Типы, назначение и функционирование шин ПК.

Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам ПК. Шина расширения ПК должна безупречно передавать данные между своими контактами, не допуская искажений амплитуды, частоты или формы импульсов. Кроме того, данные должны передаваться в строго заданной временной последовательности. Для обеспечения всех этих требований в состав шины включены дополнительные сигналы, контролирующие поток данных, его скорость и состав битовых последовательностей.

Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой шиной. Современные ПК включают в себя ряд шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной через устройство, выполняющее роль моста между шинами (наборы микросхем системной логики, объединяющие порой в одну микросхему такие компоненты, как North Bridge, South Bridge и Super I/O) см. рис. 1.

Системная шина (шина процессора). Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем системной логики и системной платы. Используется в основном процессором (Пц) для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и компонентом North Bridge набора микросхем. В системах на базе Пц Pentium эта шина работает на частотах 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 МГц и имеет разрядность 64 разряда (8 байт) см. рис. 1. Обратите внимание на быстродействующую шину процессора, частота которой достигает 333МГц (пропускная способность 2,664 ГБ/с), а также на используемые модули памяти DDR SDRAM DIMM, которые поддерживают аналогичную пропускную способность (т.е. 2,664 ГБ/с). Шина Пц, подключенная к Пц, по каждой линии данных может передавать один бит данных в течение одного или двух периодов тактовой частоты. Таким образом, в ПК с современными Пц за один такт может передаваться 64 бита данных.

Шины ввода-выводапозволяют Пц взаимодействовать с периферийными устройствами. Эти шины и подключенные к ним разъемы расширения предназначены для обслуживания процессором всех выставленных запросов от устройств ввода-вывода (УВВ). В разъемы расширения шин устанавливают такие жизненно важные узлы, как контроллеры накопителей на дисках, видеоадаптеры, звуковые, сетевые интерфейсные платы и др.

За время, прошедшее после появления первого ПК (август 1981года фирма IBM выпустила удачную конструкцию ПК IBM PC), особенно за последние годы, было разработано много вариантов шин ввода-вывода. Это объясняется необходимостью в быстродействующей шине ввода-вывода, т.к. производительность ПК определяется тремя основными факторами:

· быстродействием Пц;

· качеством программного обеспечения (ПО);

· возможностями мультимедиа-компонентов.

Новая, более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом, иначе все старые платы пришлось бы выбросить. Поэтому технология производства шин и по сей день меняется медленно, без резких скачков.

Шины ввода-вывода различаются архитектурой, т.е. это в основном объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием).

Для IBM-совместимых ПК разработаны ряд основных шинных архитектур:

· ISA-промышленная стандартная архитектура;

· EISA-расширенная промышленная стандартная архитектура;

· MCA-микроканальная архитектура;

· локальная шина VESA (VL-Bus или VLB);

· PCI;

· AGP;

· Fire Wire (IEEE 1394);

· USB.

Каждая шина строится на основе специальных ИМС, которые подключаются к шине Пц. Обычно эти ИМС используются и для управления шиной памяти.

Шина ISA– первая и все еще нередко используемая шина расширения. Первые разъемы ISA- 62-контактные двухсторонние плоские гнезда обеспечивали доступ к 8-битовым данным, 20-битовым адресам и большинству сигналов управления.

Для 16-битовых систем было добавлено второе, 36-контактное гнездо расширения, которое обеспечивало доступ к оставшимся 8 битам данных. Разводка шины ISA показана на рис. 10. Из 62 контактов, используемых для 8-битовых плат расширения (А1-А31 и В1-В31), двадцать отведены под адресные линии, восемь под линии данных, три заземлены и пять служат для подачи постоянных напряжений (два для 5 В и по одному для -5 В, +12 В и -12 В). Шина поддерживает шесть уровней прерываний и три канала прямого доступа DMA. Шина работает на частоте 4,77МГц; сигналы этой частоты поступают на контакт В20. Через контакт В30 передаются сигналы системного генератора частоты 14,3 МГц.

Рис.10. Разводка шины ISA

36-контактная шина расширения (С1-С18 и D1-D18) обеспечивает доступ дополнительно к 8 линиям данных, 4 линиям адресов (LA20-LA23), пяти линиям прерываний и четырем каналам прямого доступа. Скорость работы шины возросла до 8,33 МГц (контакт В20), заменив частоту 4,77 МГц.

Важной характеристикой шины расширения является пропускная способность, измеряемая в МБ/с. Для 16-битовой шины ISA, работающей на частоте 8,33 МГц пропускная способность равна: 8,33 МГц × 16 бит / 8 бит =16,66 Мбайт/с.

