Stfw.RuТипы, назначение и функционирование шин
Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.
🕛 23.10.2009, 13:59
Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой шиной. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) выполняют роль моста между шинами.- Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
- Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x) и предназначена для подключения видеоадаптера. Она подключается к северному мосту или Memory Controller Hub (MCH) набора микросхем системной логики.
- Шина PCI-Express. Это уже третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres - это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение составляет 2 Гбит/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Некоторые системы поддерживают разъем PCI-Express x4, который обеспечивает скорость передачи данных 10 Гбит/с в каждом направлении. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 40 Гбит/с в каждом направлении.
- Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
- Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; используется начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время есть реализация этой шины с частотой 66 МГц. Находится под управлением контроллера PCI - части северного моста или компонента MCH набора микросхем. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. К шине PCI подключается южный мост набора микросхем, который содержит реализации интерфейса IDE и USB.
- Шина ISA. Это 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц; впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Имела широкое распространение, но из спецификации PC99 исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к этой шине подключается микросхема Super I/O.
Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser ( CNR). Подобные специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выполнение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являются универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к какой-либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как стандартные, так и расширенные системные платы, не резервируя место на платах для установки дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъемы AMR/CNR имеют специализированное назначение. Разъемы AMR и CNR представлены на рис. 4.59, а соответствующие платы - на рис. 4.60.
- Разъемы PCI
UM111IMI 1MIIM»
Рис. 4.59. Разъемы AMR и CNR в сравнении с разъемами PCI. При использовании разъема AMR соответствующий ему разъем PCI недоступен
Рис. 4.60. Типичная плата AMR Riser (слева), выполняющая функции модема и оснащенная портом 10/100 Ethernet. Типичная плата CNR Riser (справа), оснащенная аналоговыми звуковыми портами и цифровым портом SPDIF
В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем, например hub-интерфейса и шины LPC. Hub-интерфейс представляет собой четырехтактную (4x) -разрядная шину с рабочей частотой 66 МГц, которая используется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях.
Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 6,67 Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значительно меньше контактов. Это позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.
Системный набор микросхем можно сравнить с дирижером, который руководит оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к собственной шине. В табл. 4.74 приведены разрядность, частота и скорость передачи данных практически всех типов шин ПК.
Шины ISA, EISA, VL-Bus и MCA в современных конструкциях системных плат не используются.
Мбайт/с - мегабайт в секунду.
ISA - Industry Standard Architecture, известная также как 8-разрядная PC/XT или 16-разрядная AT-Bus.
LPC - шина Low Pin Count.
DD Floppy - Double-Density (360/720 Кбайт) Floppy (гибкий диск с удвоенной плотностью записи).
HD Floppy - High-Density (1,2/1,44 Мбайт) Floppy (гибкий диск с высокой плотностью записи).
ED Floppy - Extra-high Density (2,88 Мбайт) Floppy (гибкий диск со сверхвысокой плотностью записи).
EISA - Extended Industry Standard Architecture (32-разрядная ISA).
VL-Bus - VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus (расширение ISA).
MCA - MicroChannel Architecture (системы IBM PS/2).
PC-Card - 16-разрядный интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association).
CardBus - 32-разрядная PC-Card.
Hub Interface - шина набора микросхем Intel серии 8xx.
PCI - Peripheral Component Interconnect.
AGP - Accelerated Graphics Port.
RS-232 - стандартный последовательный порт, 115,2 Кбайт/с.
RS-232 HS - высокоскоростной последовательный порт, 230,4 Кбайт/с.
IEEE-1284 Parallel - стандартный двунаправленный параллельный порт.
IEEE-1284 EPP/ECP - Enhanced Parallel Port/Extended Capabilities Port.
USB - Universal Serial Bus.
IEEE-1394 - FireWire, называемая также i.Link.
ATA PIO - AT Attachment (известный также как IDE) Programmed I/O.
ATA-UDMA - AT Attachment Ultra DMA.
SCSI - Small Computer System Interface.
FPM - Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
EDO - Extended Data Out (ускоренный ввод-вывод).
SDRAM - Synchronous Dynamic RAM.
RDRAM - Rambus Dynamic RAM.
RDRAM Dual - двухканальная RDRAM (одновременное функционирование).
DDR-SDRAM - Double-Data Rate SDRAM.
CPU FSB - шина процессора (или Front-Side Bus).
Hub-интерфейс - шина набора микросхем Intel 8xx.
HyperTransport - шина набора микросхем AMD.
V-Link - шина набора микросхем VIA Technologies.
MuTIOL - шина набора микросхем SiS.
DDR2 - новое поколение памяти стандарта DDR.
Обратите внимание, что для повышения эффективности, во многих шинах в течение одного такта выполняется несколько циклов данных (передач данных). Это означает, что скорость передачи данных выше, чем это может показаться на первый взгляд. Существует достаточно простой способ повысить быстродействие шины с помощью обратно совместимых компонентов.
В следующих разделах речь идет о главных шинах ввода-вывода, шинах процессора и других компонентов системы, упомянутых в предыдущей таблице.
Шина процессора
Эта шина соединяет процессор с северным мостом или компонентом Memory Controller Hub. Она работает на частотах 66-200 МГц. Используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Взаимодействие шин в типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на рис. 4.61.В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэш-память второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100 МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой тактовой частотой, рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно низкой частоте системной платы. Например, в наиболее быстродействующих системах Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора при множителе 3,5х достигает только 66 МГц. Следовательно, кэш-память второго уровня также работает на частоте 66 МГц. Возьмем, например, систему Socket 7, использующую процессоры AMD K6-2 550, работающие на частоте 550 МГц: при множителе 5,5х частота шины процессора равна 100 МГц. Следовательно, в этих системах частота кэш-памяти второго уровня достигает только 100 МГц.
Проблема медленной кэш-памяти второго уровня была решена в процессорах класса P6, таких, как Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, а также AMD Athlon и Duron. В этих процессорах использовались разъемы Socket 8, Slot 1, Slot 2, Slot A, Socket A или Socket 370. Кроме того, кэш-память второго уровня была перенесена с системной платы непосредственно в процессор и соединена с процессором с помощью встроенной шины.
Типы, назначение и функционирование шин 389
Стр. 389
Процессор Pentium MMX, МГц
Шина процессор
66 МГц
а 533 Мбайт/с
Кэш-память L2 66 МГц, 15 нс
EDO '- SDMMS - нс ' МГц
Разъемы
PCI
(белые)
Видеоадаптер 16 Мбайт/с
Шина ISA
8 Мбайт/с
Шина ISA
Клавиатура
О
8 МГц Мышь
О
Разъемы
ISA
(черные)
О Дисковод
CMOS RAM и часы
QCom1 QCom2 QLPT1
Рис. 4.61. Архитектура системы на базе процессора Pentium (Socket 7)
Включение кэш-памяти второго уровня в процессор позволило значительно повысить ее скорость. В современных процессорах кэш-память расположена непосредственно в кристалле процессора, т.е. работает с частотой процессора. В более ранних версиях кэш-память второго уровня находилась в отдельной микросхеме, интегрированной в корпус процессора, и работала с частотой, равной 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора. Однако даже в этом случае скорость интегрированной кэш-памяти была значительно выше, чем скорость внешнего кэша, ограниченного частотой системной платы Socket 7.
