – «прямой доступ к памяти») и обеспечивала передачу данных со скоростью до 33 Мбайт/с.

Интерфейс Ultra АТА/66 (АТА-66) по сравнению с Ultra АТА/33 удваивает скорость передачи данных до 66 Мбайт/с за счет увеличения частоты тактового сигнала. Для обеспечения целостности данных предусмотрен новый 80-жильный шлейфовый кабель, который подключается к стандартному 40-контактному разъему. В новом кабеле сигнальные линии разделены линиями «заземления», которые играют роль экрана. Последним развитием интерфейса Ultra АТА/66 являются протоколы Ultra АТА/100 и Ultra АТА/133, обеспечивающие передачу данных со скоростями 100 Мбайт/с и 133 Мбайт/с соответственно. Ultra АТА/100 и Ultra АТА/133 поддерживают все предыдущие интерфейсы.

Другой параллельный внешний интерфейс SCSI (Small Computer System Interface – «интерфейс малых вычислительных систем») также реализован в виде кабельного шлейфа и с внутренними шинами связывается через так называемый хост-адаптер (Host Adapter). К настоящему времени разработано несколько спецификаций (стандартов) интерфейса SCSI. Максимальная пропускная способность этого интерфейса составляет 320 Мбайт/с для стандарта Ultra320 SCSI. Область применения SCSI шире, чем интерфейсов IDE/ATA. SCSI используется не только для подключения дисковых накопителей информации, но и различных периферийных устройств (чаще всего сканеров) с большим объемом передаваемых данных. Интерфейс SCSI является более дорогим в реализации, чем IDE/ATA. На смену параллельному интерфейсу Ultra 320 SCSI Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых вычислительных систем) также реализован в виде кабельного шлейфа и с внутренними шинами связывается через так называемый хост-адаптер (Host Adapter).

Как уже было отмечено, IDE и SCSI относятся к классу параллельных интерфейсов. При таком подходе на высоких скоростях передачи данных начинают проявляться электромагнитные помехи от соседних проводов, что вызывает ошибки чтения/записи. Использование дополнительных экранирующих проводников (как в 80-жильном шлейфе IDE-интерфейса) имеет определенные пределы и исчерпывает себя уже при скорости около 150 Мбайт/с. Кроме того, использование широких шлейфов загромождает внутреннее пространство системного блока ПК и существенно снижает возможности его эффективной вентиляции. Перечисленные причины привели к разработке современных последовательных интерфейсов Serial ATA и Serial Attached SCSI, приходящих на смену традиционным параллельным интерфейсам АТА и SCSI.

Последовательный интерфейс Serial ATA обеспечивает теоретическую скорость передачи данных до 150 Мбайт/с и реализуется посредством семижильного кабеля (два провода – для передачи данных, два – для приема и три провода заземления), что упрощает конструкцию, снижает цену кабелей, облегчает монтаж проводов в корпусе ПК и улучшает охлаждение системного блока. Длина кабеля Serial ATA может достигать одного метра, что позволяет без проблем размещать накопители в любом месте крупногабаритного корпуса ПК и, в принципе, использовать их как внешние устройства. Кроме этого, Serial ATA обеспечивает «горячее» (т.е. без отключения питания) подключение накопителей, поэтому такие НЖМД удобны в качестве переносных ЗУ. Спецификация второй версии последовательного дискового интерфейса Serial ATA-II обеспечивает скорость передачи данных до 300 Мбайт/с и полную обратную совместимость с первой версией Serial ATA.

Преимущественная область применения последовательного интерфейса Serial Attached SCSI – высокопроизводительные дисковые накопители серверных систем.

В состав современного ПК входит несколько традиционных интерфейсов для работы с внешними устройствами. Прежде всего это последовательный интерфейс PS/2 для подключения клавиатуры и мыши. Начиная с первых моделей в ПК имеется последовательный интерфейс, выполненный по стандарту RS–232C и предназначенный для обмена информацией с небольшими скоростями на расстоянии нескольких метров. Это так называемый COM-порт (Communication Port – «коммуникационный порт»), название которого указывает на его основное назначение – подключение коммуникационного оборудования (чаще всего модемов). К COM-портам также могут быть подключены различные манипуляторы (например, мышь), печатающие устройства, электронные ключи, различные измерительные комплексы, устройства управления блоков бесперебойного питания и другие устройства. В современных спецификациях традиционные COM-порты не рекомендованы, но еще разрешены для использования, если они обеспечивают пропускную способность до 115,2 Кбит/с.

Параллельный внешний интерфейс первоначально был введен в ПК для подключения принтера – поэтому исторически он носит название LPT-порт (Line PrinTer – «построчный принтер»), хотя к этому порту подключаются не только «построчные», но и другие современные типы принтеров. Для стандартного LPT-порта реализуется протокол передачи данных Centronics с пропускной способностью до 200 Кбайт/с. Разработано и реализовано несколько спецификаций так называемого «улучшенного» параллельного порта. К LPT-портам, кроме принтеров, подключают сканеры, коммуникационные устройства, электронные ключи, некоторые устройства хранения данных (например, накопители на магнитной ленте и сменных магнитных дисках). В современных спецификациях LPT-порт пока разрешен, однако рекомендован перевод устройств, подключаемых к LPT-порту, на современные скоростные последовательные интерфейсы.

