VLB SVGA-карта

Призначення контактів роз'єму VLB

VESA local bus(VL-Bus або VLB) - тип локальної шини, розроблений асоціацією VESA для персональних комп'ютерів. Шина VLB є розширенням внутрішньої шини мікропроцесора Intel 80486 для зв'язку з відеоадаптером і рідше з контролером HDD. Реальна швидкість передачі даних за VLB - 80 Мбайт/с (теоретично досяжна - 132 Мбайт/с).

Історія

Як виглядає слот шини

Слот VLB був розширенням шини ISA. Тому карти для шини ISA могли вставлятися в слот VLB та працювати. Це робило роз'єм досить довгим, і через це абревіатура VLB жартома розшифрувалася як Very Long Bus (Дуже Довга Шина). Додаткова частина VLB роз'єму була пофарбована в світло-коричневий колір, для неї використовувався той самий 116-контактний роз'єм, що і для MicroChannel. Фізичний рознімання (слот, форм-фактор) шини PCI практично збігається з додатковою частиною роз'єму VLB, але розташований у заднього краю системної плати і має інші призначення висновків.

Технічні подробиці

VLB була розширенням шини ISA лише для процесорів Intel 80486 та використовувала його технічні особливості. По суті, контакти додаткового слота виходили фізичні лінії системної шини (процесор-пам'ять). Таким чином, процесор міг безпосередньо звертатися до буферів та пам'яті контролерів, що працюють на VLB. Для процесора це виглядало як додаткові модулі звичайної пам'яті (загальний адресний простір). Таким чином, процесор працював з пристроєм на тих же швидкостях, що і з пам'яттю (у той час як ISA використовувала тактову частоту 8 МГц і 16-бітну шину), що забезпечувало високу швидкодію.

У разі процесорів Pentium та NexGen функціональність шини VLB реалізовувалась за допомогою додаткових мостів у чіпсеті, що призводило до катастрофічного падіння продуктивності.

У шинах відеоконтролерів (AGP, PCI-Express) цей підхід застосовується досі («північний міст» - мікросхема, що зв'язує процесор, пам'ять та графічну шину).

У нових процесорах Intel та AMD доступ до пам'яті та графічної шини здійснюється безпосередньо через контролер, вбудований безпосередньо у процесор.

Шина VLB практично перестала застосовуватися разом з процесором i486 та базовою шиною ISA, електричні та часові параметри яких використовувала та розширенням яких була.

Шина PCI не була конструктивно сумісна з жодною з попередниць, розроблена як подальший розвиток шин MicroChannel і SBus), і принципово відрізняється від VLB великою кількістю можливостей як по автоматичному налаштуванніапаратури, так і за зручністю її використання, наприклад, наявністю прямого доступу до пам'яті (direct memory access, DMA) - здатністю шини у фоновому режимі (без участі процесора) переносити дані між буфером зовнішньої плати та оперативною пам'яттю. Крім того, шина PCI не була так сильно прив'язана до певного типу центрального процесора і могла обслуговувати більше роз'ємів. Це зумовило витіснення шини VLB шиною PCI.

Плати VLB, за рідкісним винятком, було неможливо працювати лише у слоті ISA.

VLB(VESA Local Bus – локальна шина стандарту VESA) – 32-розрядне доповнення до шини ISA. Конструктивно є додатковим роз'ємом (116-контактним, як у MCA) при роз'ємі ISA. Розрядність – 32/32, тактова частота – 25..50 МГц, гранична швидкість обміну – 130 Мб/с. Електрично виконана у вигляді розширення локальної шини процесора - більшість вхідних та вихідних сигналів процесора передаються безпосередньо VLB-плат без проміжної буферизації. Через це зростає навантаження на вихідні каскади процесора, погіршується якість сигналів на локальній шині та знижується надійність обміну нею. Тому VLB має жорстке обмеження на кількість пристроїв, що встановлюються: при 33 МГц - три, 40 МГц - два, і при 50 МГц - одне, причому бажано - інтегроване в системну плату.

Слоти VLB на материнській карті

Локальною шиною(local bus) зазвичай називається шина, електрично що виходить безпосередньо контакти мікропроцесора, тобто. це шина процесора. Вона зазвичай поєднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини та її контролер, а також деякі інші допоміжні схеми. Роботи зі створення локальної шини велися різними фірмами паралельно, але зрештою було створено асоціацію стандартів відео обладнання - Video Equipment Standard Association (VESA). Перша специфікація на стандарт локальної шини з'явилася 1992 року. Багато було запозичено з архітектури локальної шини 80486. Було розроблено тільки новий протокол обробки сигналів та топологію роз'ємів. Перевагами VLB є висока швидкістьобміну інформації (шина може працювати у системі з процесором 80486DX-50). Але виникає залежність від частоти роботи процесора (конструювання плат із широким частотним діапазоном). Електричне навантаження не дозволяє підключати більше трьох плат. Крім того, VLB не розрахована на використання з процесорами, що прийшли на заміну 486 або паралельно існуючими з ними: Alpha, PowerPC та ін. Тому з середини 1993 року з асоціації VESA вийшов ряд виробників на чолі з Intel. Ці фірми створили спеціальну групу розробки нового альтернативного стандарту, названу Peripheral Component Interconnect (PCI).

Компоненти всередині РС взаємодіють один з одним у різний спосіб. Більшість внутрішніх компонентів, включаючи процесор, кеш, пам'ять, карти розширення та пристрої, що запам'ятовують, взаємодіють один з одним за допомогою однієї або декількох шин(Buses).

Шина в комп'ютерах являє собою канал, яким передається інформація між двома або декількома пристроями (зазвичай шина, що з'єднує тільки два пристрої, називається портом- Port). Шина зазвичай має точки доступу, або місця, до яких може підключитися пристрій для перетворення себе на частину шини, а пристрої на шині можуть надсилати інформацію іншим пристроям та приймати інформацію з інших пристроїв. Поняття шини є досить загальним як " нутрощі " РС, так зовнішнього світу. Наприклад, телефонне з'єднання в будинку можна вважати шиною: інформація передається по провідникам в будинку і можна підключитися до "шини", встановивши телефонну розетку, підключивши телефон до неї і піднявши трубку телефону. Усі телефони на шині можуть розділяти інформацію, тобто. мова.

Цей матеріал присвячений шинам сучасних РС. Спочатку обговорюються шини та їх характеристики, а потім докладно розглядаються найпоширеніші у світі РС шини введення-виводу(Input/Output bus), звані також шинами розширення(Expansion buses).

Функції та характеристики шин

Шини РС є основними "трактами" даних на материнської плати. Головною з них є системна шина(system bus), що з'єднує процесор та основну пам'ять RAM. Раніше ця шина називалася локальною, а в сучасних РС називається передньою шиною(Front Side Bus – FSB). Характеристики системної шини визначаються процесором; сучасна системна шина має ширину 64 біта та працює на частоті 66, 100 або 133 МГц. Сигнали такої високої частоти створюють електричні перешкоди та ставлять інші проблеми. Отже, частоту необхідно зменшити, щоб дані досягали карт розширення(expansion card), або адаптерів(adapters) та інших більш віддалених компонентів.

Однак перші РС мали лише одну шину, яка була спільною для процесора, пам'яті RAM та компонентів введення-виводу. Процесори першого і другого поколінь працювали з низькою частотою синхронізації, і всі компоненти системи могли підтримувати таку частоту. Така архітектура дозволяла розширювати ємність RAM за допомогою карт розширення.

У 1987 р. розробники компанії Compaq вирішили відокремити системну шину від шини введення-виводу для того, щоб вони могли працювати з різною швидкістю. З того часу така багатошинна архітектура стала промисловим стандартом. Понад те, сучасні РС мають кілька шин ввода-вывода.

Ієрархія шин

У РС є ієрархічна організація різних шин. Більшість сучасних РС має, як мінімум, чотири шини. Ієрархія шин пояснюється лише тим, кожна шина дедалі більше віддаляється від процесора; кожна шина підключається до рівня, що знаходиться вище її, поєднуючи різні компоненти РС. Кожна шина зазвичай повільніша за шину, що знаходиться вище її (з очевидної причини - процесор є найбільш швидким пристроєм в РС):

• Шина внутрішнього кешу:Це найшвидша шина, яка з'єднує процесор та внутрішній L1-кеш.
• Системна шина:Це системна шина другого рівня, яка з'єднує підсистему пам'яті із чіпсетом та процесором. У деяких системах шини процесора і пам'яті є одне й те саме. Ця шина до 1998 працювала зі швидкістю (частотою синхронізації) 66 МГц, а потім вона була підвищена до 100 МГц і навіть 133 МГц. У процесорах Pentium II і вище реалізована архітектура подвійний незалежною шиною(Dual Independent Bus – DIB) – єдина системна шина замінена на дві незалежні шини. Одна з них призначена для доступу до основної пам'яті та називається передньою шиною(frontside bus), а друга - для доступу до L2-кешу і називається задньою шиною(backside bus). Наявність двох шин підвищує продуктивність РС, оскільки процесор може одночасно отримувати дані з обох шин. У материнських платах та чіпсетах п'ятого покоління L2-кеш підключено до стандартної шини пам'яті. Зазначимо, що системну шину називають також основною шиною(main bus), шиною процесора(processor bus), шиною пам'яті(memory bus) і навіть локальною шиною(local bus).
• Локальна шина введення-виводу:Ця швидкодіюча шина введення-виводу використовується для підключення швидких периферійних пристроїв до пам'яті, чіпсету та процесору. Таку шину використовують відеокарти, дискові накопичувачі та мережеві інтерфейси. Найбільш поширеними локальними шинами введення-виводу є VESA Local Bus (VLB) та шина Peripheral Component Interconnect (PCI).
• Стандартна шина введення-виводу:До розглянутих трьох шин підключається "заслужена" стандартна шина вводу-виводу, яка застосовується для повільних периферійних пристроїв (миша, модем, звукові карти та ін), а також сумісності зі старими пристроями. Майже у всіх сучасних РС такою шиною є шина ISA (Industry Standard Architecture – стандартна промислова архітектура).
• Універсальна послідовна шина(Universal Serial Bus - USB), що дозволяє підключати до 127 повільних периферійних пристроїв з використанням хаба(hub) або шлейфного з'єднання (daisy-chaining) пристроїв.
• Швидкісна послідовна шина IEEE 1394 (FireWire), призначена для підключення до РС цифрових камер, принтерів, телевізорів та інших пристроїв, що вимагають високу пропускну здатність.

Декілька шин вводу-виводу, що з'єднують різні периферійні пристрої з процесором, підключаються до системної шини за допомогою мосту(bridge), реалізованого у чіпсеті. Системний чіпсет керує всіма шинами і забезпечує, що кожен пристрій у системі правильно взаємодіє з кожним іншим пристроєм.

У нових РС є додаткова "шина", спеціально призначена тільки для графічної взаємодії. Фактично це не шина, а порт- прискорений графічний порт (Accelerated Graphics Port – AGP). Відмінність між шиною та портом полягає в тому, що шина зазвичай розрахована на поділ носія декількома пристроями, а порт призначений лише для двох пристроїв.

Як показано раніше, шини вводу-виводу фактично є розширенням системної шини. На материнській платі системна шина закінчується мікросхемою чіпсету, яка утворює міст до шини вводу-виводу. Шини грають найважливішу роль обміні даними в РС. Практично всі компоненти РС, крім процесора, взаємодіють друг з одним і системної пам'яттю RAM через різні шини ввода-вывода, як показано малюнку зліва.

Шини адреси та даних

Кожна шина складається із двох різних частин: шина даних(data bus) та шина адреси(address bus). Говорячи про шину, більшість людей розуміє саме шину даних; по лініях цієї шини передаються дані. Шина адреси є набором ліній, сигнали на яких визначають, куди передавати або звідки приймати дані.

Звичайно, є сигнальні лінії для керування функціонуванням шини та сигналізації про доступність даних. Іноді ці лінії називаються шиною управління(control bus), хоча часто вони не згадуються.

Ширина шини

Шина - це канал, яким "тече" інформація. Чим ширша шина, тим більше інформації може "текти" каналом. Перша шина ISA IBM PC мала ширину 8 бітів; використовується зараз універсальна шина ISA має ширину 16. Інші шини введення-виводу, включаючи VLB та PCI, мають ширину 32 біти. Ширина системної шини в РС із процесорами Pentium становить 64 біти.