В системах Slot 1 кэш-память второго уровня была встроена в процессор, но работала только на его половинной частоте. Повышение частоты шины процессора с 66 до 100 МГц привело к увеличению пропускной способности до 800 Мбайт/с. Обратите внимание, что в большинство систем была включена поддержка AGP. Частота стандартного интерфейса AGP равна 66 МГц (т.е. вдвое больше скорости PCI), но большинство этих систем поддерживают AGP 2x, быстродействие которого вдвое выше стандартного AGP, что приводит к увеличению пропускной способности до 533 Мбайт/с. Кроме того, в этих системах обычно использовались модули памяти PC100 SDRAM DIMM, скорость передачи данных которых равна 800 Мбайт/с.
390
Глава 4. Системные платы и шины
Стр. 390
В системах Pentium III и Celeron разъем Slot 1 уступил место гнезду Socket 370. Это было связано главным образом с тем, что более современные процессоры включают в себя встроенную кэш-память второго уровня (работающую на полной частоте ядра), а значит, исчезла потребность в дорогом корпусе, содержащем несколько микросхем. Скорость шины процессора увеличилась до 133 МГц, что повлекло за собой повышение пропускной способности до 1 066 Мбайт/с. В современных системах используется уже AGP 4x со скоростью передачи данных 1 066 Мбайт/с. На рис. 4.62 показана архитектура типичной системы Socket 370.
Система Socket 370
Кэш-память L1 1,13 ГГц
Шина процессора
CPU
L2
Процессор Pentium III ,13 ГГц
Кэш-память L2 1,13 ГГц
Socket 370
1066 Мбайт/с
О
Шина процессора
AGP Video
AGP 4x
1066 Мбайт/с
Hub-интерфейс 266 Мбайт/с
133 МГц
> 1066 Мбайт/с
Memory Controller
Hub
Шина памяти
1066 Мбайт/с
- SDRAM
- DIMMS
- PC-133
133 Мбайт/с Шина PCI
33 МГц 1 USB1
Разъемы
PCI
(белые)
ЛI/C
Controller Hub
CMOS RAM и часы
Flash
ROM
Firmware Hub (BIOS)
Шина
Low Pin Count
(LPC)
6 Мбайт/с
USB2
-□ata1
"□ATA2
100 Мбайт/с
Клавиатура
-оМышь
О
О Дисковод"^
QCom1 QCom2
I Стандартные | порты
D LPT1 J Рис. 4.62. Архитектура системы на базе процессора Pentium III/Celeron (Socket 370)
Обратите внимание на hub-архитектуру Intel, используемую вместо традиционной архитектуры северный/южный мост. В этой конструкции основное соединение между компонентами набора микросхем было перенесено в выделенный hub-интерфейс со скоростью передачи данных 266 Мбайт/с (вдвое больше, чем у шины PCI), что позволило устройствам PCI использовать полную, без учета южного моста, пропускную способность шины PCI. Кроме того, микросхема Flash ROM BIOS, называемая теперь Firmware Hub, соединяется с системой через шину LPC. Как уже отмечалось, в архитектуре северный/южный мост для этого использовалась микросхема Super I/O. В большинстве систем для соединения микросхемы Super I/O
Типы, назначение и функционирование шин
391
L1
Стр. 391
вместо шины ISA теперь используется шина LPC. При этом hub-архитектура позволяет отказаться от использования Super I/O. Порты, поддерживаемые микросхемой Super I/O, называются стандартными (legacy), поэтому конструкция без Super I/O получила название нестандартной (legacy-free) системы. В такой системе устройства, использующие стандартные порты, должны быть подсоединены к компьютеру с помощью шины USB. В этих системах обычно используется два контроллера и до четырех общих портов (дополнительные порты могут быть подключены к узлам USB).
В системах, созданных на базе процессоров AMD, применена конструкция Socket A, в которой используются более быстрые по сравнению с Socket 370 процессор и шины памяти, но все еще сохраняется конструкция северный/южный мост. Обратите внимание на быстродействующую шину процессора, частота которой достигает 333 МГц (пропускная способность 2 664 Мбайт/с), а также на используемые модули памяти DDR SDRAM DIMM, которые поддерживают аналогичную пропускную способность (т.е. 2 664 Мбайт/с). Также следует заметить, что большинство южных мостов включают в себя функции, свойственные микросхемам Super I/O. Эти микросхемы получили название Super South Bridge.
Система Pentium 4 (Socket 423 или Socket 478), созданная на основе hub-архитектуры, показана на рис. 4.63. Особенностью этой конструкции является шина процессора с тактовой частотой 400/533/800 МГц и пропускной способностью соответственно 3 200/4 266/6 400 Мбайт/с. Сегодня это самая быстродействующая шина. Также обратите внимание на двухканальные модули PC3200 (DDR400), пропускная способность которых (3 200 Мбайт/с) соответствует пропускной способности шины процессора, что позволяет максимально повысить производительность системы. В более производительных системах, включающих в себя шину с пропускной способностью 6 400 Мбайт/с, используются двухканальные модули DDR400 с тактовой частотой 400 МГц, благодаря чему общая пропускная способность шины памяти достигает 6 400 Мбайт/с. Процессоры с частотой шины 533 МГц могут использовать парные модули памяти (PC2100/DDR266 или PC2700/DDR333) в двухканальном режиме для достижения пропускной способности шины памяти 4 266 Мбайт/с. Соответствие пропускной способности шины памяти рабочим параметрам шины процессора является условием оптимальной работы.
Процессор Athlon 64, независимо от типа гнезда (Socket 754, Socket 939 или Socket 940), использует высокоскоростную архитектуру HyperTransport для взаимодействия с северным мостом или микросхемой AGP Graphics Tunnel Первые наборы микросхем для процессоров Athlon 64 использовали версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/800 МГц, однако последующие модели, предназначенные для поддержки процессоров Athlon 64 и Athlon 64 FX в исполнении Socket 939, используют более быструю версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/1 ГГц.
Наиболее заметным отличием архитектуры Athlon 64 от всех остальных архитектур ПК является размещение контроллера памяти. В данном случае контроллер находится не в микросхеме северного моста (или микросхеме MCH/GMCH) - процессоры Athlon 64/FX/Opteron оснащены встроенным контроллером памяти! Благодаря этому исключаются многие “узкие места”, связанные с внешним контроллером памяти, что положительно сказывается на общем быстродействии системы. Главный недостаток этого подхода состоит в том, что для добавления поддержки новых технологий, например памяти DDR-2, придется изменять архитектуру процессора.
На рис. 4.64 представлена блок-схема компьютерной системы на базе процессора Athlon 64 FX-53, оснащенной разъемами PCI-Express x1 и PCI-Express x16.
