3.3. Шины расширения

3.3.1. Шина ISA

Шина ISA (Industry Standart Architecture, ISA - Промышленная стандартная архитектура) долгие годы являлась стандартом в области PC и считается самой "старой" в семействе шин, однако до недавнего времени она использовалась даже в новейших моделях PC. Дело в том, что у пользователей имеется еще множество периферийных устройств, использующих стандарт ISA (модемы, сканеры, звуковые карты и т. п.), для которых быстродействия этой шины более чем достаточно.

Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию (спецификации PC 98 и PC 99) постепенного отказа от шины ISA. Согласно этой концепции на первом этапе производителям материнских плат следует исключить слоты ISA, что должно вынудить производителей карт расширения полностью перейти на производство PCI-карт. На следующем этапе планировалось полностью отказаться от ISA-разъемов на материнской плате. Предполагается подключать дисководы, мышь, клавиатуру, сканер и другие устройства к шине USB, а для подключения, например, винчестеров, приводов CD-ROM и DVD-ROM, видеокамер использовать новую шину IEEE 1394. Согласно спецификациям PC 98 и PC 99, разработанным корпорациями Intel и Microsoft, шина ISA должна была умереть еще в 1998 или 1999 году. Однако учитывая огромный парк PC и комплектующих, а также высокую стоимость всех нововведений в компьютерном мире 16-разрядная шина ISA прослужила несколько дольше. Однако в 2001 году стратегия Intel и Microsoft дала свои плоды и на рынке практически не осталось материнских плат с разъемами ISA. Это создало определенные проблемы владельцам старого периферийного оборудования.

8-разрядные шины

Родоначальником в семействе шин ISA была 8-разрядная шина XT, которая использовалась в компьютерах класса XT.

Как известно, пропускная способность шины определяет производительность всей системы. Очевидно, что при этой разрядности и тактовой частоте 4,77 МГц пропускная способность шины очень низкая.

16-разрядная шина

Если вы посмотрите на слот 16-разрядной шины, обозначаемой иногда AT BUS, то увидите, что он состоит из двух частей, одна из которых в точности соответствует слоту 8-разрядной шины XT, а на контакты второй выведены линии для дополнительных адресов ввода/вывода, прерываний и каналов DMA.

На этом основании короткие 8-разрядные карты можно устанавливать в 16-разрядный слот. Сделать это наоборот, конечно же, невозможно.

Рис.3.5. Слоты 16-разрядной и 8-разрядной шины ISA

Дополнительный слот имеет 36 контактов.

Передача байта данных по шине ISA происходит следующим образом. Сначала на адресной шине выставляется адрес ячейки RAM или порта устройства ввода/вывода, куда следует передать байт, затем на линии данных выставляется байт данных, по одной из линий шины управления передается сигнал записи WR (строб записи). Причем контроль записи (проверка, успели записаться данные или нет) не производится. Поэтому тактовая частота шины ISA выбрана равной 8,33 МГц, чтобы даже самые медленные устройства гарантированно успевали производить по шине обмен данными (командами).

3.3.2. Шина VLB

Для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами были разработаны локальные шины VLB, PCI и др.

Локальная шина VESA, или VLB (VESA Local Bus), разработана Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (Video Electronics Standart Assotiation, VESA), основанной в начале 1980-х гг.

Необходимость создания VLB была вызвана тем, что передача видеоданных по шине ISA происходит слишком медленно.

Локальная шина VLB представляет собой не новое устройство на материнской плате, а, скорее, расширение шины ISA для обмена видеоданными. Обмен информацией с CPU осуществляется под управлением контроллеров, расположенных на картах, устанавливаемых в слот VLB, напрямую в обход стандартной шины ввода/вывода. Шина VLB является 32-разрядной и работает на тактовой частоте процессора. Кроме того, передача данных по этой шине невозможна без использования линий шины ISA, по которым передаются уже известные сигналы адресов и управления.

Рис.3.6. Материнская плата со слотом локальной шины VESA

Согласно спецификации VESA тактовая частота локальной шины не должна превышать 40 МГц. Для большинства материнских плат, имеющих процессор с тактовой частотой 50 МГц, особых проблем обычно не возникает, причем, как правило, эти материнские платы оборудованы двумя слотами VLB.

Имелись соответствующие контроллеры VLB и для винчестера (как IDE, так и SCSI).

Во время господства CPU 80486 шина VLB была весьма популярна, однако в настоящее время ее полностью вытеснила более производительная шина PCI.