Ширину шини адреси можна визначити незалежно від ширини шини даних. Ширина шини адреси показує, скільки осередків пам'яті можна адресувати під час передачі даних. У сучасних РС ширина шини адреси становить 36 бітів, що забезпечує адресацію пам'яті ємністю 64 ГБ.

Швидкість (швидкість) шини

Швидкість шини(bus speed) показує, скільки бітів інформації можна передавати по кожному провіднику шини за секунду. Більшість шин передають по одному провіднику один біт у такті синхронізації, хоча нові шини, наприклад AGP, можуть передавати два біти даних у такті синхронізації, що подвоює продуктивність. У старій шині ISA для передачі одного біта потрібні два такти синхронізації, що знижує продуктивність вдвічі.

Ширина смуги пропускання шини

Ширина (бітів) Швидкість (МГц) Пропускна спроможність (МБ/с) 8-бітова ISA 16-бітова ISA 64-бітова PCI 2.1 AGP (режим x2) AGP (режим x4)

Ширина смуги пропускання(bandwidth) називається також пропускною здатністю(throughput) і показує загальний обсяг даних, який можна передати по шині за дану одиницю часу. У таблиці наведено теоретичніпропускні можливості сучасних шин вводу-виводу. Фактично шини не досягають теоретичного показника через службові втрати на виконання команд та інших факторів. Більшість шин може працювати із різною швидкістю; у наступній таблиці наведено найбільш типові значення.

Зробимо зауваження щодо чотирьох останніх рядків. Теоретично шину PCI можна розширити до 64 бітів та швидкості 66 МГц. Однак з причин сумісності майже всі шини PCI та пристрої на шині розраховані лише на 33 МГц та 32 біти. AGP спирається на теоретичний стандарт та працює на 66 МГц, але зберігає ширину 32 біти. AGP має додаткові режими x2 та x4, які дозволяють порту виконувати передачі даних два або чотири рази в такті синхронізації, що збільшує ефективну швидкість шини до 133 або 266 МГц.

Інтерфейс шин

У системі з декількома шинами чіпсет повинен забезпечити схеми для об'єднання шин та взаємодії пристрою на одній шині з пристроєм на іншій шині. Такі схеми називаються мостом(bridge) (зазначимо, що мостом називається також мережний пристрій для з'єднання двох різнотипних мереж). Найбільш поширений міст PCI-ISA, який є компонентом системного чіпсету для PC з процесорами Pentium. Шина PCI також має міст до системної шини.

Мастеринг шини

У шинах з великою пропускною здатністю кожну секунду каналом передається величезний обсяг інформації. Зазвичай керувати цими передачами потрібен процесор. Фактично процесор діє як "посередник" і, як це часто буває у реальному світі, набагато ефективніше прибрати посередника і прямо виконувати передачі. І тому розроблено пристрої, які можуть керувати шиною та діяти самостійно, тобто. передавати дані безпосередньо у системну пам'ять RAM; такі пристрої називаються провідними шини(Bus masters). Теоретично процесор одночасно з передачами даних по шині може виконувати іншу роботу; практично ситуація ускладнюється кількома чинниками. Для правильної реалізації мастерингу шини(bus mastering) необхідний арбітраж запитів шини, що забезпечується чипсетом. Мастеринг шини називається також "first party" DMA, так як роботою управляє пристрій, що виконує передачу.

Наразі мастеринг шини реалізований на шині PCI; додано також підтримку жорстких дисків IDE/ATA реалізації мастеринга шини на PCI за певних умов.

Принцип локальної шини

Початок 90-х років характеризується переходом від текстових додатків до графічних та зростання популярності операційної системи Windows. А це призвело до величезного збільшення обсягу інформації, який повинен передаватись між процесором, пам'яттю, відео та жорсткими дисками. Стандартний екран монохроматичного (чорно-білого) тексту містить лише 4000 байтів інформації (2000 для кодів символів та 2000 для екранних атрибутів), а стандартний 256-кольоровий екран Windows потребує понад 300 000 байтів! Більш того, сучасна роздільна здатність 1600x1200 при 16 млн кольорів вимагає 5.8 млн байтів інформації на екран!

Перехід програмного світу з тексту на графіку означав збільшення розмірів програм і підвищені вимоги пам'яті. З точки зору вводу-виводу для обробки додаткових даних для відеокарти та жорстких дисків величезної ємності потрібна набагато більша пропускна здатність введення-виводу. З цією ситуацією довелося зіткнутися з появою процесора 80486, продуктивність якого була набагато вищою за колишні процесори. Шина ISA перестала задовольняти вимогам, що зросли, і стала вузьким місцем у справі підвищення продуктивності РС. Підвищення швидкості процесора мало що дає, якщо він повинен очікувати на повільну системну шину для передачі даних.

Рішення було знайдено в розробці нової швидшої шини, яка повинна була доповнити шину ISA і застосовуватися спеціально для таких швидкодіючих пристроїв як відеокарти. Ця шина повинна була розміщуватися на (або поблизу) набагато швидше шини пам'яті і працювати приблизно із зовнішньою швидкістю процесора, щоб передавати дані набагато швидше за стандартну шину ISA. При розміщенні таких пристроїв поблизу (локально) процесора з'явилася локальна шина. Першою локальною шиною була VESA Local Bus (VLB), а сучасною локальною шиною у більшості РС є шина Peripheral Component Interconnect (PCI).

Системна шина

Системна шина(system bus) з'єднує процесор з основною пам'яттю RAM та, можливо, з L2-кешем. Вона є центральною шиноюкомп'ютера та інші шини "відгалужуються" від неї. Системна шина реалізована як набір провідників на материнській платі має відповідати конкретному типу процесора. Саме процесор визначає характеристики системної шини. Разом про те, що швидше системна шина, то швидше мають бути інші електронні компоненти РС.

Старі ЦП Ширина шини Швидкість шини 8088 8 бітів 4.77 МГц 8086 16 бітів 8 МГц 80286-12 16 бітів 12 МГц 80386SX-16 16 бітів 16 МГц 80386DX-25 32 біти 25 МГц

Розглянемо системні шини РС із процесорами кількох поколінь. У процесорах першого, другого та третього поколінь частота системної шини визначалася робочою частотою процесора. З підвищенням швидкості процесора збільшувалася і швидкість системної шини. Одночасно збільшувався і адресний простір: у процесорах 8088/8086 воно становило 1 МБ (20-бітова адреса), у процесорі 80286 адресний простір збільшено до 16 МБ (24-бітова адреса), а починаючи з процесора 80386 адресний простір становить 4 ГБ (3 -бітова адреса).

Сімейство 80486 Ширина шини Швидкість шини 80486SX-25 32 біти 25 МГц 80486DX-33 32 біти 33 МГц 80486DX2-50 32 біти 25 МГц 80486DX-50 32 біти 50 МГц 80486DX2-66 32 біти 33 МГц 80486DX4-100 32 біти 40 МГц 5X86-133 32 біти 33 МГц

Як очевидно з таблиці для процесорів четвертого покоління, швидкість системної шини спочатку відповідала робочої частоті процесора. Однак технологічні досягнення дозволяли підвищувати частоту процесора, а відповідність швидкості системної шини вимагало підвищення швидкодії зовнішніх компонентів, в основному системної пам'яті, що було пов'язане зі значними труднощами та вартісними обмеженнями. Тому в процесорі 80486DX2-50 було вперше використано подвоєння частоти(clock doubling): процесор працював з внутрішньоїчастотою синхронізації 50 МГц, а зовнішняшвидкість системної шини становила 25 МГц, тобто. лише половину робочої частоти процесора. Цей прийом значно підвищує продуктивність комп'ютера, особливо завдяки наявності внутрішнього L1-кешу, який задовольняє більшість звернень до системної пам'яті. Відтоді множення частоти(clock multiplying) стало стандартним способом підвищення продуктивності комп'ютера та застосовується у всіх сучасних процесорах, причому множник частоти доведено до 8, 10 та більше.

Сімейство Pentium Ширина шини Швидкість шини Intel P60 64 біта 60 МГц Intel P100 64 біта 66 МГц Cyrix 6X86 P133+ 64 біта 55 МГц AMD K5-133 64 біта 66 МГц Intel P150 64 біта 60 МГц Intel P166 64 біта 66 МГц Cyrix 6X86 P166+ 64 біта 66 МГц Pentium Pro 200 64 біта 66 МГц Cyrix 6X86 P200+ 64 біта 75 МГц Pentium II 64 біта 66 Мгц

Тривалий час системні шини РС із процесорами п'ятого покоління працювали зі швидкістю 60 МГц та 66 МГц. Значним кроком уперед стало збільшення ширини даних до 64 бітів та розширення адресного простору до 64 ГБ (36-бітова адреса).

Швидкість системної шини була підвищена до 100 МГц в 1998 завдяки освоєнню виробництва мікросхем PC100 SDRAM. Мікросхеми пам'яті RDRAM дозволяють значно підвищити швидкість системної шини. Однак перехід від 66 МГц до 100 МГц вплинув на процесори і материнські плати з Socket 7. У модулях Pentium II до 70-80% трафіку (передач інформації) здійснюється всередині нового картриджа SEC (Single Edge Cartridge), в якому знаходяться процесор і обидва кеші L1-кеш та L2-кеш. Цей картридж працює зі своєю швидкістю, незалежної від швидкості системної шини.

Процесор Чіпсет Швидкість шини Швидкість ЦП Intel Pentium II 82440BX 82440GX 100 МГц 350,400,450 МГц AMD K6-2 Via MVP3, ALi Aladdin V 100 МГц 250,300,400 МГц Intel Pentium II Xeon 82450NX 100 МГц 450,500 МГц Intel Pentium III i815 i820 133 МГц 600,667+ МГц AMD Athlon VIA KT133 200 МГц 600 – 1000 МГц

Чіпсети i820 та i815, розроблені для процесора Pentium III, розраховані на системну шину 133 МГц. Нарешті, в процесорі AMD Athlon запроваджено значні зміни в архітектурі та поняття системної шини виявилося непотрібним. Цей процесор може працювати з різними типами RAM на максимальній частоті 200 МГц.

Типи шин вводу-виводу

У цьому розділі мова йтиме про різні шини введення-виводу, причому більша частина його присвячена сучасним шинам. Загальне уявлення про використання шин введення-виведення дає наступний малюнок, що наочно показує призначення різних шин введення-виводу сучасного РС.

У наступній таблиці наведено сумарні відомості про різні шини введення-виводу, які застосовуються в сучасних РС:

Шина	Рік	Ширина	Швидкість	Макс. пропускна здатність
PC та XT	1980-82	8 бітів	Синхронна: 4.77-6 МГц	4-6 МБ/с
ISA (AT)	1984	16 бітів	Синхронна: 8-10 МГц	8 МБ/с
MCA	1987	32 біти	Асинхронна: 10.33 МГц	40 МБ/с
EISA (для серверів)	1988	32 біти	Синхронна: макс. 8 МГц	32 МБ/с
VLB, для 486	1993	32 біти	Синхронна: 33-50 МГц	100-160 МБ/с
PCI	1993	32/64 біта	Асинхронна: 33 МГц	132 МБ/с
USB	1996	Послідовна		1.2 МБ/с
FireWire (IEEE1394)	1999	Послідовна		80 МБ/с
USB 2.0	2001	Послідовна		12-40 МБ/с

Старі шини

Нові сучасні шини PCI і порт AGP "народилися" зі старих шин, які досі можна зустріти в РС. Більш того, найстаріша шина ISA досі використовується навіть у новітніх РС. Далі ми розглянемо дещо докладніше старі шини РС.

Шина Industry Standard Architecture (ISA)

Це найпоширеніша і справді стандартна шина для РС, яка використовується навіть у новітніх комп'ютерахнезважаючи на те, що практично не змінилася з моменту свого розширення до 16 бітів у 1984 р. Звичайно, зараз вона доповнена швидшими шинами, але "виживає" завдяки наявності величезної бази периферійного обладнання, розрахованого на цей стандарт. Крім того, є багато пристроїв, для яких швидкості ISA більш ніж достатньо, наприклад для модемів. На думку деяких експертів, до "вмирання" шини ISA пройде не менше 5-6 років.