Поскольку шина процессора должна обмениваться информацией с процессором с максимально высокой скоростью, в компьютере она функционирует намного быстрее любой другой шины. Сигнальные линии (линии электрической связи), представляющие шину, предназначены для передачи данных, адресов и сигналов управления между отдельными компонентами компьютера. Большинство процессоров Pentium имеют 64-разрядную шину данных, поэтому за один цикл по шине процессора передается 64 бит данных (8 байт). Архитектура системы на базе процессора Pentium 4 (Socket 478)
Тактовая частота, используемая для передачи данных по шине процессора, соответствует его внешней частоте. Это следует учитывать, поскольку в большинстве процессоров внутренняя тактовая частота, определяющая скорость работы внутренних блоков, может превышать внешнюю. Например, процессор AMD Athlon 64 6400+ работает с внутренней тактовой частотой 2,4 ГГц, однако внешняя частота составляет только 400 МГц, в то время как процессор Pentium 4 с внутренней частотой 3,4 ГГц имеет внешнюю частоту, равную 800 МГц. В новых системах реальная частота процессора зависит от множителя шины процессора (2x, 2,5x, 3x и выше).
Шина процессора, подключенная к процессору, по каждой линии данных может передавать один бит данных в течение одного или двух периодов тактовой частоты. Таким образом, в компьютерах с современными процессорами за один такт передается 64 бит.
Для определения скорости передачи данных по шине процессора необходимо умножить разрядность шины данных (64 бита, или 8 байт, для Celeron/Pentium III/4 или Athlon/ Duron/Athlon XP/Athlon 64) на тактовую частоту шины (она равна базовой (внешней) тактовой частоте процессора). Блок-схема компьютерной системы на базе процессора Athlon 64 FX-53 (Socket 939)
Например, при использовании процессора Pentium 4 с тактовой частотой 3,6 ГГц, установленного на системной плате, частота которой равна 800 МГц, максимальная мгновенная скорость передачи данных будет достигать примерно 6 400 Мбайт/с. Этот результат можно получить, используя следующую формулу:
800 МГц × байт (64 бит) = 6 400 Мбайт/с. Для более медленной системы Pentium 4:
533,33 МГц × байт (64 бит) = 4 266 Мбайт/с;
400 МГц × байт (64 бит) = 3 200 Мбайт/с. Для системы Athlon XP (Socket A) получится следующее:
400 МГц × байт (64 бит) = 3 200 Мбайт/с;
333 МГц × байт (64 бит) = 2 667 Мбайт/с;
266,66 МГц × байт (64 бит) = 2 133 Мбайт/с. Для системы Pentium III (Socket 370):
133,33 МГц × байт (64 бит) = 1 066 Мбайт/с;
100 МГц × байт (64 бит) = 800 Мбайт/с.
Скорость передачи данных, называемая также пропускной способностью шины (bandwidth) процессора, представляет собой максимальную скорость передачи данных. Параметры различных шин процессора, включая скорость передачи данных, приведены в табл. 4.72.
Шина памяти
Шина памяти предназначена для передачи информации между процессором и основной памятью системы. Эта шина соединена с северным мостом или микросхемой Memory Controller Hub. В зависимости от типа памяти, используемой набором микросхем (а следовательно, и системной платой), шина памяти может работать с различными скоростями. Наилучший вариант, если рабочая частота шины памяти совпадает со скоростью шины процессора. Пропускная способность систем, использующих память PC133 SDRAM, равна 1 066 Мбайт/с, что совпадает с пропускной способностью шины процессора, работающей на частоте 133 МГц. Рассмотрим другой пример: в системах Athlon и некоторых Pentium III используется шина процессора с частотой 266 МГц и память PC2100 DDR SDRAM, имеющая пропускную способность 2 133 Мбайт/с - такую же, как и у шины процессора. В системе Pentium 4 используется шина процессора с частотой 400 МГц, а также двухканальная память RDRAM со скоростью передачи данных для каждого канала 1 600 или 3 200 Мбайт/с при одновременной работе обоих каналов памяти, что совпадает с пропускной способностью шины процессора Pentium 4. В системах Pentium 4, содержащих шину процессора с тактовой частотой 533 МГц, могут использоваться двухканальные модули PC2100 или PC2700, параметры которых соответствуют пропускной способности шины процессора, равной 4 266 Мбайт/с.Память, работающая с той же частотой, что и шина процессора, позволяет отказаться от расположения внешней кэш-памяти на системной плате. Именно поэтому кэш-память второго и третьего уровней была интегрирована непосредственно в процессор. Некоторые мощные процессоры, к числу которых относятся новые версии Itanium, Itanium 2, а также Intel Pentium Extreme Edition, содержат встроенную кэш-память третьего уровня объемом 2-4 Мбайт, работающую на полной частоте процессора. Со временем подобные изменения будут внесены в большинство серийно выпускаемых настольных систем.
Замечание
Обратите внимание, что разрядность шины памяти всегда равна разрядности шины процессора. Разрядность шины определяет размер банка памяти. Более подробно банки памяти описываются в главе 6.
Назначение разъемов расширения
Шина ввода-вывода позволяет процессору взаимодействовать с периферийными устройствами. Эта шина и подключенные к ней разъемы расширения предназначены для того, чтобы компьютер мог выполнить все предъявляемые запросы. Шина ввода-вывода позволяет подключать к компьютеру дополнительные устройства для расширения его возможностей. В разъемы расширения устанавливают такие жизненно важные узлы, как контроллеры накопителей на жестких дисках и платы видеоадаптеров; к ним можно подключить и более специализированные устройства, например звуковые платы, сетевые интерфейсные платы, адаптеры SCSI и др.
Замечание
В большинстве новых компьютеров в системную плату встроено множество базовых периферийных устройств. К таковым относятся интерфейсы IDE (основной и вторичный), четыре порта USB, контроллер дисковода для гибких дисков, два последовательных порта, один параллельный порт, контроллеры мыши и клавиатуры. Эти устройства поддерживаются южными мостами или микросхемами Super I/O, и дополнительные разъемы на шине ввода-вывода им уже не нужны.
Кроме того, ряд системных плат включают в себя интегрированные аудио- и видеосистемы, хост-адаптер SCSI, сетевой интерфейс или порт IEEE-1394a. Тем не менее эти компоненты зачастую не встроены в набор микросхем или модуль Super I/O, а реализованы на базе отдельных микросхем. Взаимодействие встроенных портов и контроллеров с процессором осуществляется по шине ввода-вывода. Поэтому встроенные компоненты, по сути, работают как отдельные адаптеры, подключенные к разъемам системной платы, что отражается на используемых ими системных ресурсах и прерываниях.
Типы шин ввода-вывода
За время, прошедшее после появления первого PC, особенно за последние годы, было разработано довольно много вариантов шин ввода-вывода. Объясняется это просто: для повышения производительности компьютера нужна быстродействующая шина ввода-вывода. Производительность определяется тремя основными факторами:- быстродействием процессора;
- качеством программного обеспечения;
- возможностями мультимедиа-компонентов.
Одной из главных причин, препятствующих появлению новых структур шин ввода-вывода, является их несовместимость со старым стандартом PC, который, подобно крепкому морскому узлу, связывает нас с прошлым. В свое время успех компьютеров класса PC предопределила стандартизация - многие компании разработали тысячи плат, соответствующих требованиям этого стандарта. Новая, более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом, иначе все старые платы придется просто выбросить. Поэтому технология производства шин эволюционирует медленно, без резких скачков.
