Эволюция и разновидности шин

Теперь рассмотрим эволюцию и характеристики шин расширения, через которые подключаются разнообразные устройства, расширяющие возможности компьютера (сетевая карта, звуковая карта и пр.).

Для обзора шин расширения сведем их характеристики в таблицу. В качестве характеристик будут фигурировать разрядности шины адреса и шины данных, тактовая частота, скорость передачи данных.

Таблица 5 Шины ввода вывода

Наименование	Разрядность шины адреса	Разрядность шины данных)	Тактовая частота	Скорость передачи данных
ISA			8 МГц	5.3 Мбайт/с
VLB			Частота процессора	80 Мбайт/с
PCI		32 (64)	33, 66 МГц	133 Мбайт/с (33 МГц) 266 Мбайт/с (66 МГц)
AGP			66 МГц	2 ГБ/с. (только одно устройство)
PCI Express	Последовательная шина, но программно совместима с PCI		2,5 Гбит/с.

 

ISA

В 1981 году компания IBM представила шину ISA (Industrial Standard Architecture - промышленная стандартная архитектура). Она стала одной из первых шин расширения ввода-вывода для персональных компьютеров.

Шина ISA представляла интерфейс для подключения различных адаптеров и контроллеров периферийных устройств. Разъём состоял из 62-х контактов, из них 8 — для данных, 20 — линии адреса, 6 — для прерываний от IRQ2 до IRQ7, тактовая частота шины была 4.7 МГц. Пропускная способность этой шины достигала 1.2 Мб/сек.

ISA -16

В 1984 году шина была усовершенствована — стала способной передавать 16-бит данных за такт, увеличена тактовая частота до 8 МГц, пропускная способность выросла до 5.3 Мб/сек, размер адресуемой памяти был увеличен с 4 МБ до 16 МБ.

Поскольку частота процессора скоро стала значительно выше частоты системной шины, появилось понятие деление частоты, когда частота, задаваемая тактовым генератором для всей системы, делится на некое число для установки частоты работы шины расширений.

В настоящее время шина ISA считается устаревшей и применяется только в промышленных компьютерах. На материнских платах обычных компьютеров ее заменила шина LPC (см. ниже).

VLB

VESA local bus (VLB) по существу, является расширением внутренней шины процессора Intel 80486 для связи с видеоадаптером (соответственно характеризуется теми же параметрами, что и шина i486). Разработана в 1992 г. Реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с.

PCI

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) – разработана компанией Intel в 1991 году.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI. В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в 64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы и шина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема.

На шине PCI сигналы адреса и данных мультиплексированы, поэтому для передачи каждых 32 или 64 разрядов требуется два шинных цикла: один - для пересылки адреса, а второй - для пересылки данных. Однако возможен также пакетный режим, при котором вслед за одним циклом передачи адреса разрешается осуществить до четырех циклов передачи данных (до 16 байт в PCI-32). После этого устройство должно подать новый запрос на обслуживание и снова получить управление над шиной (и выполнить адресный цикл). Поэтому шина PCI-32 с тактовой частотой 33 МГц имеет пиковую скорость обычной передачи около 66 Мбайт/с (два шинных цикла для передачи 4 байт) и пиковую скорость пакетной передачи около 105 Мбайт/с.

PCI поддерживает процедуру прямого доступа к памяти ведущего устройства на шине (bus mastering DMA).

Шина поддерживает технологию Plug and Play (сокр. PnP), что дословно переводится как «включил и играй (работай)» – технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере. После старта компьютера системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине, и распределяет ресурсы.

AGP

В 1996 году фирмой Intel был предложен выделенный интерфейс для подключения видеокарты – AGP (Accelerated Graphics Port - высокоскоростной графический порт).

Интерфейс AGP по топологии не является шиной, т.к. поддерживает только одну видеокарту, т.е. это порт. Порт AGP построен на основе PCI с тактовой частотой 66 МГц и 32-разрядной шиной данных. Для повышения пропускной способности AGP предусмотрена возможность передавать данные с помощью специальных сигналов, используемых как стробы, вместо сигнала тактовой частоты 66 МГц. Например, в режиме AGP 2x данные передаются как по переднему, так и по заднему фронту тактового сигнала, что позволяет достичь пропускной способности 533 Мбайт/с.

Увеличение пропускной способности AGP достигается также с помощью конвейеризации. Сравним: На PCI по выставленному адресу после задержки появляются данные. На AGP сначала выставляется пакет адресов, на которые следует ответ пакетом данных (рис.).

В настоящее время порт AGP практически исчерпал свои возможности и активно вытесняется системным интерфейсом PCI Express.

PCI Express

Интерфейс PCI Express (PCI-E) использует концепцию PCI, однако физическая их реализация кардинально отличается. На физическом уровне PCI Express представляет собой не шину, а некое подобие сетевого взаимодействия на основе последовательного протокола. Высокое быстродействие PCI Express позволяет в перспективе отказаться от других системных интерфейсов (AGP, PCI).

Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express, позволяющая существенно повысить производительность системы, - использование топологии «звезда». В топологии «шина» устройствам приходится разделять пропускную способность PCI между собой. При топологии «звезда» (рис.) каждое устройство монопольно использует канал, связывающий его с концентратором (switch) PCI Express, не деля ни с кем пропускную способность этого канала.

 

 

На современных материнских платах PCI Express обычно используют для подключения видеокарты.

Разработаны различные модификации шины (PCI-E x1, x4, x8, x16). Даже самая медленная PCI-E x1 по скорости примерно в два раза превосходит скорость AGP. PCI Express обеспечивает скорость передачи до 2.5 Гбит/с (до 5 Гбит/с для версии PCI Express 2.0).

Слот PCI-E 16x, как самый скоростной (до 16 Гб/с), обычно используется для установки видеокарты. Слоты PCI-E x1 (x4, x8) обычно используется для установки сетевых адаптеров, звуковых карт, TV-тюнеров..на плате может быть расположено до 7 слотов PCI-E.

LPC

Шина LPC (Low Pin Count Interface, Интерфейс малого количества контактов) была введена для замены шины ISA. используется для подключения устройств, не требующих большой пропускной способности. К таким устройствам относятся микросхема перепрограммируемой памяти (BIOS) и контроллеры «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных, такие как последовательный и параллельные интерфейсы, интерфейс подключения манипулятора «мышь» и клавиатуры, флоппи-контроллер.

Хотя LPC физически сильно отличается от ISA, программная модель периферийных контроллеров, подключаемых через LPC, осталась прежней. Это позволило без доработок использовать на компьютерах с LPC программное обеспечение, разработанное для управления периферийными контроллерами, которые подключались к шине ISA.

В соответствии со своим названием интерфейс имеет всего 7 контактов: 4 для данных и 3 управляющих. При частоте тактового сигнала 33,3 МГц пропускная способность шины LPC составляет 16,67 МБ/с.