Вибір ширини та швидкості шини ISA визначився процесорами, з якими вона працювала у перших РС. Оригінальна шина ISA IBM PC мала ширину 8 бітів, відповідаючи 8 біт зовнішньої шини даних процесора 8088, і працювала на частоті 4.77 МГц, що також відповідає швидкості процесора 8088. У 1984 р. з'явився комп'ютер IBM AT з процесором 8028 до 16 бітів, як у зовнішньої шини даних процесора 80286. Одночасно було підвищено до 8 МГц швидкість шини, що також відповідало швидкості процесора. Теоретично пропускна здатність шини становить 8 МБ/с, але вона не перевищує 1-2 МБ/с.

У сучасних РС шина ISA діє як внутрішня шина, яка використовується для клавіатури, гнучкого диска, послідовних та паралельних портів, і як зовнішня шина розширення, до якої можна підключити 16-бітові адаптери, наприклад, звукову карту.

Згодом процесори AT стали швидшими, а потім була збільшена і їх шина даних, але тепер вимога сумісності з існуючими пристроями змусила виробників дотримуватися стандарту, і шина ISA з того часу практично не змінилася. Шина ISA забезпечує достатню пропускну здатність для повільних пристроїв і гарантує сумісність майже з кожним випущеним РС.

Багато карт розширення, навіть сучасні, до цих пір є 8-бітовими (про це можна дізнатися по роз'єм карти - 8-бітові карти використовують тільки першу частину роз'єму ISA, а 16-бітові карти використовують обидві частини). Для цих карток невисока пропускна здатність шини ISA не відіграє ролі. Однак доступ до переривань від IRQ 9 до IRQ 15 забезпечується через провідники 16-бітової частини роз'ємів шини. Саме тому більшість модемів не можна підключити до IRQ із великими номерами. Лінії IRQ між пристроями ISA не можна розділяти.

Документ The PC99 System Design Guide, підготовлений компаніями Intel і Microsoft, категорично вимагає видалення слотів шини ISA з материнських плат, тому очікується, що дні цієї " заслуженої " шини пораховані.

Шина MicroChannel Architecture (MCA)

Ця шина стала спробою компанії IBM зробити шину ISA "більше і краще". З появою в середині 80-х років процесора 80386DX з 32-бітовою шиною даних компанія IBM вирішила розробити шину, що відповідає такій ширині шини даних. Шина MCA мала ширину 32 біти і мала кілька переваг у порівнянні з шиною ISA.

Шина MCA мала кілька чудових можливостей з огляду на те, що вона з'явилася в 1987 р., тобто. за сім років до появи шини PCI із аналогічними можливостями. У деяких відносинах шина МСА просто випередила свій час:

• Ширина 32 біти:Шина мала ширину 32 біти, як і локальні шини VESA і PCI. Її пропускна здатність була набагато вищою порівняно з шиною ISA.
• Мастеринг шини:Шина MCA ефективно підтримувала адаптери із мастерингом шини, включаючи правильний арбітраж шини.
• Шина MCA автоматично конфігурувала карти адаптерів, тому перемички стали непотрібними. Це сталося за 8 років до того, як Windows 95 перетворила технологію PnP на загальноприйняту для РС.

Шина MCA мала великі потенційні можливості. На жаль, компанія IBM ухвалила два такі рішення, які не сприяли розповсюдженню цієї шини. По-перше, шина МСА була несумісною із шиною ISA, тобто. карти ISA взагалі не працювали в РС із шиною МСА, а комп'ютерний ринок дуже чутливий до проблеми зворотної сумісності. По-друге, IBM вирішила зробити шину МСА своєю власністю, не продаючи ліцензію на її застосування.

Ці два фактори спільно з вищою вартістю систем з шиною МСА призвели до забуття шини МСА. Оскільки комп'ютери PS/2 більше не випускаються, шина МСА "померла" для ринку PC, хоча компанія IBM досі використовує її у своїх серверах RISC 6000 UNIX. Історія з шиною МСА є одним із класичних прикладів того, як у світі комп'ютерів нетехнічні питання часто домінують над технічними.

Шина Extended Industry Standard Architecture (EISA)

Ця шина ніколи не стала таким стандартом, яким є шина ISA, і не набула широкого поширення. Фактично вона була відповіддю компанії Compaq на шину МСА і спричинила аналогічні результати.

Компанія Compaq при розробці шини EISA уникла двох найважливіших помилок IBM. По-перше, шина EISA була сумісною з шиною ISA і, по-друге, дозволили використовувати її всім виробникам РС. Загалом шина EISA мала значні технічні переваги над шиною ISA, але ринок її не сприйняв. Основні особливості шини EISA:

• Сумісність із шиною ISA:Карти ISA могли працювати у слотах EISA.
• Ширина шини 32 біти:Ширина шини збільшено до 32 бітів.
• Мастеринг шини:Шина EISA ефективно підтримувала адаптери із мастерингом шини, включаючи правильний арбітраж шини.
• Технологія Plug and Play (PnP):Шина EISA автоматично конфігурувала карти адаптерів аналогічно стандарту PnP сучасних систем.

Системи на базі EISA зараз іноді зустрічаються в мережевих файлових серверах, а в настільних РС вона не застосовується через більш високу вартість та відсутність широкого вибору адаптерів. Нарешті, пропускна здатність значно поступається локальним шинам VESA Local Bus і PCI. Майже шина зараз EISA близька до "вмирання".

Шина VESA Local Bus (VLB)

Перша досить популярна локальна шина VESA Local Bus (VL-Bus або VLB) з'явилася в 1992 р. Абревіатура VESA означає Video Electronics Standards Association, а ця асоціація була створена наприкінці 80-х для вирішення проблем відеосистем в РС. Основною причиною розробки шини VLB було покращення продуктивності відеосистем РС.

Шина VLB є 32-бітовою шиною, яка є прямим розширенням шини пам'яті процесора 486. Слот шини VLB - це 16-бітовий слот ISA з доданими в кінці третім і четвертим роз'ємами. Шина VLB зазвичай працює на частоті 33 МГц, хоча в деяких системах можлива велика швидкість. Оскільки вона є розширенням шини ISA, карту ISA можна використовувати в слоті VLB, але має сенс спочатку зайняти звичайні слоти ISA і залишити невелику кількість слотів VLB для VLB карт, які, звичайно, не працюють в слотах ISA. Застосування відеокарти VLB та контролера вводу-виводу значно підвищує продуктивність системи порівняно із системою, що має лише одну шину ISA.

Незважаючи на те, що шина VLB була дуже популярна в РС з процесором 486, поява в 1994 процесора Pentium і його локальної шини PCI призвело до поступового "забуття" шини VLB. Однією з причин цього стали зусилля фірми Intel щодо просування шини PCI, але було й кілька технічних проблем, пов'язаних із реалізацією VLB. По-перше, конструкція шини дуже сильно "прив'язана" до процесора 486, а перехід до Pentium викликав проблеми сумісності та інші проблеми. По-друге, сама шина мала технічні недоліки: невелика кількість карток на шині (часто дві або навіть одна), проблеми синхронізації при використанні кількох карток та відсутність підтримки мастерингу шини та технології Plug and Play.

Зараз шина VLB вважається застарілою і навіть в останніх материнських платах із процесором 486 використовується шина PCI, а з процесорами Pentium – лише PCI. Однак РС із шиною VLB недорогі та їх іноді можна ще зустріти.

Шина Peripheral Component Interconnect (PCI)

Найбільш популярна зараз шина введення-виводу взаємодії периферійних компонентів(Peripheral Component Interconnect - PCI) розроблена фірмою Intel у 1993 р. Вона орієнтувалася на системи п'ятого та шостого поколінь, але застосовувалася і в останньому поколінні материнських плат із процесором 486.

Як і шина VESA Local Bus, шина PCI має ширину 32 біти і працює на частоті 33 МГц. Головна перевага PCI над шиною VESA Local Bus криється у чіпсеті, який керує шиною. Шиною PCI керують спеціальні схеми в чіпсеті, а шина VLB була, в основному, просто розширенням шини процесора 486. Шина PCI в цьому відношенні не "прив'язана" до процесора 486 і її чіпсет забезпечує правильне управління шиною та арбітраж шини, дозволяючи PCI робити набагато більше чим могла шина VLB. Шина PCI також застосовується і поза платформою РС, забезпечуючи універсальність та скорочуючи вартість розробки систем.

У сучасних РС шина PCI діє як внутрішня шина, яка підключається до каналу EIDE на материнській платі, та як зовнішня шина розширення, Що має 3-4 слоти розширення для PCI-адаптерів.

Шина PCI з'єднується із системною шиною через спеціальний "мост" (bridge) і працює на фіксованій частоті незалежно від частоти синхронізації процесора. Вона обмежена п'ятьма слотами розширення, але з них можна замінити двома пристроями, вбудованими в материнську плату. Процесор також може підтримувати кілька мікросхем мостів. Шина PCI більш строго специфікована порівняно з шиною VL-Bus та надає кілька додаткових можливостей. Зокрема, вона підтримує карти, що мають напругу живлення +3.3 і 5 В, за допомогою спеціальних ключів, які не дозволяють вставити карту в невідповідний слот. Далі функціонування шини PCI розглянуто докладніше.

Продуктивність шини PCI

Шина PCI фактично має найбільшу продуктивністьсеред загальних шин введення-виводу у сучасних РС. Це пояснюється кількома факторами:

• Пакетний режим (burst mode):Шина PCI може передавати інформацію в пакетному режимі, коли після початкової адресації можна передавати кілька наборів даних поспіль. Цей режим нагадує пакетизацію кеша (cache bursting).
• Мастеринг шини:Шина PCI підтримує повний майстеринг, що сприяє підвищенню продуктивності.
• Опції високої смуги пропускання:Версія 2.1 специфікації шини PCI допускає розширення до 64 бітів та 66 МГц, що підвищує поточну продуктивність у чотири рази. На практиці 64-бітова шина PCI поки що в РС не реалізована (хоча вже застосовується в деяких серверах) і швидкість зараз обмежена 33 МГц, в основному через проблеми сумісності. Деякий час доведеться обмежуватися 32 бітами та 33 МГц. Однак завдяки AGP у дещо зміненій формі буде реалізована вища продуктивність.

Швидкість шини PCI залежно від чіпсету та материнської плати можна встановити як синхронну чи асинхронну. При синхронному налаштуванні (що використовується в більшості РС) шина PCI працює з половинною швидкістю шини пам'яті; оскільки шина пам'яті зазвичай працює на 50, 60 чи 66 МГц, шина PCI працює на частоті 25, 30 або 33 МГц. При асинхронному налаштуванні швидкість шини PCI можна встановити незалежно від швидкості шини пам'яті. Цим зазвичай керують за допомогою перемичок на материнській платі або параметрами BIOS. "Розгін" (overclocking) системної шини в РС, який використовує синхронну шину PCI, викликає "розгін" і периферійних пристроїв PCI, часто викликаючи проблеми нестійкої роботи системи.

У початковій реалізації шина PCI працювала на частоті 33 МГц, а наступна специфікація PCI 2.1 визначила частоту 66 МГц, що відповідає пропускній здатності 266 МБ/с. Шину PCI можна конфігурувати на ширину даних 32 і 64 біти і допускається застосовувати 32 - і 64-бітові карти, а також розділяти переривання, що зручно у високопродуктивних системах, у яких не вистачає ліній IRQ. З середини 1995 всі швидкісні пристрої РС взаємодіють один з одним по шині PCI. Найчастіше вона застосовується для контролерів жорстких дисків та графічних контролерів, які монтуються безпосередньо на материнській платі або картах розширення в слотах шини PCI.

Слоти розширення шини PCI

Шина PCI допускає більше слотів розширення, ніж VLB, не викликаючи технічних проблем. Більшість систем з PCI підтримують 3 або 4 слоти PCI, а деякі значно більше.

Примітка:У деяких системах в повному обсязі слоти забезпечують мастеринг шини. Зараз це зустрічається рідше, але все ж таки рекомендується подивитися керівництво з материнської плати.