Шины ввода-вывода различаются архитектурой. Основные типы шин были представлены ранее в главе.
Различия между этими шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием).
Шина ISA
Шина ISA (Industrial Standard Architecture - промышленная стандартная архитектура) использовалась в первом компьютере IBM PC, выпущенном в 1981 году, а в 1984 году - в расширенном 16-разрядном варианте в IBM PC/AT. Сегодня это основной тип шины, используемый в большинстве выпускаемых компьютеров. Кажется странным, что шина с такой “древней” архитектурой использовалась в высокопроизводительных компьютерах, выпускавшихся до середины 1990-х годов, но это объясняется ее надежностью, широкими возможностями и совместимостью. К тому же эта шина до сих пор работает быстрее большинства подключаемых к ней периферийных устройств!Замечание
Шина ISA практически не встречается в современных системах, а количество компаний, выпускающих платы ISA, крайне ограниченно. Сейчас платы ISA используются преимущественно в промышленных системах (PICMG).
Существует два варианта шины ISA, различающиеся количеством разрядов данных: старая 8-разрядная версия и новая 16-разрядная. Старая версия работала на тактовой частоте 4,77 МГц в компьютерах классов PC и XT. Новая версия использовалась в компьютерах класса AT с тактовой частотой 6 и 8 МГц. Позже было достигнуто соглашение о стандартной максимальной тактовой частоте 8,33 МГц для обеих версий шин, что обеспечило их совместимость. В некоторых системах допускается использование шин при работе с большей частотой, но не все платы адаптеров выдерживают такую скорость. Для передачи данных по шине требуется от двух до восьми тактов. Поэтому максимальная скорость передачи данных по шине ISA составляет 8,33 Мбайт/с:
8,33 МГц х 16 бит = 133,28 Мбит/с; 133,28 Мбит/с : 2 такта = 66,64 Мбит/с; 66,64 Мбит/с : 8 = 8,33 Мбайт/с.
Полоса пропускания 8-разрядной шины вдвое меньше (4,17 Мбайт/с). Однако не забывайте, что это теоретические максимумы - из-за сложного протокола обмена данными реальная пропускная способность шины намного ниже (обычно вдвое). Но даже в этом случае шина ISA работает быстрее, чем большинство подключенных к ней периферийных устройств.
8-разрядная шина ISA
Эта шина использовалась в первом IBM PC. В новых системах она не применяется, но до сих пор эксплуатируются сотни тысяч компьютеров с такой шиной, в том числе системы на базе процессоров 286 и 386.
В разъем вставляется плата адаптера с 62 контактами. На разъем выведено 8 линий данных и 20 линий адреса, что позволяет адресовать до 1 Мбайт памяти. Назначение контактов разъема 8-разрядной шины ISA показано на рис. 4.65, а расположение контактов - на рис. 4.66.
Разъем 8-разрядной шины ISA
Хотя эта шина очень проста, компания IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания и временных диаграмм сигналов на линиях данных и адреса. Поэтому при создании плат адаптеров для первых IBM-совместимых компьютеров разработчикам приходилось самим разбираться в ее работе. По мере распространения IBM-совместимых компьютеров и превращения их в промышленный стандарт процесс разработки существенно упростился.
Плата адаптера для 8-разрядной шины ISA имеет следующие размеры:
- высота - 4,2 дюйма (106,68 мм);
- длина - 13,13 дюйма (333,5 мм);
- толщина - 0,5 дюйма (12,7 мм).
16-разрядная шина ISA
Компания IBM буквально “взорвала” мир ПК, представив в 1984 году модель AT, оснащенную процессором 286. Данный процессор поддерживал 16-разрядную шину данных, что позволяло обеспечить взаимодействие между процессором, системной платой и памятью с использованием 16-разрядных, а не 8-разрядных данных. Хотя процессор и можно было установить на системной плате с 8-разрядной шиной ввода-вывода, все равно обеспечивалось повышенное быстродействие при обмене данными с различными платами, подключаемыми к шине.
добавив к нему еще один дополнительный разъем; в результате был получен разъем для установки 16-разрядных адаптеров. Впервые представленная в компьютерах PC/AT в августе 1984 года, 16-разрядная шина ISA также называлась шиной AT.
Дополнительный разъем в каждом 16-разрядном разъеме расширения добавляет 36 контактов (общее количество контактов для передачи данных при этом увеличивается до 98), необходимых для передачи данных большей разрядности. Кроме того, было изменено назначение двух контактов 8-разрядной части разъема. Однако подобные изменения никак не отразились на работоспособности 8-разрядных плат.
Обычная плата адаптера класса AT имеет следующие размеры:
- высота - 4,8 дюйма (121,92 мм);
- длина - 13,13 дюйма (333,5 мм);
- толщина - 0,5 дюйма (12,7 мм).
В компьютерах класса AT вам могут встретиться платы высотой как 4,8 дюйма, так и 4,2 дюйма (соответствующие старым платам для компьютеров класса PC/XT). Платы с уменьшенной высотой устанавливались в компьютере класса XT модели 286. В данной модели с системной платой, предназначенной для компьютера класса AT, использовался корпус от XT, поэтому высоту плат адаптеров пришлось уменьшить до 4,2 дюйма. После этого большинство производителей стали выпускать только адаптеры с уменьшенной высотой, которые можно установить в любой корпус.
32-разрядная шина ISA
Спустя некоторое время после выпуска 32-разрядного процессора были разработаны первые стандарты на соответствующую шину. Еще до появления первых проектов архитектур МСА и EISA некоторые компании начали разрабатывать собственные конструкции, представляющие собой расширение архитектуры ISA. Хотя их было выпущено сравнительно немного, с некоторыми из них вы можете встретиться и сейчас.Дополнительные линии этих шин обычно использовались только при работе с платами расширения памяти и видеоадаптерами. Их параметры и разводки разъемов существенно отличаются от стандартных.
Шина МСА
Появление 32-разрядных микросхем привело к тому, что шина ISA перестала соответствовать возможностям нового поколения процессоров. Процессор 386 может одновременно обрабатывать 32 бит данных, а шина ISA - только 16 бит. Вместо того чтобы снова расширить шину ISA, компания IBM разработала новый стандарт архитектуры. Так появилась шина МСА (Micro Channel Architecture - микроканальная архитектура), которая совершенно не похожа на шину ISA и во всех отношениях превосходит ее.Компания IBM не просто хотела заменить старый стандарт ISA новым, но и сорвать на этом большой куш: она потребовала от всех изготовителей, которые хотели бы приобрести права на использование новой шины МСА, заплатить за использование шины ISA во всех выпущенных ранее компьютерах. Это непомерное требование привело к разработке альтернативной шины EISA, что существенно замедлило распространение МСА. Еще одной причиной неприятия шины МСА стало то, что платы адаптеров, разработанные для ISA, не совместимы с МСА.
