Структурная схема темы
Содержание темы Теперь осталось рассмотреть набор разъемов, располагающихся на материнской плате. Эти разъемы предназначены для установки плат расширения. Это платы, являющиеся контроллерами, каких либо необходимых нам устройств, которые не интегрированы в материнскую плату. Например, в эти разъемы можно установить видеоплату (отвечающую за вывод информации на монитор), аудиоплату (отвечающую за звуковые возможности компьютера), TV или FM приемник и т.д. То есть, добавление дополнительных устройств в компьютер с целью наращивания его возможностей происходит путем добавления плат расширения, вставляемых с соответствующие разъемы для этих плат на материнской плате. На материнской плате присутствует несколько типов разъемов для подключения плат расширения. Эти платы расширения соединяются шиной. Шина – это внутренний путь, по которому данные передаются от одного компонента ПК к другому. Прежде чем мы опишем существующие шины для подключения внешних плат расширения, разберем, от чего зависит скорость обмена данными по шине. Естественно, чем быстрее можно передавать данные по шине, тем больше возможностей она предоставляет. Предположим, что из одной точки в другую нам нужно передавать данные, мы проложили между этими точками провод и имеем оборудование для передачи данных со скоростью 300 байт/с. Но, такая скорость, нас не удовлетворять и мы хотим ее увеличить. Существует два способа увеличить эту скорость. Первый и наиболее очевидный состоит в том, что нужно научиться передавать по имеющемуся проводу больше, например 500 байт/с. Как все просто! Но, наши провода могут быть не приспособлены для такой скорости передачи. Приемо-передающее оборудование также может не справиться с возросшей нагрузкой: передатчик в силу своего устройства не может формировать и передавать более чем 300 байт/с, а приемник, в свою очередь не может принимать больше. Итого такой способ может требовать замены всего, включая оборудование, провода, а может даже и способа передачи (метода кодирования сигнала). В электронике обычно передача данных происходит следующим образом: имеется некоторый периодический сигнал, и каждый период (импульс) может, как говорят, быть модулирован (говоря проще - искажен каким либо способом). Таким образом, на каждом импульсе периодического сигнала возможна передача одного бита (к примеру: неискаженный импульс - логический 0, искаженный - логическая 1). Естественно, чем больше импульсов проходит в секунду, тем больше информации можно передать в единицу времени, т.е. тем производительнее шина обмена информацией. Таким образом, чем выше частота (измеряемая в Герцах, Гц), на которой работает некая шина, тем быстрее можно передавать данные. Но при этом (как в приведенном выше примере) просто взять, и поднять частоту шины, увеличив, таким образом, ее пропускную способность весьма непросто. Нужно быть готовым к тому, что имеющееся оборудование наверняка не будет работать с новой частотой шины, и придется разрабатывать новое оборудование. Второй способ увеличить пропускную способность канала обмена в приведенном выше примере еще более прост! Нужно просто добавить еще один (или несколько) проводов, по которым передаются данные! При этом частота остается той же, имеющееся оборудование будет работать, а передача данных происходит параллельно по двум или нескольким проводам. В таком случае говорят об увеличении ширины шины. Если в случае одного провода за один такт периодического сигнала передают один бит, то в случае, когда шина состоит из N проводов, за один такт можно передать N бит, поэтому ширину шины измеряют в битах, а физически это соответствует количеству проводов в шине, использующихся для передачи данных. Таким образом, говорят о разрядности шины и измеряют ее в битах. Чем больше разрядность, чем больше и пропускная способность шины. Шины могут быть 8-, 16-, 32-, 64-разрядные. Теперь определим, как рассчитать пропускную способность шины, т.е. сколько информации в единицу времени можно передать по шине. Если частота шины X Гц (1/сек), то это значит, что при однобитной шине (1 провод для передачи данных) в секунду можно передать X бит. А если ширина шины составит N бит, то в секунду можно передать в N раз больше бит, т.е. XN бит. Например: частота шины 100МГц, а ширина шины составляет 32 бита, то пропускная способность составляет 3200 Мбит/с. Так как обычно удобней пользоваться не битами а байтами, то можно сразу определить сколько байт составляет ширина шины (в нашем случае 32/8 = 4) и рассчитать пропускную способность в байтах в секунду. В нашем примере 4 байта передаются на каждом такте, всего таких тактов 100 миллионов в секунду, т.е. пропускная способность шины составляет 400 Мбайт/с. Теперь, разобравшись с характеристиками шин, мы можем переходить непосредственно к изучению параметров шин для подключения плат расширения в современном компьютере.