3.3.3. Шина PCI

Едва карта VLB успела закрепиться на рынке, как появилась уже новая шина PCI (Peripheral Component Interconnect). Она была разработана фирмой Intel для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium. Шина PCI, в отличие от EISA и VLB, представляет собой не дальнейшее развитие шины ISA, а совершенно новую шину.

В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т. е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц, при частоте системной шины 100 МГц - 50 МГц.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами (например, PCI to ISA Bridge).

Важной особенностью шины PCI является то, что в ней реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобождается для выполнения других задач, пока происходит передача данных.

Применительно к устройствам IDE (например, винчестер, CD-ROM) Bus Mastering IDE означает наличие определенных схем на материнской плате, позволяющих осуществлять передачу данных с жесткого диска в обход CPU. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных систем типа Windows 95/98, Windows NT, OS/2 и т. п.

В настоящее время шина PCI стала стандартом де-факто среди шин ввода/вывода. Поэтому рассмотрим ее архитектуру несколько подробнее.

В чем же секрет победного шествия шины PCI в мире PC? Ответить можно так.

• В шине PCI используется совершенно отличный от шины ISA способ передачи данных. Этот способ, называемый "способом рукопожатия", заключается в том, что в системе определяются два устройства: инициатор (Iniciator) и исполнитель (Target). Когда инициирующее устройство готово к передаче, оно выставляет данные на линии данных и сопровождает их соответствующим сигналом (Indicator Ready), при этом исполняющее (подчиненное) устройство записывает данные в свои регистры и подает сигнал Target Ready, подтверждая запись данных и готовность к приему следующих. Установка всех сигналов, а также чтение/запись данных производятся строго в соответствии с тактовыми импульсами шины, частота которых равна 33 МГц (сигналу CLK).
• Основное преимущество PCI-технологии заключается в относительной независимости отдельных компонентов системы. В соответствии с концепцией PCI, передачей пакета данных управляет не CPU, а включенный между ним и шиной PCI мост (Host Bridge Cashe/DRAM Controller). Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись данных в RAM (или их считывание) либо при обмене данными между двумя любыми компонентами системы.

  
  Рис.3.7. Архитектура шины PCI

• В соответствии со спецификацией PCI 1.0 шина PCI - 32-разрядная, a PCI 2.0 64-разрядная. Таким образом, полоса пропускания шины составляет, соответственно, 33 МГц х (32 бит : 8) = 132 Мбайт/с и 33 МГц х (64 бит : 8) = 64 Мбайт/с.
• Шина PCI универсальна (или самодостаточна). Поскольку системная шина и шина PCI соединены с помощью главного моста (Host-Bridge), то последняя является самостоятельным устройстве и может использоваться независимо от типа CPU.
• В соответствии со спецификацией PCI 5.0, ширина шины увеличена до 64 разрядов, слоты PCI имеют дополнительные контакты, на которые подается напряжение 3,3 В. Большинство современных микросхем PC работает при таком напряжении.
• Система PCI использует принцип временного мультиплексирования, т. е. когда для передачи данных и адресов применяются одни и те же линии.
  
• Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т. е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug&Play, разработанной корпорацией Intel.

3.3.4. Шина AGP

Несмотря на все преимущества шины PCI, ее возможностей становится недостаточно в условиях растущей нагрузки на систему. Причина заключается в том, что новое поколение графических микросхем работает одновременно с трехмерной графикой и видео. Только для управления пользовательским графическим интерфейсом требуется половина пропускной способности шины. Очевидно, что одной шины PCI для пе-ресылки графических и видеоданных недостаточно, - в пределах графической подсистемы необходима дополнительная шина. Специально разработанные для этой цели шины VAFC (Vesa Advanced Feature Connector) со скоростью передачи данных около 20 Мбайт/с и VMC (Vesa Media Channel) - 16 Мбайт/с не получили широкого распространения.

Чтобы, не меняя уже сложившийся стандарт на шину PCI, ускорить ввод/вывод данных на видеоадаптер и, кроме того, увеличить производительность PC при обработке трехмерных изображений без установки специализированных дорогостоящих двухпроцессорных видеоадаптеров, в 1997 г. фирмой Intel был разработан стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port). AGP является каналом передачи данных между видеоадаптерами и памятью RAM, а также системной шиной процессора, при этом не пересекаясь с шиной PCI.

Примечание

Так как шина AGP соединяет только два устройства (видеоадаптер и RAM), то фактически является не шиной, а портом.