Работать с компьютерами МСА значительно проще, чем с их предшественниками; это может подтвердить каждый, кто имел с ними дело. В них нет никаких перемычек или переключателей - ни на системной плате, ни на платах адаптеров. Вместо этого можно использовать специальный Reference-диск, поставляемый вместе с компьютерной системой, а также Option-диски, поставляемые вместе с отдельными платами адаптеров. Установив плату, достаточно загрузить файлы с Option-диска на Reference-диск, после чего Option-диск больше не нужен. Reference-диск содержал специальную BIOS и программу настройки для конкретной системы MCA, а конфигурирование системы без подобного диска было просто невозможно.
Шина EISA
Стандарт шины EISA (Extended Industry Standard Architecture - расширенная промышленная стандартная архитектура) появился в 1988 году в ответ на требование IBM лицензировать использование шины МСА. Конкуренты не сочли нужным платить задним числом за давно используемую шину ISA и, проигнорировав новую разработку IBM, создали свой проект шины.
Вначале разработкой шины EISA занималась компания Compaq, стремившаяся выйти из-под диктата IBM и прекрасно понимавшая, что никто не будет производить ее шины, если она останется единственной компанией, использующей их. Поэтому Compaq принялась активно налаживать контакты с другими ведущими производителями компьютерной техники. В результате был создан комитет EISA - некоммерческая организация, целью которой был контроль за разработкой и внедрением шины EISA.
Хотя к моменту создания комитета 95% всей работы было выполнено, Compaq удалось привлечь к завершению проекта еще восемь ведущих производителей. Кроме того, комитет взял на себя контроль за дальнейшим производством и распространением шин EISA, чтобы предупредить монополизацию проекта одной из компаний. Было выпущено ограниченное количество адаптеров EISA. Как правило, это были контроллеры дисков и сетевые адаптеры.
Шина EISA на самом деле была 32-разрядной версией шины ISA. В отличие от шины MCA компании IBM, в 32-разрядные разъемы EISA можно устанавливать старые 8- или 16-разрядные платы ISA, благодаря чему обеспечивается полная обратная совместимость. Как и в случае шины MCA, шина EISA также поддерживает настройку адаптеров EISA с помощью специального программного обеспечения.
Количество линий в шине EISA по сравнению с ISA увеличилось до 90 (55 новых), при этом размеры разъема остались прежними. На первый взгляд, 32-разрядный слот EISA выглядит почти так же, как 16-разрядный слот ISA. На самом деле разъем шины EISA является сдвоенным. Первый ряд контактов соответствует 16-разрядному слоту ISA, а остальные расположены в глубине разъема и относятся к расширению EISA. Контакты, относящиеся к расширению EISA, доведены до кромки платы, а контакты шины ISA более короткие. При установке платы в разъем контакты EISA проходят через 16-разрядную часть и соединяются в глубине слота с 32-разрядными контактами. В результате получается сдвоенный разъем, в верхней части которого представлены контакты старой шины ISA, а в нижней - новые контакты EISA. Увеличив таким образом производительность шины, удалось избежать ряда проблем, связанных с совместимостью, которые могли бы возникнуть, если бы размеры шины были просто увеличены. Размеры платы EISA таковы:
- высота - 5 дюймов (127 мм);
- длина - 13,13 дюйма (333,5 мм);
- ширина - 0,5 дюйма (12,7 мм).
Используя шину EISA, можно передавать до 32 бит данных одновременно с тактовой частотой 8,33 МГц. В большинстве случаев передача данных осуществляется минимум за два такта, хотя возможна и большая скорость передачи (если плата адаптера имеет достаточное быстродействие). Максимальная полоса пропускания шины составляет около 33 Мбайт/с:
8,33 МГц х 4 байт (32 бит) = 33,32 Мбайт/с.
На рис. 4.69 приведена схема расположения контактов шины EISA. На рис. 4.70 показано размещение контактов; обратите внимание: некоторые контакты смещены, что позволяет устанавливать в разъем EISA платы ISA. На рис. 4.71 представлен разъем EISA.
Память
Использование шин для подключения устройств в обычном компьютере
Некоторым пользователям не дает покоя мысль о том, что компьютер работает медленнее, чем может. Однако быстродействие шины ввода-вывода в большинстве случаев не играет роли. Например, при работе с клавиатурой или мышью высокое быстродействие не требуется, поскольку в этой ситуации производительность компьютера определяется самим пользователем. Оно действительно необходимо только в подсистемах, где важна высокая скорость обмена данными, например в видеоконтроллерах и контроллерах дисковых накопителей.
Проблема, связанная с быстродействием шины, стала актуальной в связи с распространением графических пользовательских интерфейсов (например, Windows). Ими обрабатываются такие большие массивы данных, что шина ввода-вывода становится самым узким местом системы. В конечном счете процессор с тактовой частотой, например, 66 или 450 МГц оказывается совершенно бесполезным, поскольку данные по шине ввода-вывода передаются в несколько раз медленнее (тактовая частота около 8 МГц).
Очевидное решение состоит в том, чтобы часть операций по обмену данными осуществлялась не через разъемы шины ввода-вывода, а через дополнительные быстродействующие разъемы. Наилучший подход к решению этой проблемы - расположить дополнительные разъемы ввода-вывода на самой быстродействующей шине, т.е. на шине процессора (это напоминает подключение внешней кэш-памяти).Принцип работы локальной шины
Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus), поскольку внешние устройства (платы адаптеров) теперь имеют доступ к шине процессора (ближайшей к нему шине). Конечно, разъемы локальной шины должны отличаться от слотов шины ввода-вывода, чтобы в них нельзя было вставить платы “медленных” адаптеров.
Интересно, что первые 8- и 16-разрядные шины ISA имели архитектуру локальных шин. В этих системах в качестве основной использовалась шина процессора и все устройства работали со скоростью процессора. Когда тактовая частота в системах ISA превысила 8 МГц, основная шина компьютера отделилась от шины процессора, которая уже не могла выполнять эти функции. Появившийся в 1992 году расширенный вариант шины ISA, который назывался VESA Local Bus (или VL-Bus), ознаменовал возврат к архитектуре локальных шин. В современном настольном компьютере обычно имеются разъемы PCI и AGP.
Замечание
Для организации в компьютере локальной шины совсем не обязательно устанавливать слоты расширения: устройство, использующее локальную шину, можно смонтировать непосредственно на системной плате. В первых компьютерах с локальной шиной использовался именно такой вариант.
Локальная шина не заменяет собой прежних стандартов, а дополняет их. Основными шинами компьютера, как и раньше, остаются ISA и EISA, но к ним добавляется один или несколько слотов локальной шины. При этом сохраняется совместимость со старыми платами расширения, а быстродействующие адаптеры устанавливаются в слоты локальной шины, при этом реализуются все их возможности. Таким образом, до настоящего момента наиболее распространенными являются разъемы AGP, PCI и ISA. Более старые платы порой оказываются совместимыми с новыми разъемами, однако все возможности локальных шин AGP и PCI позволяют задействовать только новые модели адаптеров. По мере уменьшения популярности шины ISA и смещения акцентов к интерфейсу LPC роль шины ISA постепенно снижается, а вместо нее используются другие шины.