Отметим мало распространенные в России, но присутствующие на современных материнских платах интерфейсы, такие как AMR, CNR, ACR. Интерфейс (разъем) AMR (Audio-Modem Riser – «разъем аудио-модем») предназначен для подключения специальных дочерних плат, объединяющих обработку звука и функции связи (модем, факс, телефония). Интерфейс (разъем) CNR (Communication Network Riser – «коммуникационный сетевой разъем») является расширением AMR с целью возможности подключения сетевых плат и обеспечения таким образом работы в компьютерных сетях. Интерфейс (разъем) ACR (Advanced Communication Riser – «усовершенствованный коммуникационный разъем») служит для подключения так называемых «облегченных» (за счет микросхем материнской платы) сетевых, аудио- и модемных плат.

Внешний последовательный интерфейс USB (Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина») относится к классу современных высокоскоростных последовательных интерфейсов и в отличие от устаревших COM- и LPT-портов позволяет (благодаря своей шинной архитектуре) подключать к каждому USB-порту (USB-разъему) последовательно до 127 разнообразных внешних устройств, удовлетворяющих спецификации USB. Современные операционные системы легко распознают добавленные USB-устройства, реализуя технологию Plug&Play. При использовании USB имеется возможность изменения конфигурации компьютера включением или отключением внешних устройств без перезапуска системы. Последовательное подключение устройств, характерное для USB, позволяет отказаться от большого количества соединительных кабелей, используемых для устаревших интерфейсов. К настоящему времени USB-подключение является стандартным для большинства выпускаемых периферийных устройств, таких как сканеры, принтеры, манипуляторы, цифровые камеры и т. д.

Еще один современный последовательный высокоскоростной интерфейс имеет название FireWire («огненный провод»), которое было дано ему разработчиком – фирмой Apple. Вначале этот интерфейс позиционировался как скоростной вариант SCSI. В 1990 году под эгидой IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers – Институт инженеров электротехники и электроники) было опубликовано техническое описание этой интерфейса, получившего наименование IEEE 1394 (стандарт IEEE 1394). Как и USB, интерфейс FireWire (IEEE 1394) обеспечивает внешнее подключение периферийных устройств к компьютеру и возможность переконфигурирования аппаратных средств компьютера без его выключения. В отличие от интерфейса USB, предназначенного в основном для подключения устройств ввода/вывода и аудио/видеоустройств, интерфейс IEEE 1394 ориентирован на высокоскоростные устройства хранения данных и новую цифровую видеоэлектронику, где этот интерфейс имеет название i.Link (торговая марка корпорации Sony).

Характеристики основных внешних интерфейсов обобщены в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Характеристики внешних интерфейсов

Наименование интерфейса	Пропускная способность, Мбайт/с
ATA 133 Ultra320 SCSI Fibre Channel Serial ATA Serial ATA-II Serial Attached SCSI USB 2.0 FireWire (IEEE 1394)	133 320 200 150 300 300 60 (480 Мбит/с) 50 (400 Мбит/с)

Резюме

Взаимные коммуникации функциональных устройства ВМ обеспечиваются системой внутренних и внешних шин. Внешние шины обычно именуются внешними интерфейсами. В зависимости от способа передачи информации по шине различают шины последовательные и параллельные. Основными характеристиками шин являются их разрядность и пропускная способность. Современные ВМ содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи.

В общем случае все сигнальные линии параллельной шины делятся на три группы: шину адреса, шину данных и шину управления. В некоторых шинах линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую группу линий, которая функционирует в режиме разделения времени.

При обмене информацией по шине между двумя устройствами одно из них долж­но инициировать обмен и управлять им. Такое устройство является ведущи­м. Устройство, не обладающее возможностями инициирования транзакции, носит название ведомого устройства. К шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих устрой­ств, но в любой момент времени активным может быть только одно из них. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих устрой­ств в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению ши­ной только одного из претендентов. Такая процедура называется арбитражом.

Некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного веду­щего устрой­ства передается сразу нескольким ведомым устрой­ствам, и в этом случае арбитраж не требуется. Арбитраж запросов обычно строится на основе механизмов статических или динамических приоритетов претендентов. Недостатком механизма статических приоритетов является возможность полного блокирования доступа к шине уст­ройств с низким уровнем приоритета со стороны устройств, имею­щих более высокий приоритет. При использовании динамических приоритетов реализуется принцип рав­нодоступности. Среди механизмов динамических приоритетов наибольшее распространение получили алгоритмы простой циклической смены приоритетов, циклической смены приоритетов с учетом последнего запроса, смены приоритетов по случайному закону, схема равных приоритетов, алгоритм «наиболее давнего» использования.

Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по централизо­ванной или децентрализованной схеме. При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство – центральный арбитр, которое ответственно за предоставление доступа к шине только одному из запросивших доступ ведущих устройств. В зависимости от того, каким образом веду­щие устройства подключены к центральному арбитру, возможны параллельные и последователь­ные схемы центра­лизованного арбитража. При децентрализованном арбитраже единый арбитр отсут­ствует, а каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине, и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с дру­гом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. Существенное влияние на производительную работу шин оказывают физические эффекты, связанные с процессами передачи информации по шинам.

Существует несколько приемов, позволяющих повысить производительность шин. К ним, прежде всего, следует отнести пакетный режим, конвейеризацию и расщеп­ление транзакций.

В вычислительных машинах используется несколько различных по характеристикам шин. Их развитие и совершенствование непрерывно продолжается.