Шина AGP - это высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системной памятью PC, поэтому на материнской плате имеется только один разъем (слот) AGP. Поскольку шину AGP использует только одно устройство, не возникает характерной для шины PCI проблемы арбитража (когда несколько устройств одновременно требуют доступа к шине), что повышает скорость обмена данными между видеоадаптером и системной памятью.

Рис.3.8. Архитектура шины AGP

Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Вместе с тем, у нее имеется ряд важных отличий от шины PCI, позволяющих в несколько раз увеличить пропускную способность.

• Использование более высоких тактовых частот (режимы 2х, 4х)
• Демультиплексирование (режим SBA)
• Пакетная передача данных
• Режим прямого исполнения в системной памяти

Рассмотрим эти особенности более подробно.

Режимы 2х и 4х

Если шина PCI в стандартном варианте (32-разрядная) имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретически пропускную способность шины PCI 33 х 32 = = 1056 бит/с = 132 Мбайт/с, то шина AGP тактируется сигналом с частотой66 МГц, поэтому ее пропускная способность составляет 66 х 32 = 264 Мбайт/с (это соответствует так называемому режиму 1х). Помимо режима 1х, стандартом AGP Revision 1.0 предусмотрен режим 2х, при котором передача данных производится не только по переднему, но и по заднему фронту тактового импульса. В режиме 2х эквивалентная тактовая частота составит 132 МГц, а пропускная способность - 528 Мбайт/с. Заметим, что режим 2х идеально подходит для процессоров семейства Pentium и старше, у которых внешняя шина данных, как известно, является 64-разрядной (это позволяет за один такт выполнить две 32-разрядных команды или обработать два 32-разрядных слова).

В последних версиях шины AGP (AGP Revision 2.0), использующих пониженное напряжение питания, за один такт синхронизации удается выполнить уже не две, а четыре передачи (режим 4х), при этом скорость передачи данных через шину составляет около 1 Гбайт/с. Кроме того, наиболее современные видеоадаптеры, выполненные на основе прогрессивных технологий 0,25 мкм и 0,18 мкм, обычно устойчиво работают на более высоких частотах шины AGP, чем 66 МГц (например, при использовании в Chipset Intel 440BX тактовой частоты системной шины около 133 МГц вместо положенных 100 МГц тактовая частота шины AGP, определяемая как 66% частоты системной шины, составит не 66, а около 90 МГц). Таким образом, пропускная способность интерфейса AGP значительно выше, чем интерфейса PCI.

Pipelining - конвейерная (пакетная) передача данных

При обращении к памяти через шину ввода/вывода обязательно возникают задержки, т. е. между моментом выставления кода адреса и моментом получения кода данных проходит какое-то время. При обмене через шину PCI эта задержка возникает при каждом обращении. Шина AGP, в отличие от PCI, предусматривает pipelining - конвейерную (пакетную) передачу данных, при которой новый запрос (код адреса) выставляется на шине сразу же после предыдущего, т. е. запросы выстраиваются в очередь (ее длина может достигать 256). Все запрошенные данные передаются по шине также в виде непрерывного пакета. В результате этого задержка получения данных может возникнуть только один раз, что значительно повышает скорость обмена данными через шину AGP по сравнению с обменом через шину PCI.

Демультиплексирование

Как известно, шина PCI является мультиплексированной (переключаемой): одни и те же 32 линии ADO-AD31 сначала используются для передачи кода адреса, а затем - кода данных. Иногда такой режим называют AD (Address - Data).

Шина AGP также может работать в режиме AD, однако она допускает применение режима SBA (Side-Band Addressing - Адресация по боковой полосе), при котором для передачи кода адреса используются восемь дополнительных линий разъема AGP, именуемых SBO-SB7. Поскольку код адреса, как и код данных - 32-разрядный, то такое разделение является частичным демультиплексированием (для полного демультиплек-сирования надо выделить 32 линии вместо 8, а это весьма дорого).

Заметим, что название Side-Band Addressing не совсем точно отражает суть данного режима, поскольку термин Side Band (Боковая полоса частот) традиционно используется применительно к радиоканалам, для которых уместно говорить об основной и боковой полосе выделенных частот. В шине AGP, как известно, выделяется не дополнительная полоса частот, а отдельная 8-разрядная линия передачи данных.