Быстродействие графического интерфейса пользователя Windows или Linux (KDE или GNOME) значительно возросло после того, как на смену видеоадаптерам с интерфейсом ISA пришли адаптеры с интерфейсом PCI и AGP.
Локальная шина VESA
Эта шина была самой популярной из всех локальных шин со дня ее презентации в августе 1992 года и до 1994 года. Она является продуктом комитета VESA - некоммерческой организации, созданной при участии компании NEC для контроля за развитием и стандартизацией видеосистем и шин. Компания NEC разработала VL-Bus, так в дальнейшем будем называть эту шину, а затем создала комитет, который должен был внедрить эту разработку в жизнь. В первоначальном варианте слоты локальной шины использовались почти исключительно для установки видеоадаптеров. Основным направлением, на которое делала упор компания NEC при разработке и реализации компьютерной продукции, было повышение качества и эффективности работы компьютерных видеосистем. К 1991 году видеосистемы стали узким местом во многих компьютерах.По VL-Bus можно выполнять 32-разрядный обмен данными между процессором и совместимым видеоадаптером или жестким диском, т.е. ее разрядность соответствует разрядности процессора 486. Максимальная пропускная способность VL-Bus составляет 128-132 Мбайт/с. В результате удается передавать данные в обход шины ввода-вывода - узкого “бутылочного горлышка”, через которое данные “просачиваются” как вязкая жидкость через толстый фильтр.
К сожалению, концепция VL-Bus существовала недолго. На самом деле VL-Bus представляла собой шину процессора 486. Это позволяло использовать очень простые решения, так как не требовалось никаких дополнительных микросхем. Разработчики системных плат могли просто добавлять разъемы VL-Bus к системным платам для процессоров 486. Именно поэтому данными разъемами были оснащены практически все системы на базе процессора 486.
Однако проблемы с временными задержками привели к сложностям в работе адаптеров. Поскольку VL-Bus работает на частоте шины процессора, использование разных процессоров приводило к разной частоте шины, что значительно усложняло решение задач совместимости. Хотя VL-Bus и можно было адаптировать к другим процессорам, таким, как 386 или Pentium, она лучше всего подходила именно для систем на базе процессора 486. Несмотря на низкую стоимость, после появления новой шины, получившей название PCI, шина VL-Bus очень быстро сошла со сцены. Она так и не появилась в системах на базе процессоров Pentium, а дальнейшая разработка устройств для VL-Bus уже давно не ведется.
Физически разъем VL-Bus представлял собой дополнение к существующим разъемам. Например, в системах архитектуры ISA разъем VL-Bus считался дополнением к существующим 16-разрядным разъемам ISA.
Шина PCI
В начале 1992 года Intel организовала группу разработчиков, перед которой была поставлена та же задача, что и перед группой VESA: разработать новую шину, в которой были бы устранены все недостатки шин ISA и EISA.
В июне 1992 года была выпущена спецификация шины PCI версии 1.0, которая с тех пор претерпела несколько изменений. Различные версии PCI приведены в табл. 4.75.
Создатели PCI отказались от традиционной концепции, введя еще одну шину между процессором и обычной шиной ввода-вывода. Вместо того чтобы подключить ее непосредственно к шине процессора, весьма чувствительной к подобным вмешательствам (что отмечалось в предыдущем разделе), они разработали новый комплект микросхем контроллеров для расширения шины (рис. 4.74).
Шина PCI добавляет к традиционной конфигурации шин еще один уровень. При этом обычная шина ввода-вывода не используется, а создается фактически еще одна высокоскоростная системная шина с разрядностью, равной разрядности данных процессора. Компьютеры
с шиной PCI появились в середине 1993 года, и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров высокого класса.
Тактовая частота стандартной шины PCI равна 33,33 МГц, а разрядность соответствует разрядности данных процессора. Для 32-разрядного процессора пропускная способность составляет 132 Мбайт/с:
33,33 МГц × байт (32 бит) = 133 Мбайт/с. Стандартная шина PCI имеет несколько разновидностей, представленных в табл. 4.76.
В спецификации PCI определено три типа системных плат, каждая из которых разработана для определенных моделей компьютеров с различными требованиями к энергопитанию. Существуют 32- и 64-разрядные версии шины PCI. Версия с напряжением 5 В предназначена для стационарных компьютеров (PCI 2.2 или более ранних версий), версия с напряжением 3,3 В - для портативных систем (также поддерживается PCI 2.3), а универсальная версия предназначена для системных плат и внешних адаптеров, подключаемых в любой из перечисленных разъемов. Универсальные шины и 64-разрядные шины PCI с напряжением 5 В преимущественно предназначены для серверных системных плат. Спецификацией PCI-X 2.0 для версий 266/533 обусловлена поддержка напряжений 3,3 и 1,5 В, что соответствует стандарту PCI 2.3 с поддержкой напряжения 3,3 В.
Сравнить 32- и 64-разрядные варианты стандартного разъема PCI (5 В) с 64-разрядным универсальным разъемом PCIВыводы 64-разрядной универсальной платы PCI (вверху) по сравнению с разъемом 64-разрядной универсальной шины PCI (внизу)
Обратите внимание, что универсальная плата PCI может устанавливаться в разъем, предназначенный для любой платы с фиксированным напряжением питания. Если напряжение, подаваемое на те или иные контакты, может быть разным, то оно обозначается +В I/O. На эти контакты подается опорное напряжение, определяющее уровни выходных логических сигналов.
Другим важным свойством платы PCI является то, что она удовлетворяет спецификации Plug and Play компании Intel. Это означает, что PCI не имеет перемычек и переключателей и может настраиваться с помощью специальной программы настройки. Системы с Plug and Play способны самостоятельно настраивать адаптеры, а в тех компьютерах, в которых отсутствует система Plug and Play, но есть разъемы PCI, настройку адаптеров нужно выполнять вручную с помощью программы Setup BIOS. С конца 1995 года в большинстве компьютеров устанавливается BIOS, удовлетворяющая спецификации Plug and Play, которая обеспечивает автоматическую настройку.
PCI-Express
В течение 2001 года специалисты группы компаний, получившей название Arapahoe Work Group (изначально находившейся под управлением Intel), работали над проектом спецификации новой быстродействующей шины, имеющей кодовое название 3GIO (Third-Generation I/O - шина ввода-вывода третьего поколения). В августе 2001 года специальная группа PCI-SIG (PCI Special Interest Group) приняла решение об использовании, управлении и поддержке спецификации архитектуры 3GIO в качестве шины PCI будущего поколения. Работа над черновой версией 3GIO 1.0 была завершена в апреле 2002 года, после чего была передана в группу PCI-SIG, где и получила новое название PCI Express.
Как следует из первоначального кодового названия (3GIO), новая спецификация шины разрабатывалась в целях расширения и последующей замены существующих шин ISA/AT-Bus (первое поколение) и PCI (второе поколение), используемых в персональных компьютерах. Архитектура шины каждого из предыдущих поколений разрабатывалась с учетом 10-или 15-летнего срока службы. Спецификация PCI Express, принятая и одобренная специальной группой PCI-SIG, станет, как предполагается, доминирующей архитектурой шины ПК, созданной для поддержки увеличивающейся пропускной способности компьютера в течение следующих 10-15 лет.