Шина PCI допускає більшу різноманітність карт розширення в порівнянні з шиною VLB. Найчастіше зустрічаються відеокарти, хост-адаптери SCSI та швидкісні мережні карти. (Жорсткі диски також працюють на шині PCI, але вони зазвичай підключаються безпосередньо до материнської плати.) Однак відзначимо, що шина PCI не реалізує деякі функції, наприклад, послідовні та паралельні порти повинні залишатися на шині ISA. На щастя, навіть зараз шина ISA залишається більш ніж достатньою для цих пристроїв.

Внутрішні переривання шини PCI

Шина PCI використовує внутрішню систему переривань для обробки запитів від карт на шині. Ці переривання часто називаються "#A", "#B", "#C" і "#D", щоб уникнути плутанини зі звичайно пронумерованими системними IRQ, хоча іноді вони називаються також від "#1" до "#4". Ці рівні переривань зазвичай невидимі користувачеві, за винятком екрана налаштування BIOS для PCI, де їх можна використовувати для керування роботою карт PCI.

Ці переривання, якщо вони потрібні карткам у слотах, відображаються на звичайні переривання, найчастіше на IRQ9 – IRQ12. Слоти PCI у більшості систем можна відобразити на більшість чотирьох звичайних IRQs. У системах, що мають більше чотирьох слотів PCI або мають чотири слоти та контролер USB (який використовує PCI), два або більше пристроїв PCI поділяють IRQ.

Мастеринг шини PCI

Нагадаємо, що мастеринг шини (bus mastering) є здатністю пристроїв на шині PCI (що відрізняються, звичайно, від системного чіпсету) брати на себе управління шиною і безпосередньо виконувати передачі. Шина PCI стала першою шиною, яка привела до популярності мастерингу шини (напевно, тому що операційна система та програми змогли використати його переваги).

Шина PCI підтримує повний мастеринг шини та забезпечує засоби арбітражу шини через системний чіпсет. Конструкція PCI допускає одночасний мастеринг шини декількох пристроїв, а схема арбітражу гарантує, що жоден пристрій на шині (включаючи процесор!) не заблокує інший пристрій. Однак дозволяється одному пристрою використовувати повну пропускну здатність шини, якщо інші пристрої нічого не передають. Іншими словами, шина PCI діє як крихітна локальна мережа всередині комп'ютера, де кілька пристроїв можуть взаємодіяти один з одним, розділяючи комунікаційний канал, і якою управляє чіпсет.

Технологія Plug and Play для шини PCI

Шина PCI є частиною стандарту Plug and Play (PnP), розробленого компаніями Intel, Microsoft та багатьма іншими. Системи із шиною PCI першими популяризували застосування PnP. Схеми чіпсету PCI керують ідентифікацією карт і разом з операційною системою і BIOS автоматично виробляють розподіл ресурсів сумісних карт.

Шина PCI постійно вдосконалюється та розробками керує Група PCI Special Interest Group, до якої входять компанії Intel, IBM, Apple та ін. Результатом цих розробок стало підвищення частоти шини до 66 МГц та розширення даних до 64 бітів. Однак створюються альтернативні варіанти, наприклад прискорений графічний порт (AGP) і швидкісна послідовна шина FireWire (IEEE 1394). Фактично AGP є шиною PCI 66 МГц (версія 2.1), в яку введені деякі удосконалення, орієнтовані на графічні системи.

Ще однією ініціативою є шина PCI-X, звана також "Project One" та "Future I/O". Компанії IBM, Mylex, 3Com, Adaptec, Hewlett-Packard та Compaq хочуть розробити спеціальну високошвидкісну серверну версію шини PCI. Ця шина матиме пропускну здатність 1 ГБ/с (64 біти, 133 МГц). Компанії Intel та Dell Computer не беруть участь у цьому проекті.

Компанії Dell Computer, Hitachi, NEC, Siemens, Sun Microsystems та Intel у відповідь на Project One виступили з ініціативою розробки шини Next-Generation I/O ( NGIO), орієнтованої на нову архітектуру вводу-виводу для серверів.

У серпні 1999 р. сім провідних компаній (Compaq, Dell, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Microsoft, Sun Microsystems) оголосили про намір об'єднати кращі ідеї шин Future I/O та Next Generation I/O. Нова відкрита архітектура введення-виводу для серверів має забезпечити пропускну здатність до 6 ГБ/с. Очікується, що новий стандарт NGIO буде прийнято наприкінці 2001 року.

Прискорений графічний порт

Необхідність підвищення смуги пропускання між процесором та відеосистемою спочатку призвела до розробки в РС локальної шини вводу-виводу, починаючи з VESA Local Bus та закінчуючи сучасною шиною PCI. Ця тенденція продовжується, причому вимога підвищеної смуги пропускання для відео вже не задовольняє навіть шина PCI з її стандартною пропускною здатністю 132 МБ/с. Тривимірна графіка(3D graphics) дозволяє моделювати на екрані віртуальні та реальні світи з найдрібнішими деталями. Відображення текстури та приховування об'єктів вимагають величезних обсягів даних і відеокарта повинна мати швидкий доступ до цих даних, щоб підтримати високу частоту регенерації.

Трафік на шині PCI стає дуже напруженим у сучасних РС, коли відео, жорсткі диски та інші периферійні пристрої конкурують між собою за єдину смугу пропускання вводу-виводу. Щоб запобігти насиченню шини PCI відеоінформацією, фірма Intel розробила новий інтерфейс спеціально для відеосистеми, який називається прискорений графічний порт(Accelerated Graphics Port - AGP).

Порт AGP розроблений у відповідь на вимогу дедалі більшої продуктивності для відео. У міру використання програмами та комп'ютерами таких областей, як тривимірна акселерація та відтворення відеофільмів (full-motion video playback), процесор та відео-чіпсет повинні обробляти дедалі більше інформації. У таких додатках шина PCI досягла своєї межі тим більше, що її використовують ще й жорсткі диски та інші периферійні пристрої.

Крім того, потрібно все більше відео пам'яті. Для тривимірної графіки потрібно більше пам'яті не тільки для екранного зображення, але і для обчислень. Традиційно ця проблема вирішується розміщенням дедалі більше пам'яті на відеокарті, але при цьому виникають дві проблеми:

• Вартість:Відеопам'ять дорожча за звичайну пам'ять RAM.
• Обмежена ємність:Місткість пам'яті на відеокарті обмежена: якщо розмістити на карті 6 МБ і для буфера кадру потрібно 4 МБ, для обробки залишається всього 2 МБ. Цю пам'ять розширити непросто і не можна використовувати для чогось іншого, якщо відеообробка не потрібна.

AGP вирішує ці проблеми, дозволяючи відеопроцесору звертатися до основної системної пам'яті для обчислень. Цей прийом набагато ефективніший, оскільки цю пам'ять можна динамічно розділяти між системним процесором та відеопроцесором залежно від потреб системи.

Ідея реалізації AGP досить проста: створити швидкий спеціалізований інтерфейс між відео-чіпсетом та системним процесором. Інтерфейс реалізується тільки між цими двома пристроями, що забезпечує три основні переваги: ​​простіше реалізувати порт, простіше підвищити швидкість AGP і можна ввести в інтерфейс специфічні для вдосконалення відео. AGP-чіпсет діє як посередник між процесором, L2-кешем Pentium II, системною пам'яттю, відеокартою та шиною PCI, реалізуючи так званий чотиривірний порт(Quad Port).

AGP вважається портом, а не шиною, тому що він об'єднує лише два пристрої (процесор та відеокарту) і не допускає розширення. Одне з основних переваг AGP у тому, що він ізолює відеосистему з інших компонентів РС, виключаючи конкуренцію за смугу пропускання. Оскільки відеокарта видаляється з шини PCI, інші пристрої можуть працювати швидше. Для AGP на материнській платі передбачено спеціальний сокет, що схожий на сокет шини PCI, але розміщується в іншому місці плати. На наступному малюнку зверху видно два сокети шини ISA (чорні), потім два сокети шини PCI (білі) та сокет ADP (коричневий).

AGP з'явився наприкінці 1997 р. і першою його підтримав чіпсет 440LX Pentium II. Вже наступного року з'явилися AGP-чіпсети інших компаній. Докладніше про AGP див. http://developer.intel.com/technology/agp/.

Інтерфейс AGP

Інтерфейс AGP багато в чому схожий на шину PCI. Сам слот має такі ж фізичні форми та розміри, але зміщений від краю материнської плати далі, ніж слоти PCI. Специфікація AGP фактично спирається на специфікацію PCI 2.1, яка допускає швидкість 66 МГц, але це швидкість не реалізована в РС. Материнські плати AGP мають один слот розширення для відеокарти AGP і один слот PCI менше, а іншому схожі на материнські плати PCI.

Ширина, швидкість та смуга пропускання шини

Шина AGP має ширину 32 біти, як і шина PCI, але замість роботи з половинною швидкістю шини пам'яті, як це робить PCI, вона працює з повною швидкістю. Наприклад, на стандартній материнській платі Pentium II AGP шина працює на 66 МГц замість 33 МГц шини PCI. Це відразу ж подвоює смугу пропускання порту - замість межі 132 МБ/с для PCI порт AGP має в режимі найменшої швидкості смугу 264 МБ/с. Крім того, він не розділяє смугу з іншими пристроями PCI шини.

На додаток до подвоєння швидкості шини в AGP визначено режим 2X, В якому використовуються спеціальні сигнали, що дозволяють передавати через порт удвічі більше даних при одній частоті синхронізації. У цьому режимі інформація передається по наростаючому та спадаючому напрямках сигналу синхронізації. Якщо шина PCI передає дані по одному фронту, AGP передає дані по обох фронтах. В результаті продуктивність ще подвоюється і теоретично сягає 528 МБ/с. Планується також реалізувати режим 4X, В якому в кожному такті синхронізації здійснюються чотири передачі, що підвищить продуктивність до 1056 МБ/с.

Звичайно, все це вражає і для відеокарти ширина смуги 1 ГБ/с дуже хороша, але виникає одна проблема: у сучасному РС є кілька шин. Нагадаємо, що в процесорах класу Pentium ширина шини даних 64 біта і вона працює на 66 МГц, що забезпечує теоретичну пропускну здатність 524 МБ/с, тому смуга 1 ГБ/с не дає значного виграшу, якщо не підвищити швидкість шини даних понад 66 МГц . У нових материнських платах швидкість системної шини підвищена до 100 МГц, що збільшує пропускну здатність до 800 МБ/с, але цього недостатньо для того, щоб виправдати передачі режиму 4X.

Крім того, процесор повинен звертатися до системної пам'яті, а не лише відеосистеми. Якщо вся системна смуга 524 МБ/с зайнята відео через AGP, що залишається робити процесору? У цьому випадку перехід до системної швидкості 100 МГц дасть певний виграш.

Відеоконвеєризація порту AGP

Одна з переваг AGP полягає в можливості конвеєризувати запити даних. Конвеєризація вперше використовувалася в сучасних процесорах як спосіб підвищення продуктивності за рахунок перекриття послідовних фрагментів завдань. Завдяки AGP відео-чіпсет може використовувати аналогічний прийом під час запиту інформації з пам'яті, що значно підвищує продуктивність.

Доступ AGP до системної пам'яті

Найважливішою особливістю AGP є можливість розділяти основну системну пам'ять з відео-чіпсетом. Це забезпечує відеосистемі доступ до більшої пам'яті для реалізації тривимірної графіки та іншої обробки, не вимагаючи розміщення відеокарти великої відеопам'яті. Пам'ять на відеокарті розділяється між буфером кадру (frame buffer) та іншими застосуваннями. Оскільки для буфера кадру потрібна швидкодіюча та дорога пам'ять, наприклад VRAM, у більшості карток всяпам'ять виконується на VRAM, хоча цього і потрібно для областей пам'яті, крім буфера кадру.

Зазначимо, що AGP невідноситься до уніфікованої архітектури пам'яті (Unified Memory Architecture – UMA). У цій архітектурі всяпам'ять відеокарти, включаючи буфер кадру, береться з основної системної пам'яті. В AGP буфер кадру залишається на відеокарті, де він розміщується. Буфер кадру є найбільш важливим компонентом відеопам'яті і потребує найвищої продуктивності, тому доцільніше залишити його на відеокарті та використовувати для нього VRAM.