С выпуском в 1985 году 32-разрядного процессора Intel 80386 начались разработки 32-разрядных шин. Из-за того, что большинство периферийных устройств достаточно эффективно работало с 16-разрядной шиной и практически отсутствовали 32-разрядные платы, разработчики установили 32-разрядные шины только между Пц и памятью, т.к. процессор 386 уже имел возможность обращаться к большим объемам памяти и требовал высокой скорости передачи данных.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) является развитием шины ISA (1988г.). Шина EISA обеспечивает доступ к 15 уровням прерываний, 7 каналам прямого доступа и работает на той же частоте, что и шина ISA (8,33 МГц). Однако из-за удвоенной ширины шины данных пропускная способность шины в два раза больше, чем у шины ISA и достигает 32,32 МБ/с.

32х разрядные возможности и арбитраж шины реализовались посредством дополнительного разъема, установленного между обычными 16-разрядными разъемами ISA.

Создатели шины EISA учли недостатки, присущие каналам DMA шины ISA и разработали новый контроллер прямого доступа к памяти. Они увеличили количество адресных линий до ширины адресов Пц, что делает доступным все адресное пространство системы. Каждый канал DMA может работать в 8-, 16- и 32-разрядном режимах. Кроме того, каждый из каналов DMA может выполнять обмен данными в одном из 4х режимов:

· Совместимым - цикл обмена такой же как и у шины ISA;

· Тип А - цикл обмена сокращается на 25%;

· Тип В - цикл обмена сокращается на 50%;

· Тип С - цикл обмена сокращается на 75% - это самый быстрый способ обмена по каналам DMA для шины EISA. В этом режиме платы ISA не работают.

По каналам DMA шины EISA могут выполняться операции, называемые рассредоточенной записью и собирательным считыванием. При рассредоточенной записи единый блок данных, поступивший из какого-либо устройства, по частям записывается сразу в несколько областей памяти. При собирательном считывании происходит параллельное чтение данных из нескольких областей памяти и их пересылка в устройство. Они позволяют существенно ускорить обмен данными по каналам DMA.

Как и шина MCA, шина EISA использует аппаратный арбитраж (арбитр шины) и концепцию ведущего устройства на шине, что позволяет захватывать управление шиной другим процессорам или устройствам. Это было достигнуто вводом еще одного устройства BMIC (Intel’s Bus Master Interface Chip), которое контролировало поддержку master. Через определенное количество тактов master “снимался” с шины и генерировалось немаскируемое прерывание.

Но эта шина не приобрела популярности из-за плохой устойчивости и значительных помех.

Шина MCA(Micro Channel Architecture) является 178-контактной шиной расширения, согласованной с процессором 80386 и по ширине данных и по скорости работы. При проектировании шины MCA традиционная структура шины была полностью изменена. Она совершенно не похожа на ISA и во всех отношениях была лучше ее. Но платы адаптеров, разработанные для ISA, не совместимы с MCA. Шина MCA не синхронизирована с Пц (асинхронный протокол передачи данных), что снижает вероятность возникновения конфликтов и помех между платами адаптеров, установленными в шине. В шине MCA также как и в EISA имеется арбитр шины, который обеспечивает доступ к шине всем устройствам и предотвращает конфликты и монополизацию шины одним из них. Шина MCA использует тактовую частоту 10 МГц, 32-битовую шину данных и 32 адресных линии. Разъем разделен на три основных сегмента: 8-битовый, 16-битовый и 32-битовый (рис. 11).

Рис. 11. Разъем шины расширения MCA.

Кроме того, видеорасширение обеспечивается посредством особого 8-битового сегмента (контакты AV1 – AV10 и BV1 – BV10).

В шине MCA установлен один контроллер DMA, при этом:

· он может оперировать только двумя 8 – разрядными словами данных, и поэтому за один цикл работы шины передается только один или два байта данных;

· он подключен к линиям адреса А0 – А23, т.е. может адресовать только 16 МБ памяти;

· тактовая частота контроллера 10 МГц.

Контроллер ПДП не способен передавать более 2х байт информации за один цикл, что значительно ухудшает параметры шины MCA.

Хоть шина MCA не обладала обратной совместимостью с ISA, зато содержала передовые в то время решения:

· 8/16/32 – разрядная передача данных;

· пропускная способность 20 МБ/с при частоте шины 10 МГц (в 4 раза больше, чем у ISA) при максимально возможной способности шины 160 МБ/с (больше, чем у PCI);

· поддержка нескольких bus master. Работу устройств координирует арбитр шины. При распределении функций управления арбитр исходит из уровня приоритета, которым обладают устройства либо определенная операция.;

· 24 или 32 адресные линии позволили адресовать до 4 ГБ памяти;

· автоматическое конфигурирование устройств существенно упростило установку новых плат. У компьютеров с шиной MCA нет никаких перемычек или переключателей ни на системной плате, ни на платах расширения. Вместо использования адресов портов ввода-вывода, “зашитых в железо”, центральный Пц назначает их при старте системы из BIOS;

· асинхронный протокол передачи данных;

· повышенная помехозащищенность за счет чередования сигнальных и земляных проводников.