Основными особенностями PCI Express являются:
- совместимость с существующей шиной PCI и программными драйверами различных устройств;
- физическое соединение, осуществляемое с помощью медных, оптических или других физических носителей и обеспечивающее поддержку будущих схем кодирования;
- максимальная пропускная способность каждого вывода, позволяющая создавать шины малых формфакторов, снижать их себестоимость, упрощать конструкцию плат, а также сокращать количество проблем, связанных с целостностью сигнала;
- встроенная схема синхронизации, позволяющая быстрее изменять частоту (быстродействие) шины, чем при согласованной синхронизации;
- ширина полосы частот (пропускная способность), увеличиваемая при повышении частоты и разрядности (ширины) шины;
- низкое время ожидания, наиболее подходящее для приложений, требующих изохронной (зависящей от времени) доставки данных, что происходит, например, при обработке поточных видеоданных;
- возможность “горячей” коммутации и “горячей” замены (т.е. без выключения электропитания);
- возможности управления режимом питания.
Шина PCI Express - это еще один пример перехода ПК от параллельного к последовательному интерфейсу. Особенностью архитектуры шин предыдущих поколений является параллельная компоновка, при которой биты данных одновременно передаются по нескольким параллельно расположенным выводам. Чем больше количество одновременно передаваемых битов, тем выше пропускная способность шины. При этом особое значение приобретает синхронизация (согласование по времени) всех параллельных сигналов, которая при использовании более быстрых и протяженных соединений становится довольно сложной. Несмотря на то что шины PCI или AGP позволяют передавать одновременно до 32 бит данных, задержки
передачи сигнала и другие факторы приводят к искажению получаемых данных, возникающему из-за разницы во времени между прибытием первого и последнего бита.
Последовательная шина, отличающаяся более простой конструкцией, единовременно передает только 1 бит данных, отправляя сигналы по одному проводу с более высокой, чем у параллельной шины, частотой. При последовательной передаче битов данных синхронизация отдельных битов или длина шины становятся гораздо менее значимым фактором. Объединение нескольких последовательных трактов данных позволяет достичь пропускной способности, значительно превышающей возможности традиционных параллельных шин.
Архитектура быстрой последовательной шины PCI Express обратно совместима с существующими программными драйверами и средствами управления параллельной шины PCI. При использовании PCI Express данные передаются в полнодуплексном режиме (т.е. одновременно выполняется прием и передача данных) по двум парным проводам, которые называются полосой или трассой. Скорость передачи данных в одном направлении для каждой полосы достигает 250 Мбит/с, причем каждая шина может включать в себя от 1 до 2, 4, 8, 16 или 32 полос. Например, 8-полосная шина, имеющая высокую пропускную способность, позволяет одновременно передавать в каждом направлении 8 бит данных, благодаря чему скорость передачи данных может достигать 2 000 Мбит/с при использовании в общей сложности всего лишь 40 выводов (32 вывода для передачи пар дифференциальных данных и 8 выводов для управления). Увеличение скорости передачи сигналов позволяет повысить скорость передачи данных в каждом направлении до 8 000 Мбит/с при использовании тех же 40 выводов. Для сравнения можно привести шину PCI, использующую для передачи сигналов более 100 выводов, причем скорость передачи данных этой шины достигает всего 133 Мбит/с (при единовременной передаче данных только в одном направлении). Для подключения адаптеров с помощью шины PCI Express предназначен разъем уменьшенных размеров, который обычно располагается на системной плате рядом с существующими разъемами шины PCI. На рис. 4.78 сравниваются разъемы PCI Express x1-x16. Обратите внимание, что разъемы PCI Express x4 и PCI Express x8 используются преимущественно в серверах.
Задняя панель корпуса
x16
Передняя панель корпуса
Рис. 4.78. Разъемы PCI Express x1, PCI Express x4, PCI Express x8 и PCI Express x16
В шине PCI Express используется разработанная IBM схема кодирования “8-10”, предусматривающая автосинхронизацию сигналов для повышения частоты. Частота шины, равная в настоящее время 2,5 ГГц, в будущем может быть увеличена до 10 ГГц, что фактически является пределом для медных соединений. Сочетание потенциального увеличения частоты и возможности
одновременного использования до 32 полос позволяет повысить скорость передачи данных шины PCI Express до 32 Гбит/с.
Шина PCI Express предназначена для расширения и последующей замены шин, используемых в настоящее время в компьютерах. Использование этой шины приведет не только к появлению дополнительных разъемов на системной плате, но и к постепенной замене существующих интерфейсов Intel Hub или AMD Hypertransport, применяемых для соединения компонентов микропроцессорного набора. Кроме этого, PCI Express с успехом заменит интерфейсы, применяемые для передачи видеоданных (например, AGP), а также будет использоваться в качестве шины расширения (или шины второго уровня) для подключения к другим интерфейсам, таким, как Serial ATA, USB 2.0, 1394b (FireWire или iLink), Gigabit Ethernet и т.д.
Шина PCI Express, выполняемая в виде кабеля или платы, может быть использована для создания систем из отдельных “блоков”, содержащих те или иные компоненты. Представьте себе системную плату, процессор и модули оперативной памяти, расположенные в небольшом блоке, который находится под столом пользователя, и второй блок, содержащий видеосистему, дисководы и порты ввода-вывода, который стоит непосредственно на рабочем столе и обеспечивает свободный доступ к указанным компонентам. Это дает возможность разработать целый ряд различных формфакторов без ухудшения рабочих характеристик ПК.
PCI-Express не заменит шину PCI. Разработчики систем продолжают использовать в своих решениях шины PCI, AGP и некоторые другие, причем будут делать это еще не один год. Как и в свое время с комбинацией PCI и ISA/AT-Bus, разные поколения шин будут некоторое время соседствовать друг с другом. Постепенно количество разъемов PCI будет уменьшаться, а количество разъемов PCI-Express - увеличиваться. В конечном итоге основной шиной для подключения устройств окажется PCI-Express, придя на смену шине PCI, которая выполняла данную роль на протяжении довольно длительного времени. В настоящее время системные платы содержат равное количество разъемов PCI и PCI-Express.
Хотя потребуется некоторое время на то, чтобы PCI-Express заменила PCI, разъем PCI-Express x16 уже повсеместно вытеснил разъем AGP 8x. Некоторые системы содержат разъемы PCI-Express x16 и AGP 8x, однако шина AGP определенно будет именно той шиной, которую заменит PCI-Express.
Современные системные платы содержат несколько разъемов PCI, а также разъемы PCI-Express x1 и PCI-Express x16; системные платы для рабочих станций и серверов содержат шины PCI-Express, PCI-X и PCI. Для обеспечения совместимости новых решений PCI-Express с существующей инфраструктурой PCI разработаны спецификации Express Bridge 1.0 и Mini PCI-Express Card.
Подробные сведения о PCI-Express представлены на Web-сайте консорциума PCI-SIG (www.pcisig.org).