AGP дозволяє відеопроцесору звертатися до системної пам'яті для вирішення інших завдань, що вимагають пам'яті, наприклад, текстурування та інших операцій тривимірної графіки. Ця пам'ять менш критична, як буфер кадру, що дозволяє здешевити відеокарти з допомогою зменшення ємності пам'яті VRAM. Звернення до системної пам'яті називається прямим виконанням із пам'яті(DIrect Memory Execute – DIME). Спеціальний пристрій, званий таблицею переображення графічної апертури(Graphics Aperture Remapping Table - GART), оперує адресами RAM таким чином, що їх можна розподілити в системній пам'яті невеликими блоками, а не однієї великої секції, і надає їх відеокарти як частиною відеопам'яті. Наочне уявлення про функції AGP дає наступний малюнок:

Вимоги AGP

Щоб використовувати систему AGP, необхідно виконати кілька вимог:

• Наявність відеокарти AGP:Ця вимога цілком очевидна.
• Наявність материнської плати з чіпсетом AGP:Зрозуміло, чипсет на материнській платі має підтримувати AGP.
• Підтримка операційної системи:Операційна система має підтримувати новий інтерфейс за допомогою своїх внутрішніх драйверів та процедур.
• Підтримка драйверів:Звичайно, відеокарті потрібні спеціальні драйвери, щоб підтримувати AGP та використовувати його спеціальні можливості, наприклад режим 3X.

Нові послідовні шини

Вже 20 років багато периферійних пристроїв підключаються до тих же паралельних і послідовних портів, які з'явилися в першому РС, і за винятком стандарту Plug and Play "технологія введення-виводу" з 1081 мало змінилася. Однак до кінця 90-х років минулого століття користувачі все сильніше стали відчувати обмеження стандартних паралельних та послідовних портів:

• Пропускна спроможність: Послідовні порти мають максимальну пропускну здатність 115.2 Кб/с, а паралельні порти (залежно від типу) близько 500 Кб/с. Однак для таких пристроїв, як цифрові відеокамери, потрібна значно вища пропускна здатність.
• Простота використання: Підключити пристрої до старих портів дуже незручно, особливо через перехідні роз'єми паралельних портів. Крім того, всі порти розташовані позаду РС.
• Апаратні ресурси: Для кожного порту потрібна своя лінія IRQ РС має лише 16 ліній IRQ, більшість з яких вже зайнято. Деякі РС для підключення нових пристроїв мають п'ять вільних ліній IRQ.
• Обмежена кількість портів: Багато РС мають два послідовні порти СОМ та один паралельний порт LPT. Дозволяється додати більше портів, але за рахунок використання цінних ліній IRQ.

В останні роки технологія введення-виведення перетворилася на одну з найбільш динамічних областей розвитку настільних РС і два розроблені стандарти послідовних передач даних сильно змінили способи підключення периферійних пристроїв і підняли концепцію Plug and Play на нову висоту. Завдяки новим стандартам будь-який користувач зможе підключити до РС майже необмежену кількість пристроїв буквально за кілька секунд, не маючи спеціальних технічних знань.

Універсальна послідовна шина

Розроблений компаніями Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC та Northern Telecom стандарт універсальної послідовної шини(Universal Serial Bus - USB) надає новий роз'єм для підключення всіх поширених пристроїв введення-виводу, усуваючи безліч сучасних портів та роз'ємів.

Шина USB допускає підключення до 127 пристроїв за допомогою шлейфного з'єднання(daisy-chaining) або використання USB-хаба(USB hub) Сам хаб, або концентратормає кілька сокетів і вставляється в РС або інший пристрій. До кожного USB-хабу можна підключити сім периферійних пристроїв. Серед них може бути і другий хаб, до якого можна підключити ще сім периферійних пристроїв тощо. Разом із сигналами даних шина USB передає напругу живлення +5 В, тому невеликі пристрої, наприклад ручні сканери, можуть не мати власного блока живлення.

Пристрої підключаються безпосередньо до 4-контактного сокету (розетки) на РС або хабі у вигляді прямокутного сокету Типу А. Усі кабелі, які постійно підключені до пристрою, мають вилку Типу А. Пристрої, які використовують окремий кабель, мають квадратний сокет Типу В, а кабель, який підключає їх, має вилку типу А або типу В.

Шина USB знімає обмеження швидкості послідовних портів на базі UART. Вона працює із швидкістю 12 Мб/с, що відповідає мережевим технологіям Ethernet і Token Ring забезпечує достатню пропускну здатність для всіх сучасних периферійних пристроїв. Наприклад, пропускної здатності шини USB достатньо підтримки таких пристроїв, як зовнішні накопичувачі CD-ROM і стрічкові накопичувачі, і навіть інтерфейсів ISDN звичайних телефонів. Її також достатньо для передачі сигналів цифрового звуку безпосередньо в динаміки, оснащені цифро-аналоговими перетворювачами, що усуває необхідність мати звукову карту. Проте шина USB не призначена замінити мережу. Щоб отримати прийнятно низьку вартість, відстань між пристроями обмежена 5 м. Для повільних пристроїв типу клавіатури та миші можна встановити швидкість передачі даних 1.5 Мб/с, заощаджуючи пропускну здатність більш швидких пристроїв.

Шина USB підтримує технологію Plug and Play. Вона усуває необхідність встановлення карт розширення всередині РС та подальшого реконфігурування системи. Шина дозволяє підключати, конфігурувати, використовувати та при необхідності відключати периферійні пристрої в той час, коли РС та інші пристрої працюють. Не потрібно інсталювати драйвери, вибирати послідовні та паралельні порти, а також визначати лінії IRQ, DMA-канали та адреси вводу-виводу. Все це досягається шляхом керування периферійними пристроями за допомогою хост-контролера на материнській платі або карті PCI. Хост-контролер і підлеглі контролери в хабах управляють периферійними пристроями, знижуючи навантаження процесор і підвищуючи загальну продуктивність системи. Самим хост-контролером управляє системне програмне забезпечення у складі операційної системи.

Дані передаються двонаправленим каналом, яким керують хост-контролер і підлеглі контролери хабів. Покращений мастеринг шини дозволяє постійно зарезервувати конкретних периферійних пристроїв частини загальної пропускної спроможності; такий спосіб називається ізохронною передачею даних(isochronous data transfer). Інтерфейс шини USB містить два основних модулі: машину послідовного інтерфейсу(Serial Interface Engine - SIE), що відповідає за протокол шини, та кореневий хаб(Root Hub), використовується розширення числа портів шини USB.

Шина USB виділяє кожному порту 500 мА. Завдяки цьому малопотужні пристрої, які зазвичай вимагають окремий перетворювач змінного струму (AC adapter), можна живити через кабель - USB дозволяє PC автоматично визначати необхідну потужність і доставляти її в пристрій. Хаби допускають повне живлення від шини USB (bus powered), але можуть мати перетворювач змінного струму. Хаби із власним живленням, що надають 500 мА на порт, забезпечують максимальну гнучкість для майбутніх пристроїв. Хаби з перемиканням портів ізолюють усі порти один від одного, тому одне "закорочене" не порушує роботу інших.

Шина USB обіцяє створення РС з єдиним портом USBзамість сучасних чотирьох чи п'яти різних роз'ємів. До нього можна підключити один великий потужний пристрій, наприклад, монітор або принтер, який діятиме як хаб, забезпечуючи підключення інших менших пристроїв, наприклад миші, клавіатури, модему, сканера, цифрової камери і т.д. Однак для цього знадобиться розробка спеціальних драйверів пристроїв. Однак така конфігурація РС є недоліки. Деякі фахівці вважають, що архітектура USB є досить складною, а необхідність підтримки багатьох різнотипних периферійних пристроїв вимагає розробки цілого набору протоколів. Інші вважають, що принцип хаба просто зміщує вартість та складність із системного блоку в клавіатуру або монітор. Але головною перешкодою для успіху USB є стандарт IEEE 1394 FireWire.

Шина IEEE 1394 FireWire

Цей стандарт швидкодіючої периферійної шини розроблений компаніями Apple Computer, Texas Instruments та Sony. Він розроблявся як доповнення шини USB, а не як альтернатива їй, оскільки в одній системі можуть використовуватися обидві шини, аналогічно до сучасних паралельних і послідовних портів. Однак великі виробники цифрових камер та принтерів зацікавлені в шині IEEE 1394 більше, ніж у шині USB, тому що для цифрових камер краще підходить сокет 1394, а не USB-порт.

Шина IEEE 1394 (зазвичай звана FireWire - "Вогненний дріт") багато в чому схожа на шину USB, також будучи послідовною шиною з гарячою заміною, але набагато швидше. IEEE 1394 має два рівні інтерфейсу: один для шини на материнській платі комп'ютера і другий для інтерфейсу типу "точка-точка" між периферійним пристроєм і комп'ютером по послідовному кабелю. Простий міст поєднує ці два рівні. Інтерфейс шини підтримує швидкості передачі даних 12.5, 25 або 50 МБ/с, а інтерфейс кабелю - 100, 200 і 400 Мб/с, що набагато більше швидкості шини USB - 1.5 МБ/с або 12 Мб/с. Специфікація 1394b визначає інші способи кодування та передачі даних, що дозволяє підвищити швидкість до 800 Мб/с, 1.6 Гб/с та більше. Така висока швидкість дозволяє застосовувати IEEE 1394 для підключення до РС цифрових камер, принтерів, телевізорів, мережевих карт і зовнішніх пристроїв.

Роз'єм кабелю IEEE 1394 зроблено так, що електричні контакти знаходяться всередині корпусу роз'єму, що запобігає можливості електричного удару користувача та забруднення контактів руками користувача. Ці невеликі та зручні роз'єми аналогічні ігровому роз'єму Nintendo GameBoy, який показав відмінну довговічність. Крім того, ці роз'єми можна вставляти наосліп ззаду РС. Не потрібно жодних кінцевих пристроїв (термінаторів – terminators) та ручної установки ідентифікаторів.

Шина IEEE 1394 розрахована на 6-провідний кабель довжиною до 4.5 м, який містить дві пари провідників для передачі даних та одну пару для живлення пристрою. Кожна сигнальна пара екранована та весь кабель також екранований. Кабель допускає напругу від 8 до 400 і струм до 1.5 А і зберігає фізичну безперервність пристрою, коли пристрій вимкнено або несправно (що дуже важливо для послідовної топології). Кабель забезпечує живлення для підключених до шини пристроїв. У міру вдосконалення стандарту очікується, що шина забезпечить великі відстані без повторювачів та ще більшу пропускну здатність.

Основою будь-якого з'єднання IEEE 1394 служить мікросхема фізичного рівня та комунікаційного рівня, причому для пристрою необхідні дві мікросхеми. Фізичний інтерфейс (PHY) одного пристрою з'єднується з PHY іншого пристрою. Він містить схеми, необхідні для виконання функцій арбітражу та ініціалізації. Комунікаційний інтерфейс поєднує PHY, а також внутрішні схеми пристрою. Він передає та приймає пакети у форматі IEEE 1394 та підтримує асинхронні або ізохронні передачі даних. Можливість підтримки асинхронних і ізохронних форматів в тому самому інтерфейсі допускає роботу на шині некритичних до часу додатків, наприклад сканерів або принтерів, а також додатків реального часу, наприклад відео та звук. Всі мікросхеми фізичного рівня використовують ту саму технологію, а мікросхеми комунікаційного рівня специфічні для кожного пристрою. Такий підхід дозволяє шині IEEE 1394 діяти як система "вузол-вузол" (peer-peer) на відміну від підходу клієнт-сервер у шині USB. В результаті системі IEEE 1394 не потрібно ні хост, що обслуговує, ні РС.

Асинхронна передача є традиційним способом передачі даних між комп'ютерами і периферійними пристроями. Тут дані передаються в одному напрямку та супроводжуються наступним підтвердженням джерела. В асинхронній передачі даних акцент робиться на доставку, а не на продуктивність. Передача даних гарантована та підтримуються повторні передачі (retries). Ізохронна передача даних забезпечує потік даних з певною швидкістю, тому програма може обробляти їх з урахуванням часових співвідношень. Це особливо важливо для критичних мультимедійних даних, коли доставка точно в часі (just-in-time delivery) усуває необхідність у дорогому буферуванні. Ізохронні передачі даних працюють за принципом широкого мовлення (broadcast), коли один або кілька пристроїв можуть "прослуховувати" (listen) дані, що передаються. По шині IEEE 1394 можна одночасно передавати кілька каналів (до 63) ізохронних даних. Оскільки ізохронні передачі можуть займати максимум 80% пропускної спроможності шини, залишається достатня смуга пропускання для додаткових асинхронних передач.