Шина ISA (Industrial Standard Architecture - Стандартная промышленная архитектура. Стандарт шины расширения компьютеров IBM PC и последующих моделей) была 16-разрядной, в отличии от своей восьмиразрядной предшественницы, кроме того частота шины ISA была поднята примерно до 8 МГц. Таким образом, пропускная способность новой шины увеличилась по сравнению с XT-Bus почти вчетверо. Но самое главное вот что. В ситуации, когда нужно разработать новую шину для подключения внешних устройств, всегда есть два пути. Путь первый - разработать с нуля новую шину, новый разъем, новую логику работы не имея необходимости тащить за собой недостатки прошлого. И путь второй - разработать новую шину как улучшение предыдущей, сохранив при этом совместимость. Именно второй путь обычно и избирают, если только имеется техническая возможность сделать это. Дело в том, что разработав и внедрив новую Но, разумеется, новая шина удовлетворяет потребности только лишь некоторое время. И затем снова встает вопрос о разработке новой шины для подключения плат расширения. В 1988 году такие фирмы, как Wyse, AST Research, Tandy, Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson предложили 32 - битное расширение шины ISA, так называемую шину EISA (Extended Industry Standard Architecture - Расширенная стандартная промышленная архитектура. 32-разрядная шина расширения, обратно совместимая с ISA по разъемам). Поскольку дальше удлинять разъем ISA было некуда, разработчики нашли оригинальное решение: новые контакты были размещены между контактами шины ISA и не были доведены до края разъема. Специальная система выступов на разъеме и щелей в EISA-картах позволяла им глубже заходить в разъем и подсоединяться к новым контактам. (Правда, утверждают, что при большом желании можно запихнуть и ISA-карту так, чтобы она замкнула EISA-контакты). То есть, разъем EISA содержал дополнительные контакты, которые и обеспечивали 32 - битное расширение в глубине. И в разъем EISA можно было вставлять как обычные ISA платы, т.е. обеспечивалась совместимость, так и специально разработанные EISA платы. Однако архитектура EISA не прижилась.
В июне 1992 года Intel разрабатывает новую шину для подключения периферийных устройств - PCI (Peripheral Component Interconnect - Подключение периферийных компонентов). Эта шина в отличии от VL-Bus является процессоронезависимой. Эта шина имеет разрядность 32 бита, работает на частоте 33 МГц, обеспечивая таким образом пропускную способность 133 Мбайт/с. Кроме того возможно реализация 66 МГц 64-битной PCI, но в обычных PC такая разновидность не используется. Сегодня PCI - основная шина современного компьютера, и вероятно еще долго таковой останется. Сегодня практически все платы расширения выполняют в разъем PCI, кроме плат видеоконтроллеров. Это связано с тем, что именно видеосистема - самая требовательная к пропускной способности шины обмена, и для видеоконтроллеров разработана специальная шина, которая называется AGP (Advanced Graphics Port - Ускоренный графический порт).