Режим SBA используется только в режиме 2х, причем при пакетной передаче. Для выполнения адресации в режиме SBA используются три такта синхронизации (при этом, с учетом режима 2х, по проводам SBO-SB7 передается 6 байт). В течение первых двух тактов передаются 4 байта адреса, а в течение третьего такта - 1 байт длины запроса и 1 байт команды. Провода ADO-AD31 шины AGP в режиме SBA используются исключительно для передачи данных, поэтому скорость передачи данных в данном режиме существенно выше, чем в режиме AD.

Режим прямого исполнения в системной памяти (DIME)

Коль скоро стандарт AGP был разработан для использования видеоадаптером системной памяти, следует оговорить режимы ее использования. Для видеоадаптера с интерфейсом AGP возможны два режима работы с системной памятью: DMA и DIME (DME).

Традиционным является режим DMA (Direct Memory Access - Прямой доступ к памяти), причем он, как известно, используется не только видеоадаптером, но и другими периферийными устройствами PC, имеющими более или менее интеллектуальный контроллер (например, накопители на магнитных дисках, звуковые карты и др.). Цель режима DMA ясна из его названия - обеспечить прямой обмен данными между устройством и системной памятью, минуя регистры центрального процессора (напомним, что второй вариант носит название РЮ - Программный ввод/вывод). Когда ЗD-акселератор работает в режиме DMA, основной для него является локальная память (именно в ней производятся все операции обработки текстур), а системная память используется только в качестве "хранилища", поэтому обмен данными по шине AGP в режиме DMA ведется большими последовательными пакетами. Значительного выигрыша в скорости работы по сравнению с интерфейсом PCI в данном режиме обычно не наблюдается.

Совершенно иначе обстоит дело в режиме DME или DIME (Direct Memory Execution - Непосредственное выполнение операций с текстурами в основной памяти компьютера). В этом режиме локальная и системная память являются для графического процессора ЗО-акселератора равноценными и адресуются одинаково. В результате появляется возможность выполнить предварительную обработку текстуры в системной памяти, а в локальную память загрузить только ее окончательный вариант. Это кардинальным образом меняет характер информационного обмена - в режиме DiME обмен ведется главным образом короткими пакетами. Именно в ре жиме DiME радикально ускоряется выполнение операций с текстурами при их хранении в системной памяти. Поэтому только в нем ЗD-акселератор с интерфейсом AGP существенно превосходит аналогичную плату с интерфейсом PCI.

Рис.3.9. Циклы обращения к памяти PCI и AGP

Конструктивно разъем AGP напоминает слот PCI, однако он несколько выше, поскольку контакты в разъеме AGP расположены в 2 этажа аналогично тому, как это было сделано в разъемах шины EISA или Slot 1. В зависимости от поддерживаемого напряжения питания различают 3 типа слотов AGP:

• слот AGP на 3,3 В (имеет ключ-перемычку, расположенную ближе к тыльной части материнской платы);
• слот AGP на 1,5 В (имеет ключ-перемычку, расположенную ближе к лицевой части материнской платы);
• универсальный слот AGP подходит для использования обоих напряжений на , 3,3 В (ключ-перемычка отсутствует).

Поскольку режим 4х возможен только при использовании пониженного напряжения 1,5 В, то по количеству и расположению прорезей на разъеме видеоадаптера можно однозначно определить, поддерживает он режим 4х или нет. Поддерживающие режим 4х карты обычно имеют универсальный разъем с двумя прорезями, тогда как карты, рассчитанные только на режим 2х, имеют одну прорезь.

Рис.3.10. Различные разъемы шины AGP у видеоадаптеров: а - для питания3,3 В; б - универсальные

3.3.5. Шина USB

Спецификация периферийной шины USB (Universal Serial Bus) была разработана фирмами - лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности -Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom - для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Шина USB поддерживает технологию Plug&Play. Скорость обмена информацией по шине US В составляет 12 Мбит/с. На новых материнских платах имеется специальный разъем для подключения концентратора USB (USB-Hab).

К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подсоединять периферийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер и др.), не выключая питание. Как только устройство будет подключено, автоматически осуществляется его конфигурирование. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к PC через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концентратором, с помощью которого к PC можно подключить до 127 периферийных устройств.

Для использования шины USB под управлением операционных систем Windows 95/ 98/2000, Windows NT и OS/2 Warp разработаны специальные драйверы.

Согласно спецификациям PC 98, PC 99 и PC 2001 корпорация Intel планирует полностью заменить шину ISA шиной USB для подключения низкоскоростных периферийных устройств ввода/вывода и шиной FireWire (IEEE 1394) для подключения устройств хранения информации (CD-ROM, HDD и др.) и ввода видеоданных.