Масштабована архітектура шини IEEE 1394 та гнучка топологія роблять її ідеальною для підключення високошвидкісних пристроїв: від комп'ютерів та жорстких дисків до цифрового аудіо- та відеообладнання. Пристрої можна підключати у вигляді шлейфної або деревоподібної топології. Рисунок зліва показує дві окремі робочі області, з'єднані мостом шини IEEE 1394. Робоча область #1 складається з відеокамери, РС та відеомагнітофона, які всі з'єднані через IEEE 1394. РС також підключений до фізично віддаленого принтера через повторювач 1394, який збільшує відстань між посилюючи сигнали шини. На шині IEEE 1394 допускається до 16 "стрибків" (hops) між будь-якими двома пристроями. Розмножувач (splitter) 1394 використовується між мостом та принтером, щоб надати ще один порт для підключення мосту шини IEEE 1394. Розмножувачі забезпечують для користувачів більшу гнучкість топології.

Робоча область #2 містить на сегменті шини 1394 лише РС та принтер, а також з'єднання з мостом шини. Міст ізолює трафік даних усередині кожної робочої області. Мости шини IEEE 1394 допускають передавати вибрані дані одного сегмента шини в інший. Тому PC #2 може запросити зображення від відеомагнітофона у робочій області #1. Так як кабель шини передає і живлення сигнальний інтерфейс PHY завжди з живленням і дані передаються навіть у тому випадку, якщо PC #1 вимкнений.

Кожен сегмент шини IEEE 1394 припускає підключення до 63 пристроїв. Зараз кожен пристрій може знаходитись на відстані до 4.5 м; великі відстані можливі як із повторювачами, і без них. Удосконалення кабелів дозволять розносити пристрої на великі відстані. За допомогою мостів можна поєднувати понад 1000 сегментів, що забезпечує значний потенціал для розширення. Ще одна перевага полягає у можливості виконувати транзакції з різними швидкостями по одному носію для пристрою. Наприклад, деякі пристрої можуть працювати зі швидкістю 100 Мб/с, інші - зі швидкостями 200 Мб/с і 400 Мб/с. Дозволяється гаряча заміна (підключення або відключення пристроїв) на шині навіть тоді, коли шина повністю працює. Автоматично розпізнаються зміни у топології шини. Завдяки цьому стають непотрібними комутатори адрес та інші втручання користувача для реконфігурування шини.

Завдяки технології передачі пакетів шину IEEE 1394 можна організувати так, ніби між пристроями розподілено простір пам'яті, або начебто пристрої знаходяться в слотах на материнській платі. Адреса пристрою складається з 64 бітів, причому 10 бітів відводяться для ідентифікатора мережі, 6 бітів для ідентифікатора вузла та 48 бітів для адрес пам'яті. В результаті можна адресувати 1023 мережі із 63 вузлів, причому кожен має пам'ять 281 ТБ. Адресація пам'яті, а чи не каналів, вважає ресурси регістрами чи пам'яттю, яких можна звернутися з допомогою транзакцій процесор-пам'ять. Усе це забезпечує просту мережеву організацію; наприклад, цифрова камера може легко передати зображення прямо до цифрового принтера без комп'ютера-посередника. Шина IEEE 1394 показує, що РС втрачає свою домінуючу роль по об'єднанні середовища та його можна вважати дуже інтелектуальним вузлом.

Необхідність використання двох мікросхем замість однієї робить периферійні пристрої для шини IEEE 1394 дорожчими в порівнянні з пристроями для SCSI, IDE або USB, тому вона не підходить для повільних пристроїв. Однак її переваги для високошвидкісних додатків, наприклад, цифрового відеоредагування, перетворює шину IEEE 1394 в основний інтерфейс для побутової електроніки.

Незважаючи на переваги шини IEEE 1394 та появу в 2000 р. материнських плат із вбудованими контролерами цієї шини, майбутній успіх FireWire не гарантований. Поява специфікації USB 2.0 значно ускладнила ситуацію.

Специфікація USB 2.0

У розробці цієї специфікації, яка орієнтована на підтримку високошвидкісних периферійних пристроїв, брали участь компанії Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC та Philips. У лютому 1999 р. було оголошено підвищення існуючої продуктивності в 10 - 20 раз, а вересні 1999 р. за результатами інженерних досліджень оцінки було підвищено до 30 - 40 разів проти USB 1.1. Висловлювалися побоювання, що за такої продуктивності шина USB назавжди "поховає" шину IEEE 1394. Проте за загальним поглядом ці дві шини орієнтуються на різні застосування. Мета USB 2.0 полягає в тому, щоб забезпечити підтримку всіх сучасних та майбутніх популярних периферійних пристроїв РС, а шина IEEE 1394 орієнтована на підключення побутових аудіо- та відеопристроїв, наприклад цифрових відеомагнітофонів, DVD та цифрових телевізорів.

Відповідно до USB 2.0 пропускна здатність підвищується з 12 Мб/с до 360-480 Мб/с. Очікується, що шина USB 2.0 сумісна з USB 1.1, що забезпечить користувачам безболісний перехід до нової шини. Для неї будуть розроблені нові швидкісні периферійні пристрої, що розширять діапазон застосувань РС. Швидкості 12 Мб/с цілком достатньо для таких пристроїв, як телефони, цифрові камери, клавіатура, миша, цифрові джойстики, стрічкові накопичувачі, накопичувачі на гнучкому диску, цифрові динаміки, сканери та принтери. Підвищена пропускна здатність USB 2.0 розширить функціональність периферійних пристроїв, забезпечуючи підтримку камер з високою роздільною здатністю для відеоконференцій, а також швидкісних сканерів та принтерів наступного покоління.

Існуючі периферійні пристрої USB будуть без змін працювати в системі з шиною USB 2.0. Таким пристроям, як клавіатура та миша, не потрібна підвищена пропускна здатність USB 2.0 і вони будуть працювати як USB 1.1. Підвищена пропускна здатність USB 2.0 розширить діапазон периферійних пристроїв, які можна буде підключати до РС, а також дозволить більшій кількості USB-пристроїв розділяти наявну пропускну здатність шини аж до архітектурних меж шини USB. Зворотна сумісність USB 2.0 із USB 1.1 може стати вирішальною перевагою у боротьбі з шиною IEEE 1394 за інтерфейс споживчих приладів.

Стандарт DeviceBay

DeviceBayявляє собою новий стандарт, який розроблений за стандартами шин IEEE 1394 і USB. Ці шини допускають підключення та відключення пристроїв "на льоту", тобто. у процесі роботи РС. Така можливість гарячої заміни(hot swap, hot plug) вимагала нового спеціального з'єднання між пристроями та відповіддю на цю вимогу став стандарт DeviceBay. Він стандартизує відсіки, в які можна вставляти жорсткі диски, накопичувачі CD-ROM та інші пристрої. Монтажна рама встановлюється без інструментів та в процесі роботи РС. Якщо стандарт DeviceBay набуде широкого поширення, він покінчить із плоскими кабелями всередині корпусу РС. Весь РС можна оформити у вигляді модульної конструкції, в якій всі модулі підключаються до шин USB або FireWire як DeviceBay. При цьому пристрій можна вільно переміщати між РС та іншими домашніми приладами.

Стандарт DeviceBay розрахований на підключення таких пристроїв як накопичувачі Zip, накопичувачі CD-ROM, стрічкові накопичувачі, модеми, жорсткі диски, зчитувачі PC-карт та ін.

ВСТУП

Шина – це канал пересилання даних, використовуваний спільно різними блоками системи. Шина може являти собою набір провідних ліній, витравлених на друкованій платі, дроти, припаяні до висновків роз'ємів, в які вставляються друковані плати або плоский кабель. Компоненти комп'ютерної системи фізично розташовані на одній або кількох друкованих платах, причому їх кількість та функції залежать від зміни системи, її виробника, а нерідко і від покоління мікропроцесора.

Основними характеристиками шин є розрядність даних і швидкість передачі даних.

Найбільший інтерес викликають два типи шин – системний та локальний.

Системна шина призначена для забезпечення передачі між периферійними пристроями і центральним процесором, а також оперативною пам'яттю.

Локальної шиною, зазвичай, називається шина, безпосередньо підключена до контактів мікропроцесора, тобто. шини процесора.

1. СИСТЕМНІ ШИНИ

Основним обов'язком системної шини є передача інформації між базовим процесором та іншими електронними компонентами комп'ютера. По цій шині здійснюється адресація пристроїв і відбувається обмін спеціальними службовими сигналами. Таким чином, спрощено системну шину можна як сукупність сигнальних ліній, об'єднаних за призначенням (дані, адреси, управління). Передачею інформації по шині управляє один із підключених до неї пристроїв або спеціально виділений для цього вузол, званий арбітром шини.

Системна шина IBM PC і IBM PC/XT була призначена для одночасної передачі лише 8 біт інформації, так як мікропроцесор 18088, що використовується в комп'ютерах, мав 8 ліній даних. Крім того, системна шина включала 20 адресних ліній, які обмежували адресний простір межею 1 Мбайт. Для роботи із зовнішніми пристроями в цій шині були передбачені також 4 лінії апаратних переривань (IRQ) та 4 лінії для вимог зовнішніх пристроїв прямого доступу в пам'ять (DMA, Direct Memory Access). Для підключення плат розширення використовувалися спеціальні 62-контактні роз'єми. Зауважимо, що системна шина та мікропроцесор синхронізувалися від одного тактового генератора з частотою 4,77 МГц. Таким чином, теоретично швидкість передачі могла досягати більше 4,5 Мбайта/с.

1.1 ШинаISA

Шина ISA (Industry Standart Architecture) – шина, що застосовувалася з перших моделей PC і стала промисловим стандартом. У PC моделей XT застосовувалася шина з розрядністю даних 8 біт та адреси – 20 біт. У моделях AT шина була розширена до 16 біт даних та 24 біта адреси, якою вона залишається досі. Конструктивно шина виконана у вигляді двох слотів. Підмножина ISA-8 використовує тільки перший 62-контактний слот, ISA-16 застосовується додатковий 36-контактний слот. Тактова частота – 8 МГц. Швидкість передачі до 16 Мбайт\с. Має хорошу завадостійкість.

Шина забезпечує своїм абонентам можливість відображення 8- або 16-бітних регістрів на простір введення-виводу та пам'яті. Діапазон доступних адрес пам'яті обмежений областю UMA ( U nified M emory A rchitecture - уніфікована архітектура пам'яті), але для шини ISA-16 спеціальними опціями BIOS Setup може бути дозволено і простір в області між 15-м та 16-м мегабайтом пам'яті (щоправда, при цьому комп'ютер не зможе використовувати більше 15 Мбайт ОЗУ). Діапазон адрес вводу-виводу зверху обмежений кількістю використовуваних для дешифрації біт адреси, нижня межа обмежена областю адрес 0-FFh, зарезервованих під пристрої системної плати. В PC була прийнята 10-бітна адресація вводу-виводу, при якій лінії адреси A пристроями ігнорувалися. Таким чином, діапазон адрес пристроїв шини ISA обмежується областю 100h-3FFh, тобто всього 758 адрес 8-бітних регістрів. На деякі області цих адрес претендують і системні пристрої. Згодом стали застосовувати й 12-бітну адресацію (діапазон 100h-FFFh), але при її використанні завжди необхідно враховувати можливість присутності на шині та старих 10-бітних адаптерів, які "відгукуються" на адресу з відповідними йому бітами A у всій допустимій області чотири рази .

У розпорядженні абонентів шини ISA-8 може бути до 6 ліній запитів переривань IRQ (Interrupt Request), для ISA-16 їхнє число досягає 11. Зауважимо, що при конфігуруванні BIOS Setup частина цих запитів можуть відібрати пристрої системної плати або шина PCI.