Шина PCI Express Для подключения графических карт используется версия PCI Express 16х. Теоретическая пропускная способность 4000 мбайт/с. Разработка шины началась в 2001 году по инициативе компании Intel. PCI Express предусматривает схему организации, аналогичную универсальной сетевой архитектуре ISO. Передача информации осуществляется пакетами по созданным каналам связи. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит. При необходимости 2 бита используются для контроля за целостностью данных. Тем самым реализуется концепция обмена данными «точка — точка». Интерфейс PCI Express позволяет объединять в шину несколько независимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1, 2, 4, 8, 16 и 32 линий. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express сейчас является 2,5 ГГц. При этом пиковая пропускная способность (на один канал передачи данных) достигает 200 Мбайт/с, что составляет 100 Мбайт/с на контакт (64). Теперь давайте разберемся, какие же шины для подключения плат расширения используются в современном компьютере и каковы перспективы развития этих шин. Основной шиной для плат расширения давно (около 12 -15) лет является PCI. Пропускная способность этой шины (133 Мбайт/с) достаточна для большинства сегодняшних устройств и для шины PCI выпускаются сегодня практически все платы расширения: аудио платы, сетевые платы, модемы, TV-приемники и т.д. Современная материнская плата имеет 4-6 разъемов шины PCI. Кроме того, на современной материнской плате обычно присутствует один разъем AGP или PCI Express. Разъем AGP или PCI Express используется только видеоплатой, поэтому он только один на материнской плате и реализовать более чем один, используя обычный чипсет нельзя. Шина ATA (IDE) Интерфейс ATA (АТ Attachment for Disk Drives - подключение к AT-системе. Интерфейс для подключения жестких дисков и дисководов CD-ROM) (АТ - Advanced Technology - продвинутая технология) разработан в 1986 г. для подключения накопителей на жестких магнитных дисках в компьютерах IBM PC/AT с шиной ISA-Bus. Интерфейс появился в результате установки контроллера жесткого диска в сам накопитель, то есть создания устройства со встроенным контроллером — IDE. Фактически контроллер жесткого диска был перенесен с материнской платы PC/AT на плату электроники накопителя. Поскольку стандартный контроллер жестких дисков AT позволял подключать до двух накопителей, эту возможность включили и в новый интерфейс. Оба накопителя подключили к одной интерфейсной шине. Шина Serial ATA Спецификации последовательного интерфейса Serial ATA (SATА) версии 1.0 были опубликованы в августе 2001 г., а спецификация Serial ATA II— в октябре 2002 г. В настоящее время интерфейс SATА считается основным для подключения накопителей различных типов в современных платформах настольных ПК. Стандарт SATА подразумевает последовательную передачу данных, а потому сигнальные линии задействуют всего две дифференциальные пары. Одна из них работает на передачу, а другая — на прием. Всего же в кабеле SATА допускается использование семи проводников, три из которых предназначены для заземления. Максимальная длина кабеля при этом составляет один метр. По сравнению с традиционным параллельным интерфейсом ATА шина Serial ATA имеет большую помехозащищенность и мало восприимчива к электромагнитным помехам благодаря использованию низкоуровневых дифференциальных сигналов. Уровень сигнала измеряется не по отношению к «земле», а по отношению к уровню сигнала в соседнем проводе, то есть как разница сигналов в двух проводниках. Одной особенностью интерфейса SATА является организация взаимодействия между контроллером и диском по принципу «точка-точка». В интерфейсе SATА к одному контроллеру можно подключить только один жесткий диск, поэтому каждому устройству стандарта SATА предоставляется вся полоса пропускания 150 Мбайт/с. Спецификацией SATА предусмотрена поддержка технологии горячей замены дисков, то есть подключения и отключения устройств на работающей шине. Развитием спецификации SATА стал интерфейс Serial ATA II, который поддерживают современные версии южных мостов НМСЛ ведущих производителей, например компаний Intel, nVidia, VIA и SiS. Явным отличием спецификации SATA II выглядит увеличение пропускной способности шины до 300 Мбайт/с. Однако спецификация имеет много внешне малозаметных улучшений, существенно влияющих на эффективность накопителей. Например, в спецификацию введены специальные мосты-умножители, позволяющие подключать до 15 устройств на один канал SATА. Шина SCSI (Small Computer Systems Interface — Системный интерфейс для малых компьютеров, по-русски произносится как «скази») — интерфейс, разработанный для объединения в единую систему устройств различного профиля: накопителей на жестких магнитных носителях, сканеров, стримеров, CD-ROM и т.