Ускоренный графический порт (AGP)
Для повышения эффективности работы с видео и графикой Intel разработала новую шину - ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP). Эта шина похожа на PCI, но содержит ряд добавлений и расширений. И физически, и электрически, и логически она не зависит от PCI. Например, разъем AGP подобен разъему PCI, но имеет контакты для дополнительных сигналов и другую разводку контактов. В отличие от PCI, которая является настоящей шиной с несколькими разъемами, AGP - высокоэффективное соединение, разработанное специально для видеоадаптера, причем в системе для одного видеоадаптера допускается только один разъем AGP. Спецификация AGP 1.0 была впервые реализована компанией Intel в июле 1996 года. В соответствии с этой спецификацией использовалась тактовая частота 66 МГц и режим 1х или 2х с уровнем напряжения 3,3 В. Версия AGP 2.0 была выпущена в мае 1998 года, в ней был добавлен режим 4х, а также понижено рабочее напряжение до 1,5 В.
Большинство новых видеоадаптеров AGP поддерживают спецификации AGP 4x или 8x, каждой из которых обусловлено использование напряжения 1,5 В. Многие старые системные платы с интерфейсом AGP 2x поддерживают только платы с напряжением 3,3 В. Установка
видеоадаптера с напряжением 1,5 В в слот 3,3 В может привести к физическому повреждению как самого адаптера, так и системной платы. Во избежание подобных ситуаций в спецификации AGP предусмотрены специальные разъемы. Как правило, адаптеры и слоты имеют разъемы, позволяющие устанавливать платы с напряжением 1,5 и 3,3 В в слоты с напряжением 1,5 и 3,3 В соответственно. Тем не менее существуют универсальные слоты, дающие возможность устанавливать видеоадаптеры с различным уровнем напряжения. Расположение разъемов для адаптеров AGP и типы слотов системной платы зависят от того или иного стандарта AGP (рис. 4.79).
Адаптер AGP 4x/8x (1,5 В), универсальный и AGP 3,3 В разъемы, а также слоты системной платы
Как видно из рис. 4.79, видеоадаптеры AGP 4x или 8x (1,5 В) устанавливаются только в слоты AGP с напряжением 1,5 В или в универсальные слоты с напряжением 3,3/1,5 В. Дизайн слотов и разъемов адаптера не позволяет установить адаптер с напряжением 1,5 В в слот 3,3 В. Так что не волнуйтесь, если новый видеоадаптер AGP не подходит для установки в слот старой системной платы, поскольку это послужит исключительно на благо как адаптера, так и самой платы. В подобном случае необходимо заменить видеоадаптер или приобрести системную плату со слотом AGP 4x/8x, поддерживающим напряжение 1,5 В.
Внимание!
В некоторых AGP 4x-совместимых системных платах могут использоваться только платы AGP 4x с рабочим напряжением 1,5 В. Поэтому перед приобретением платы AGP убедитесь в ее совместимости с существующей системной платой. Кроме того, в отдельных AGP 4x-совместимых разъемах используется механизм фиксации платы (см. рис. 4.51). В разъемах AGP 1x/2x существует явно выраженный делитель, отсутствующий в более новом разъеме AGP 4x.
В новой спецификации AGP Pro 1.0 определен довольно длинный разъем с дополнительными контактами на каждом конце для подвода напряжения питания к платам AGP, которые потребляют больше 25 Вт (максимальная мощность - 110 Вт). Платы AGP Pro могут использоваться для высококачественных графических рабочих станций. Разъемы AGP Pro обратно совместимы, т.е. к ним можно подключать стандартные платы AGP. Так как разъем AGP Pro длиннее AGP 1х/2х, существует вероятность неправильной установки платы AGP 1х/2х, что может привести к ее повреждению. Для того чтобы этого избежать, расширение AGP Pro, расположенное в задней части разъема, иногда закрывается специальной крышкой. Перед установкой платы AGP Pro эту крышку следует удалить.Стандартные разъемы AGP 1x/2x, AGP x и AGP Pro в сравнении друг с другом. В разъемы AGP 4x и AGP Pro могут быть также установлены платы AGP x, 2x и 4x. В разъемы AGP x и AGP Pro можно установить платы AGP x
Шина AGP - быстродействующее соединение, работающее на основной частоте 66 МГц (фактически - 66,66 МГц), которая вдвое выше, чем у PCI. В основном режиме AGP, называемом 1х, выполняется одиночная передача за каждый цикл. Поскольку ширина шины AGP равна 32 бит (4 байт), при 66 млн. тактов в секунду по ней можно передавать данные со скоростью приблизительно 266 млн. байт/с! В первоначальной спецификации AGP также определен режим 2х, при котором в каждом цикле осуществляются две передачи, что соответствует скорости 533 Мбайт/с. В настоящее время практически все современные системные платы поддерживают этот режим. Спецификация AGP 2.0 поддерживает 4-кратный режим передачи данных, т.е. передача данных осуществляется четыре раза в течение одного такта. При этом скорость передачи данных достигает 1 066 Мбайт/с. Большинство современных плат AGP поддерживают, как минимум, стандарт 4х. В табл. 4.77 приведены тактовые частоты скорости передачи данных для различных режимов AGP. Большинство новых видеоадаптеров AGP соответствуют стандарту 4x, в то время как новейшие модели от компаний NVIDIA и ATI поддерживают стандарт AGP 8x.
Скорость передачи данных, Мбайт/с
266 533 1066 2133
Поскольку шина AGP независима от PCI, при использовании видеоадаптера AGP можно освободить шину PCI для выполнения традиционных функций ввода-вывода, например для контроллеров IDE/ATA, SCSI или USB, звуковых плат и пр.
Помимо повышения эффективности работы видеоадаптера, AGP позволяет получать быстрый доступ непосредственно к системной оперативной памяти. Благодаря этому видеоадаптер AGP может использовать оперативную память, что уменьшает потребность в видеопамяти. Однако в последнее время некоторые модели видеоадаптеров AGP стали оснащаться достаточно большим объемом быстродействующей памяти (до 256 Мбайт). Использование собственной памяти оказывается крайне важным при запуске приложений с высокими требованиями, например современных трехмерных игр. Современные видеоадаптеры AGP способны не только запускать игры, но и воспроизводить видео на ПК.
Шина AGP 8x (2 133 Мбайт/с) в 16 раз быстрее 32-разрядной шины PCI, работающей с частотой 33 МГц (133 Мбайт/с), но в два раза медленне шины PCI Express x16 (4 000 Мбайт/с). Современные системы на базе процессоров Pentium 4 и Athlon 64 все чаще оснащены именно разъемом PCI Express x16. Данная тенденция будет только усиливаться, а значит, закат эры AGP неизбежен.
Замечание
Если вы хотите приобрести системную плату с разъемом PCI Express x16, но не хотите менять видеоадаптер AGP, поищите модель системной платы, оснащенную разъемами обоих типов: и AGP 8x, и PCI Express x16. Подобные системные платы выпускаются как для процессоров Pentium 4, так и для процессоров AMD Athlon 64.