Абоненти шини можуть використовувати до трьох 8-бітових каналів DMA ( D irect M emory A ccess - прямий доступ до пам'яті), а на 16-розрядній шині можуть бути доступними ще три 16-розрядні канали. Сигнали 16-бітних каналів можуть використовуватися і для отримання прямого керування шиною Bus-Master. При цьому канал DMA використовується для забезпечення арбітражу управління шиною, а адаптер Bus-Master формує всі адресні та керуючі сигнали шини, не забуваючи "віддати" управління шиною процесору не більше ніж через 15 мікросекунд (щоб не порушити регенерацію пам'яті).

Усі перелічені ресурси системної шини мають бути безконфліктно розподілені між абонентами. Безконфліктність має на увазі наступне:

Кожен абонент повинен при операціях читання керувати шиною даних (видавати інформацію) тільки за своїми адресами або за зверненням до використовуваного ним каналу DMA. Області адрес для читання не повинні перетинатися. "Підглядати" не йому адресовані операції запису не можна.

Призначену лінію запиту переривання IRQx абонент повинен тримати на низькому рівні в пасивному стані та переводити на високий рівень для активації запиту. Лініями запитів, що не використовуються, абонент керувати не має права, вони повинні бути електрично відкоммутовані або підключатися до буфера, що знаходиться в третьому стані. Однією лінією запиту може користуватися лише один пристрій. Така безглуздість (з погляду схемотехніки ТТЛ) була допущена в перших PC і в жертву сумісності старанно тиражується багато років.

Завдання розподілу ресурсів у старих адаптерах вирішувалося за допомогою джамперів, потім з'явилися програмно-конфігуровані пристрої, які практично витіснені платами PnP, що автоматично конфігуруються.

Для шин ISA ряд фірм випускає карти-прототипи (Protitype Card), що є друкованими платами повного або зменшеного формату з скобою. На платах встановлені обов'язкові інтерфейсні ланцюги – буфер даних, дешифратор адреси та деякі інші. Решта поля плати є "сліпим", на якому розробник може розмістити макетний варіант свого пристрою. Ці плати зручні для макетної перевірки нового виробу, а також для монтажу одиничних екземплярів пристрою, коли розробка та виготовлення друкованої плати є нерентабельним.

З появою 32-бітних процесорів робилися спроби розширення розрядності шини, але всі 32-бітні шини не є стандартизованими, крім шини EISA.

1.2 ШинаEISA

З появою 32-розрядних мікропроцесорів 80386 (версія DX) фірмами Compaq, NEC та іншими фірмами, була створена 32-розрядна шина EISA, повністю сумісна з ISA.

Шина EISA (Extended ISA) – жорстко стандартизоване розширення ISA до 32 біт. Конструктивне виконання забезпечує сумісність із нею та звичайних ISA-адаптерів. Вузькі додаткові контакти розширення розташовані між ламелями роз'єму ISA і нижче таким чином, що адаптер ISA, який не має додаткових ключових прорізів у крайовому роз'ємі, не дістає до них. Встановлення карт EISA в слоти ISA неприпустиме, оскільки його специфічні ланцюги потраплять на контакти ланцюгів ISA, у результаті системна плата виявиться непрацездатною.

Розширення шини стосується не тільки збільшення розрядності даних та адреси: для режимів EISA використовуються додаткові сигнали керування, що забезпечують можливість застосування більш ефективних режимів передачі. У звичайному (не пакетному) режимі передачі за кожну пару тактів можна передати до 32 біт даних (один такт на фазу адреси, один - на фазу даних). Максимальну продуктивність шини реалізує пакетний режим (Burst Mode) – швидкісний режим пересилання пакетів даних без вказівки поточної адреси всередині пакета. Усередині пакета чергові дані можуть передаватися у кожному такті шини, довжина пакета може досягати 1024 байт. Шина передбачає і більш продуктивні режими DMA, у яких швидкість обміну може досягати 33 Мбайт/с. Лінії запитів переривань допускають використання, що розділяється, причому зберігається і сумісність з ISA-картами: кожна лінія запиту може програмуватися на чутливість як по перепаду, як в ISA, так і за низьким рівнем. Шина допускає споживання кожною картою розширення потужності до 45 Вт, але повну потужність зазвичай не споживає жоден адаптер.

Кожен слот (максимум - 8) та системна плата можуть мати селективний дозвіл адресації введення-виводу та окремі лінії запиту та підтвердження керування шиною. Арбітраж запитів виконує пристрій ISP (Integrated System Peripheral). Обов'язковою приналежністю системної плати з шиною EISA є енергонезалежна пам'ять конфігурації NVRAM, де зберігається інформація про пристрої EISA для кожного слота. Формат записів стандартизований, для модифікації конфігураційної інформації використовується спеціальна утиліта ECU (EISA Configuration Utility). Архітектура дозволяє при використанні програмно-конфігурованих адаптерів автоматично вирішувати конфлікти використання системних ресурсів програмним шляхом, але на відміну від специфікації PnP EISA не допускає динамічного реконфігурування. Усі зміни конфігурації можливі лише у режимі конфігурації, після виходу з якого потрібне перезавантаження комп'ютера. Ізольований доступ до портів вводу-виводу кожної картки під час конфігурування забезпечує просто: сигнал AEN, що дозволяє декодування адреси в циклі введення-виводу, на кожен слот приходить окремою лінією AENx, в цей час програмно-керованою. Таким чином можна окремо звертатися і до звичайних карт ISA, але це марно, оскільки карти ISA не підтримують обміну конфігураційною інформацією, передбаченого шиною EISA. На деяких ідеях конфігурування EISA зросла специфікація PnP для шини ISA (формат конфігураційних записів ESCD багато в чому нагадує NVRAM EISA).

EISA - дорога, але виправдовує себе архітектура, що застосовується в багатозадачних системах, на файл-серверах і скрізь, де потрібне високоефективне розширення вводу-виводу.

1.3 ШинаMCA

Шина MCA (MicroChannel Architecture) - мікроканальна архітектура - була введена в пік конкурентам фірмою IBM для своїх комп'ютерів PS/2 починаючи з моделі 50 в 1987 році. Забезпечує швидкий обмін даними між окремими пристроями, зокрема оперативної пам'яттю. Шина MCA абсолютно несумісна з ISA/EISA та іншими адаптерами. Склад керуючих сигналів, протокол та архітектура орієнтовані на асинхронне функціонування шини та процесора, що знімає проблеми узгодження швидкостей процесора та периферійних пристроїв. Адаптери MCA широко використовують Bus-Mastering, всі запити йдуть через пристрій CACP (Central Arbitration Control Point). Архітектура дозволяє ефективно та автоматично конфігурувати всі пристрої програмним шляхом (у MCA PS/2 немає жодного перемикача).

При всій прогресивності архітектури (щодо ISA) шина MCA не користується популярністю через вузькість кола виробників MCA-пристроїв та повну їх несумісність з масовими ISA-системами. Однак MCA ще знаходить застосування у потужних файл-серверах, де потрібне забезпечення високонадійного продуктивного введення-виводу.

2. ЛОКАЛЬНІ ШИНИ

Розробники комп'ютерів, системні плати яких ґрунтувалися на мікропроцесорах 180386/486, стали використовувати роздільні шини для пам'яті та пристроїв введення-виводу, що дозволило максимально задіяти можливості оперативної пам'яті, оскільки саме в цьому випадку пам'ять може працювати з найвищою для неї швидкістю. Тим не менш, при такому підході вся система не може забезпечити достатньої продуктивності, так як пристрої, підключені через роз'єм розширення, не можуть досягти швидкості обміну, порівнянної з процесором. Здебільшого це стосується роботи з контролерами накопичувачів та відеоадаптерами. Для вирішення проблеми стали використовувати так звані локальні (local) шини, які безпосередньо пов'язують процесор з контролерами периферійних пристроїв.

Перші IBM PC-сумісні комп'ютери з локальними шинами були, звичайно, стандартизовані. Одним з провідних виробників персональних комп'ютерів, що вперше реалізували відеопідсистему з локальною шиною, була компанія NECTechnologies. Ще 1991 року ця фірма представила свою оригінальну розробку Image Video.

Останнім часом з'явилися дві локальні шини, визнані промисловими: шина VLB, запропонована асоціацією VESA (Video Electronics Standards Association), та PCI (Peripheral Component Interconnect), розроблена фірмою Intel. Обидві ці шини призначені, взагалі кажучи, для того самого - для збільшення швидкодії комп'ютера, дозволяючи таким периферійним пристроям, як відеоадаптери і контролери накопичувачів, працювати з тактовою частотою до 33 МГц і вище. Обидві шини використовують роз'єм типу МСА. На цьому, втім, їхня схожість і закінчується, оскільки необхідна мета досягається різними засобами.

Якщо VL-bus є, по суті, розширенням шини процесора (згадаймо шину IBM PC/XT), то PCI по своїй організації більш тяжіє до системних шин, наприклад EISA, і є абсолютно нову розробку. Строго кажучи, PCI відноситься до класу так званих mezzanine-шин, тобто шин-"пристроїв", оскільки між локальною шиною процесора і самої PCI знаходиться спеціальна мікросхема "моста" (bridge).

2.1 ШинаVLB

Локальна шина стандарту VLB (VESA Local Bus, VESA – Video Equipment Standart Association – Асоціація стандартів відеообладнання) розроблена у 1992 році. Головним недоліком шини VLB є неможливість використання з процесорами, що прийшли на заміну МП 80486 або існуючими паралельно з ним (Alpha, PowerPC та ін.).

Шини введення-виведення ISA, MCA, EISA мають низьку продуктивність, обумовлену їх місцем у структурі PC. Сучасні програми (особливо графічні) вимагають суттєвого підвищення пропускної спроможності, яке можуть забезпечити сучасні процесори. Одним із рішень проблеми підвищення пропускної здатності було застосування як шини підключення периферійних пристроїв локальної шини процесора 80486. Шину процесора використовували як місце підключення вбудованої периферії системної плати (контролер дисків, графічного адаптера).

VLB - стандартизована 32-бітна локальна шина, що практично є сигналами системної шини процесора 486, виведені на додаткові роз'єми системної плати. Шина сильно орієнтована на 486 процесор, хоча можливе її використання і з процесорами класу 386. Для процесорів Pentium було прийнято специфікацію 2.0, у якій розрядність шини даних збільшена до 64, але вона поширення не набула. Апаратні перетворювачі шини нових процесорів у шину VLB, будучи штучними "наростами" на шинній архітектурі, не прижилися, і VLB подальшого розвитку не отримала.

Конструктивно VLB-слот аналогічний 16-бітному звичайному MCA-слоту, але є розширенням системного слота шини ISA-16, EISA або MCA, розташовуючись позаду нього поблизу процесора. Через обмежену здатність навантаження шини процесора більше трьох слотів VLB на системній платі не встановлюють. Максимальна тактова частота шини – 66 МГц, хоча надійніше шина працює на частоті 33 МГц. При цьому декларується пікова пропускна спроможність 132 Мбайт/с (33 МГц x 4 байти), але вона досягається лише всередині пакетного циклу під час передачі даних. Реально в пакетному циклі передача 4 x 4 = 16 байт даних вимагає 5 тактів шини, отже навіть у пакетному режимі пропускна спроможність становить 105.6 Мбайт/с, а звичайному режимі (такт на фазу адреси і такт на фазу даних) - всього 66 Мбайт /с, хоча це значно більше, ніж в ISA. Жорсткі вимоги до тимчасових характеристик процесорної шини при великому навантаженні (в т. ч. мікросхемами зовнішнього кеша) можуть призвести до нестійкої роботи: всі три VLB-слоти можуть використовуватися тільки на частоті 40 МГц, при навантаженій системній платі на 50 МГц може працювати тільки один слот. Шина в принципі допускає застосування активних (Bus-Master) адаптерів, але арбітраж запитів покладається на самі адаптери. Зазвичай шина допускає встановлення не більше двох Bus-Master адаптерів, один з яких встановлюється в "Master"-слот.

Шину VLB зазвичай використовували для підключення графічного адаптера та контролера дисків. Адаптери локальних мереж для VLB мало зустрічаються. Іноді зустрічаються системні плати, у яких описано, що вони мають вбудований графічний і дисковий адаптер з шиною VLB, але самих слотів VLB немає. Це означає, що на платі встановлені мікросхеми зазначених адаптерів, призначені для підключення до VLB. Така неявна шина за продуктивністю, звичайно, не поступається шині з явними слотами. З точки зору надійності та сумісності це навіть краще, оскільки проблеми сумісності карт та системних плат для шини VLB стоять особливо гостро.