п. Суть интерфейса состоит в том, чтобы обеспечить гибкий механизм управления этими устройствами и максимальную скорость их работы как единого, но делимого механизма. Самый первый стандарт — SCSI-1; в этом стандарте можно было к одной шине подключить до восьми устройств, включая контроллер. Интерфейс содержит развитые средства управления и в то же время не ориентирован на какой-либо конкретный тип устройств. Имеет 8-pазpядную шину данных, максимальная скорость передачи — до 5 МБ/с. Может использоваться контроль четности для обнаружения ошибок. Электрически реализован в виде 24 линий. SCSI-2 — существенное развитие базового SCSI. Увеличена скорость передачи до 10 МБ/с. Добавлены новые команды и сообщения, поддержка контроля четности сделана обязательной. Введена возможность расширения шины данных до 16 разрядов, что обеспечило скорость до 20 МБ/с. Введен новый 68-контактный соединительный разъем. Последующая спецификация, SCSI-3, уже не только ввела новые скорости передачи, но и значительно расширила систему команд. Кроме того, в качестве среды передачи допускается использование, наряду с традиционным параллельным шинным интерфейсом, и других параллельных и последовательных протоколов: Fibre Channel, IEEE 1394 Firewire и Serial Storage Protocol (SSP). Интерфейс Ultra SCSI, использует частоту шины 20 МГц. Интерфейс Ultra/Wide SCSI поддерживает 16 устройств и обеспечивает скорость передачи данных до 40 МБ/с. Более скоростной Ultra-2 Wide SCSI, обеспечивающим скорость передачи до 80 МБ/с. Следующие интерфейсы — Ultra-3 SCSI, Ultra 320 SCSI, Ultra 640 SCSI — не привнесли ничего принципиально нового в стандарт, кроме скорости. Они остаются также с шириной шины 16 бит, и также к интерфейсу можно подключить до 16 устройств. Сравнительная характеристика стандартов SCSI приведена в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Сравнительная характеристика стандартов SCSI
|
Самой первой шиной для подключения плат расширения была разработанная для самых первых РС шина, названная XT-Bus (еще ее иногда называют ISA8). Это была восьмиразрядная шина, а частота, на которой она работала, составляла всего лишь 4,77 МГц. Столь малая частота работы шины XT-Bus объясняется тем, что и процессор в самом первом компьютере IBM PC работал на частоте 4,77 МГц. Естественно, даже теоретическая пропускная способность такой шины 1байт х 4,77МГц = 4,77Мбайт/с (а реальная производительность шины заметно меньше), не может надолго удовлетворить потребности в пропускной способности, поэтому для новых систем в 1984 году была разработана модификация шины XT-Bus, названная ISA.
шину, не совместимую со старой, производитель не вызовет особой радости у пользователя, который, купив новую материнскую плату и процессор, убедится, что все прочие платы расширения, которыми он пользовался ранее, теперь можно выбросить, так как установить их в новый компьютер нельзя. И шина ISA - это улучшенная XT-Bus, сохранившая с XT-Bus совместимость. Естественно, эта совместимость выражается и в организации логики обмена по шине, и в разъеме. Разъем шины ISA длиннее, чем разъем XT-Bus, и в дополнительной части разъема содержатся контакты, обеспечивающие 16-разрядный обмен, а часть ISA которая физически устроена как XT-Bus - это и есть разъем XT-Bus!. То есть, шина ISA является совместимой с XT-Bus в том смысле, что старую XT-Bus плату можно установить в разъем ISA и она при этом будет работать. Итого: в разъем ISA можно вставить как 16-разрядную, специально разработанную для ISA плату, так и старую, разработанную для XT-Bus плату.