3.3.6. Шина SCSI

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств (винчестеры и приводы CD-ROM SCSI, сканеры, фото- и видеокамеры и др.)

В отличие от рассмотренных выше шин, шина SCSI реализована в виде кабельного шлейфа. С шиной PC (ISA или PCI) шина SCSI связывается через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается ID7. Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может иницииро-вать обмен с другим устройством.

Cкорость обмена данными через интерфейс SCSI ограничена производительностью шины ввода/вывода. Таким образом, данные могут передаваться, например, по 16-разрядной шине SCSI со скоростью до 20 Мбайт/с.

Интерфейс SCSI имеет некоторые преимущества перед параллельным интерфейсом АТА.

• Возможность подключения до 15 устройств (например, Ultra SCSI-Ill).
• Возможность подключать внутренние и внешние устройства.
• Высокая скорость передачи данных (в последних стандартах).
• Длина кабеля SCSI может достигать 3-6 м.

Однако стоимость винчестеров SCSI существенно выше (примерно в 1,5 раза при той же емкости), чем стоимость винчестеров АТА. Кроме того, IDE-винчестер можно подключить к любой материнской плате, в то время как для подключения винчестера SCSI необходим специальный контроллер.

Таким образом, для домашнего компьютера целесообразнее использовать винчестеры АТА. Кроме того, появление нового интерфейс SATA приближает систему EIDE к системам SCSI.

Для профессиональных систем, например, для мощного сервера со многими винчестерами лучше подойдет SCSI.

Примечание

Для более простого подключения SCSI-устройств был разработан 80-контактный разъем SCA-2 (Single Connector Attachment 2), который используется только для 16-разрядных шин. Данный разъем позволяет осуществлять "горячее подключение".

3.3.7. Шина IEEE 1394

IEEE 1394 - это стандарт на высокоскоростную локальную последовательную шину, который был разработан на основе технологии FireWire фирмами Apple и Texas Instruments. Он является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3).

Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между PC и другими электронными устройствами. Благодаря низкой стоимости и высокой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода/вывода для PC. Ее изменяемая архитектура и одноранговая топология делают FireWare идеальным вариантом для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио-и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени, особенно связанных с нелинейным монтажом видеофрагментов.

Локальная последовательная шина IEEE 1394 способна передавать данные со скоростью 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (12,5, 25, 50, 100 и 200 Мбайт/с), а при работе с файлами некоторых типов - до 1 Гбит/с. Такая высокая скорость достигается за счет передачи информации в пакетном режиме. Кроме того, шина IEEE 1394 обеспечивает одновременную работу нескольких устройств, передающих данные с разными скоростями, точно так же, как и SCSI.

Шина использует простой 6-проводный кабель, состоящий из двух различных пар линий, предназначенных для передачи тактовых импульсов и информации, а также двух линий питания. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug&Play, включая возможность "горячего подключения" (установка и извлечение компонентов без отключения питания PC). Структура шины IEEE 1394 не так сложна, как структура параллельной шины SCSI. Устройства, подключаемые к ней, могут потреблять ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В. Производительность шины IEEE 1394 выше производительности Ultra-Wide SCSI, a разъем значительно меньше разъема SCSI. Кроме того, она и стоит дешевле.

Шина IEEE 1394 построена по разветвляющейся топологии и позволяет использовать до 63 узлов в цепочке. К каждому узлу можно подсоединить до 16-ти устройств. Если этого недостаточно, то можно дополнительно подключить до 1023 шинных перемычек, которые могут соединять более 64 000 узлов. Для передачи сигналов без искажений длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м.

Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически все устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, цифровые видеодиски (DVD), цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие высокоскоростные периферийные устройства. Такие возможности делают эту шину одной из самых перспективных для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

Фирма Microsoft заявила, что во все версии Windows, начиная с Windows 98, будут добавляться драйверы для портов IEEE 1394. Компании, разрабатывающие BIOS, в дальнейшем будут включать поддержку самозагружаемых устройств.

Кроме того, в соответствии со спецификацией PC 99, корпорация Intel пока рекомендует использовать в компьютерах всех типов шину IEEE 1394 наравне с USB (шина USB уже входит в перечень обязательных компонентов современного PC).

Таким образом, скоро на задней панели корпуса PC можно будет увидеть выходы всего двух последовательных шин: USB, предназначенную для низкоскоростных устройств, и FireWire - для высокоскоростных. Уже сейчас доступны различные виды устройств с шиной FireWire, поддержка этой шины встроена в операционную систему Windows 98/2000.