2.2 ШинаPCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – взаємозв'язок периферійних компонентів) – шина з'єднання периферійних компонентів. Була анонсована компанією Intel у червні 1992 року на виставці PC Expo.

Ця шина займає особливе місце у сучасній PC-архітектурі (mezzanine bus), будучи мостом між локальною шиною процесора та шиною введення-виводу ISA/EISA або MCA. Ця шина розроблялася в розрахунку на Pentium-системи, але добре поєднується і з 486 процесорами, а також з не-Intel"івськими процесорами. Шина PCI є чітко стандартизованою високопродуктивною шиною розширення вводу-виводу. PCI - мультиплексна 32-розрядна шина. 64-розрядна версія Частота шини 20-33 МГц Стандарт PCI 2.1 допускає і частоту 66 МГц Теоретична максимальна швидкість 132/264 Мбайт/с для 32/64 біт при 33 МГц, і 528 Мбайт/с при 66 МГц. достатній для підключення адаптера (на відміну від VLB), на системній платі він може співіснувати з будь-якою з шин вводу-виводу і навіть з VLB (хоча в цьому немає необхідності).

На одній шині PCI може бути не більше чотирьох пристроїв (слотів). Міст шини PCI (PCI Bridge) – це апаратні засоби підключення шини PCI до інших шин. Host Bridge – головний міст – використовується для підключення PCI до системної шини (шини процесора або процесорів). Peer-to-Peer Bridge – одноранговий міст – використовується для з'єднання двох шин PCI. Дві і більше шини PCI застосовуються в потужних серверних платформах - додаткові шини PCI дозволяють збільшити кількість пристроїв, що підключаються.

Автоконфігурування пристроїв (вибір адрес, запитів переривання) підтримується засобами BIOS і спрямовано технологію Plug and Play. Стандарт PCI визначає для кожного слота конфігураційний простір розміром до 256 восьмибітних регістрів, не приписаних до простору пам'яті, ні до простору введення-виводу. Доступ до них здійснюється за спеціальними циклами шини Configuration Read і Configuration Write, що виробляються контролером при зверненні процесора до регістрів контролера шини PCI, розташованим у його просторі введення-виводу.

До складу шини PCI введено сигнали для тестування адаптерів JTAG. На системній платі ці сигнали не завжди задіяні, але можуть і організовувати логічний ланцюжок адаптеров, що тестуються.

Шина PCI всі обміни трактує як пакетні: кожен кадр починається фазою адреси, яку може слідувати одна чи кілька фаз даних. Кількість фаз даних у пакеті невизначена, але обмежена таймером, що визначає максимальний час, протягом якого пристрій може користуватися шиною. Кожен пристрій має власний таймер, значення якого задається при конфігуруванні пристроїв шини.

У кожному обміні беруть участь два пристрої – ініціатор обміну (Initiator) та цільовий пристрій (Target). Арбітражем запитів використання шини займається спеціальний функціональний вузол, що входить до складу чіпсету системної плати. Для узгодження швидкодії пристроїв-учасників обміну передбачено два сигнали готовності IRDY# та TRDY#. Для адреси та даних на шині використовуються загальні мультиплексовані лінії AD. Чотири мультиплексовані лінії C/BE використовуються для кодування команд у фазі адреси та дозволу байт у фазі даних.

Шина має версії з живленням 5, 3.3 В. Також існує універсальна версія (з перемиканням ліній +V I/O c 5 на 3.3 В). Ключами є пропущені ряди контактів 12, 13 і 50, 51. Для 5-слота ключ розташований на місці контактів 50, 51; для 3 - 12, 13; для універсального - два ключі: 12, 13 та 50, 51. Ключі не дозволяють встановити карту в слот з невідповідною напругою живлення. 32-бітний слот закінчується контактами A62/B62, 64-бітний – A94/B94.

На відміну від адаптерів інших шин, компоненти карток PCI розташовані на лівій поверхні плат. Тому крайній PCI-слот зазвичай поділяє використання посадкового місця адаптера з сусіднім ISA-слотом (Shared slot).

Шина PCI була до останнього часу другою (після ISA) за популярністю застосування. У сучасних системах відмова від шин ISA, і шина PCI виходить на головні позиції. Деякі фірми для цієї шини випускають карти-прототипи, але, звичайно, доукомплектувати їх периферійним адаптером або пристроєм власної розробки набагато складніше, ніж карту ISA. Тут позначаються і складніші протоколи, і вищі частоти (8 МГц у шини ISA проти 33 чи 66 МГц у шини PCI). Також шина PCI має погану завадостійкість, тому для побудови вимірювальних систем та промислових комп'ютерів використовується все ще відносно рідко.

На деяких системних (материнських) платах є невеликий роз'єм, який називається Media Bus. Він розташований за роз'ємом шини PCI одного з слотів. На цей роз'єм виводяться сигнали звичайної шини ISA, і він призначений для того, щоб на графічному адаптері з шиною PCI можна було розмістити і недорогий чіпсет звукової карти, призначений для шини ISA. Цей роз'єм, а тим більше й такі комбіновані аудіо-відео карти, широкого поширення не набули.

ВИСНОВОК

З самого розвитку і досі шина вводу/виводу є вузьким місцем сучасних персональних комп'ютерів, що негативно впливає на загальні швидкісні характеристики системи. З'являлися нові шини, збільшувалася розрядність, швидкодія шин, їхня пропускна здатність. Але розробки нових стандартів шин продовжуються. Багато фірм поєднують свої зусилля для розробки нових стандартів.

На прикладах існуючих стандартів видно, що кожен стандарт шин має свої переваги, але є і недоліки. Одні шини дозволяють отримувати цілком задовільну швидкодію, але дуже дорогі і складні у виготовленні, і витрати не часто окупаються. Інші дешеві, але дуже вимогливі до системи загалом.

Список використаних джерел

1. Інформатика: Практикум з технології робіт на комп'ютері: Навчальний посібник для вузів/Під ред. Н.В. Макарова. - М.: Фінанси та статистика, 1997. - 384 с.

2. Могильов А.В. та ін. Інформатика: Навчальний посібник для студентів пед. вузів/О.В. Могильов, Н.І. Пак - М.: Академія, 1999. - 816 с.

3. Острейковський В.А. Інформатика: Підручник для технічних вузів - М. Вища школа, 1999. - 511 с.

4. Інформатика: Базовий курс: Навчальний посібник для ВТУЗ / За ред С.В. Симоновича – СПб. : Пітер, 2003. - 640 с.

5. Хохлова Н.В. та ін. Інформатика: Навчальний посібник для вузів/Н.В. Хохлова, А.І. Істеменко, Б.В. Петренко. - М.: Вища школа, 1990. - 195 с.

Шини розподіляються на ряд локальних шин, шкірна... такої мікросхеми. Крім того, відновлення стандартів периферії відбувається дуже часто...

XT-Bus- Шина архітектури XT - перша в сімействі IBM PC. Відносно проста, що підтримує обмін 8-розрядними даними всередині 20-розрядного (1 Мб) адресного простору (позначається як "розрядність 8/20"), працює на частоті 4.77 МГц. Спільне використання ліній IRQ у загальному випадку неможливе. Конструктивно оформлена у 62-контактних роз'ємах.

ISA(Industry Standard Architecture, архітектура промислового стандарту) – основна шина комп'ютерах типу PC AT (інша назва – AT-Bus). Є розширенням XT-Bus, розрядність - 16/24 (16 Мб), тактова частота - 8 МГц, гранична пропускна здатність - 5.55 Мб/с. Поділ IRQ також неможливий. Можлива нестандартна організація Bus Mastering, але потрібен запрограмований 16-розрядний канал DMA. Конструктив – 62-контактний роз'єм XT-Bus з прилеглим до нього 36-контактним роз'ємом розширення.

EISA(Enhanced ISA, розширена ISA) – функціональне та конструктивне розширення ISA. Зовнішньо роз'єми мають такий самий вигляд, як і ISA, і в них можуть вставлятися плати ISA, але в глибині роз'єму знаходяться додаткові ряди контактів EISA, а плати EISA мають більшу ножову частину роз'єму з додатковими рядами контактів. Розрядність – 32/32 (адресне місце – 4 Гб), працює також на частоті 8 МГц. Гранична пропускна спроможність – 32 Мб/с. Підтримує Bus Mastering - режим керування шиною з боку будь-якого з пристроїв на шині, має систему арбітражу для керування доступом пристроїв до шини, дозволяє автоматично налаштовувати параметри пристроїв, можливе розділення каналів IRQ та DMA.

MCA(Micro Channel Architecture, мікроканальна архітектура) – шина комп'ютерів PS/2 фірми IBM. Не сумісна з жодною іншою, розрядність - 32/32, (базова - 8/24, інші - як розширення). Підтримує Bus Mastering, має арбітраж та автоматичну конфігурацію, синхронна (жорстко фіксована тривалість циклу обміну), гранична пропускна здатність – 40 Мб/с. Конструктив – одно-трьохсекційний роз'єм (такий самий, як у VLB). Перша, основна, секція – 8-розрядна (90 контактів), друга – 16-розрядне розширення (22 контакти), третя – 32-розрядне розширення (52 контакти). В основній секції передбачені лінії передачі звукових сигналів. Додатково поруч із одним із роз'ємів може встановлюватися роз'єм відеорозширення (20 контактів). EISA і MCA багато чому паралельні, поява EISA було зумовлено власністю IBM на архітектуру MCA.

VLB(VESA Local Bus, локальна шина стандарту VESA) – 32-розрядне доповнення до шини ISA. Конструктивно є додатковим роз'ємом (116-контактним, як у MCA) при роз'ємі ISA. Розрядність – 32/32, тактова частота – 25.50 МГц, гранична швидкість обміну – 130 Мб/с. Електрично виконана як розширення локальної шини процесора – більшість вхідних і вихідних сигналів процесора передаються безпосередньо VLB-плат без проміжної буферизації. Через це зростає навантаження на вихідні каскади процесора, погіршується якість сигналів на локальній шині та знижується надійність обміну нею. Тому VLB має жорстке обмеження на кількість пристроїв, що встановлюються: при 33 МГц – три, 40 МГц – два, і при 50 МГц – одне, причому бажано інтегроване в системну плату.

PCI(Peripheral Component Interconnect, з'єднання зовнішніх компонентів) – розвиток VLB у бік EISA/MCA. Не сумісна з жодними іншими, розрядність – 32/32 (розширений варіант – 64/64), тактова частота – до 33 МГц (PCI 2.1 – до 66 МГц), пропускна спроможність – до 132 Мб/с (264 Мб/с для 32/32 на 66 МГц та 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц), підтримка Bus Mastering та автоконфігурації. Кількість роз'ємів шини одному сегменті обмежуваного чотирма. Сегментів може бути кілька, вони з'єднуються один з одним у вигляді мостів (bridge). Сегменти можуть поєднуватися в різні топології (дерево, зірка тощо). Найпопулярніша шина зараз; використовується також на комп'ютерах, відмінних від IBM-сумісних. Роз'єм схожий на MCA/VLB, але трохи довший (124 контакти). 64-розрядний роз'єм має додаткову 64-контактну секцію із власним ключем. Всі роз'єми та карти до них діляться на підтримуючі рівні сигналів 5, 3.3 і універсальні; перші два типи повинні відповідати один одному, універсальні карти ставляться у будь-який роз'єм.

Існує також розширення MediaBus, запроваджене фірмою ASUSTek – додатковий роз'єм містить сигнали шини ISA.

PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association, асоціація виробників плати пам'яті персональних комп'ютерів) – зовнішня шина комп'ютерів класу NoteBook. Інша назва модуля PCMCIA – PC Card. Гранично проста, розрядність – 16/26 (адресний простір – 64 Мб), підтримує автоконфігурацію, можливе підключення та відключення пристроїв у процесі роботи комп'ютера. Конструктив – мініатюрний 68-контактний роз'єм. Контакти живлення зроблені довшими, що дозволяє вставляти та виймати картку під час увімкненого живлення комп'ютера.

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Архітектура системних плат

Однією з головних мікросхем системної плати є мікросхема bios це основна система введення виводу basic input output system зашита в пзу. деякі..

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Встановлення пристроїв