Фактически переступив через EISA, индустрия использовала следующую разработку, шину, которая называлась локальная шина VESA (Video Electronics Standards Association - Ассоциация стандартов в области видео и электроники), или VL-Bus - VESA Local Bus. Разъем шины VESA состоял из разъема ISA и еще одного блока, обеспечивавшего дополнительные контакты, которые позволяли реализовать по шине VESA 32-битный обмен. Кроме того, разъем VESA работал не на частоте 8 МГц, а на частоте процессора, установленного в системе, что в то время составляло 25-50 МГц! Таким образом, шина была вдвое шире (в смысле разрядности), чем ISA, да еще и работала на частоте, в несколько раз большей, обеспечивая огромный рывок вперед по пропускной способности! В те времена наиболее остро чувствовали нехватку производительности шины обмена видеоконтроллеры и контроллеры жесткого диска (тогда контроллер жесткого диска еще не встраивали в чипсет и пользователь покупал плату контроллера жесткого диска отдельно). И использование шины VESA позволило в значительной мере улучшить производительность этих устройств за счет обеспечения более быстрого обмена с системой. Но шина VESA не лишена и недостатков, и они весьма существенны. Во-первых: шина VESA была жестко привязана к системной шине 486 процессора, иными словами ни в каких системах кроме 486 она работать не могла. Во-вторых - ограничение на число устройств. Дело в том, что шина VESA - не совсем "честная" шина. Что значит не совсем "честная"? Дело в том, что ряд контактов шины VESA - это контакты напрямую на ножки процессора. Это и привязывает VESA к конкретной архитектуре 486. Но этого мало! Ведь при разработке процессора никто не учитывал, что на него будет такая вот дополнительная электрическая нагрузка! Фактически установленная в компьютере VESA плата - это минус стабильности компьютера. Именно поэтому количество VESA плат в системе ограничено, и ограничение это - три платы - совсем не велико. Но и 3 платы использовать можно далеко не всегда, а только при частоте шины компьютера 33 МГц. При 40 МГц шины можно использовать только две VESA платы, при шине 50 МГц - только одну VESA плату. И это все вместе: привязка к конкретному процессору, уменьшение стабильности системы, ограничение максимум в три VESA устройства и приводит к тому, что у шины VESA уже в момент разработки будущего как бы и нет! Просто VESA - это очень хорошая заплатка, позволяющая обеспечить приемлемую скорость на момент разработки, когда других альтернатив не было, но очевидно, что на смену VESA должна прийти новая шина для подключения плат расширения, шина, которая будет лишена всех недостатков VESA. Добавим, что так как VESA - конструктивно расширение ISA, то в VESA слот можно устанавливать как XT-Bus и ISA, так и специально разработанные для VESA платы.
Шина AGP имеет ширину 32 бита (как и PCI), но работает на частоте 66 МГц, имея, таким образом, вдвое большую пропускную способность (266 Мбайт/с). Но этим дело не ограничивается. Дело в том, что шина AGP имеет несколько режимов работы. При чем во всех этих режимах частота работы шины одинакова и составляет 66 МГц. Но пропускная способность шины AGP в разных режимах отличается. В режиме работы, который называют AGP 2x, пропускная способность шины составляет 533 Мбайт/с. За счет чего? За счет того, что данные по шине передаются вдвое чаще, то есть за один период сигнала передается два бита - один на подъеме и один на спаде периодического сигнала. Шины, работающие в подобном режиме, называют DDR (Double Data Rate - Двойная скорость передачи данных) шинами. Кроме того, шина AGP может работать и в режиме 4х, т.е. бит передается дважды на подъеме и дважды на спаде сигнала, биты передаются вчетверо чаще, чем в обычном режиме. Шину, работающую в таком режиме, называют QDR (Quad Data Rate - Четырекратная скорость передачи данных). Нетрудно подсчитать, что пропускная способность AGP 4x составляет 1066 Мбайт/с, а AGP 8x составляет 2100 Мбайт/с. Однако постепенно на смену интерфейсу AGP приходит перспективный интерфейс PCI Express.