Возможно, развитие и внедрение ПК пошло бы по другому пути, если бы не одно но – деньги. MCA несовместима ни с какими другими шинами и требует включения во все платы и адаптеры специальных схем. По этой причине шина MCA не получила широкого распространения, и лишь некоторые производители (Apricot и Olivetti) используют эту шину в своих системных платах.

Локальная шина VESA (VL-Bus) – Video Electronics Standards Association. Она представляет собой действительно локальную шину, первоначально разработанную фирмой NEC исключительно для подключения видеоплат (1992 по 1994г). К 1991 году видеосистемы стали узким местом во многих ПК. Шина предоставляет доступ к системной памяти со скоростью самого процессора и может передавать за один раз 32 бита данных между центральным Пц и видеосистемой или другими подсистемами, например, жестким диском. VL-Bus была разработана в качестве дополнения к существующим шинам расширения и заявлена как расширение разъемов шин ISA, EISA или MCA.

На рис. 12 показана организация локальной шины VESA вместе с разъемом ISA.

Рис. 12. Разъем локальной шины VESA.

Максимальная пропускная способность VL-Bus составляет 128 – 132 МБ/с, что позволило передавать данные в обход шины ввода-вывода (как узкого “горлышка бутылки”).

Шина VL-Bus v.2.0 может поддерживать расширение 64-битовых операций с потенциальной пропускной способностью до 260 МБ/с.

При всех своих достоинствах VL-Bus имеет ряд недостатков:

· ориентация на Пц 486. VL-Bus жестко привязана к шине Пц 486, которая отличается от шины Pentium (и шин будущих Пц);

· ограниченное быстродействие. Стандарт VL-Bus допускает работу на тактовых частотах 40 – 50 МГц, но частотные характеристики разъемов VL-Bus ограничиваются 33 МГц;

· схемотехнические ограничения. К качеству импульсных сигналов, передаваемых по шине Пц, предъявляются очень жесткие требования, причем зависят они от типа Пц. Соблюсти их можно только при определенных параметрах нагрузки на каждую из линий шины, т.е. к локальной шине должны быть подключены вполне конкретные элементы, например, внешняя кэш-память и контроллер шины. При добавлении новых плат нагрузка на линии шины возрастает, а это приводит к искажению импульсных сигналов, следовательно, приводит к потерям данных или нарушению синхронизации;

· ограничение количества плат. Стандарт VL-Bus допускает одновременную установку трех плат, но только при тактовой частоте до 40 МГц и малой нагрузке на шину. При частоте 50 МГц и большой нагрузке разрешается устанавливать всего одну плату VL-Bus.

Дополнительные разъемы VL-Bus содержат всего 116 контактов. Полная разводка контактов платы адаптера зависит от типа основной шины, вместе с которой используется VL-Bus (ISA, EISA, MCA).

Несмотря на свою дешевизну, с появлением шины PCI шина VL-Bus уходит в небытие. Она никогда не сможет “ужиться “ c системой Pentium. Поэтому и прекращены все разработки, связанные с этой шиной.

Шина PCI (Peripheral Component Interface) может работать на тактовой частоте процессоров Intel. Из-за такой высокой скорости физическое расположение микросхем относительно магистрали PCI становится критическим. По этой причине спецификация PCI включает в себя физическую конфигурацию самой системной платы. В июне 1992 года была выпущена спецификация шины PCI версии 1.0, которая с тех пор претерпела несколько изменений. Различные версии PCI приведены в таблице 2.

Создатели шины PCI отказались от традиционной архитектуры системы, введя еще одну шину между процессором и обычной шиной ввода-вывода. Вместо того чтобы подключить новую шину непосредственно к шине процессора, очень чувствительной к таким вмешательствам, они разработали новый комплект микросхем контроллеров для расширения шины. Принцип построения шины PCI приведен на рис.13.

Таблица 2.

Рис.13. Принцип построения шины PCI.

Шина PCI существует в двух вариантах: 32-битовом (124линии) и 64-битовом (188 линий). Для подключения адаптеров шины PCI используется специальный разъем. Его вид приведен на рис.14.

Рис. 14. Разъем 32-разрядной шины PCI в сравнении с разъемами 64-разрядной шины PCI и 64-разрядной универсальной шины PCI.

На рис. 15 приведен вариант возможного расположения разъемов PCI относительно разъемов других шин.

Рис. 15. Возможное расположение разъемов PCI относительно разъемов шин ISA/EISA и AGP.

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 ПК, 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 ПК устанавливается BIOS, удовлетворяющая спецификации Plug and Play, которая обеспечивает автоматическую настройку.

PCI Express (апрель 2002г.). Это еще один пример перехода ПК от параллельного к последовательному интерфейсу.

Основными особенностями PCI Express являются:

· совместимость с существующей шиной PCI и программными драйверами различных устройств;

· физическое соединение, осуществляемое с помощью медных, оптических или других сред передачи информации и обеспечивающее поддержку будущих схем кодирования;

· максимальная пропускная способность каждого вывода, позволяющая более эффективно использовать освободившееся на печатной плате место для размещения других компонентов, снижать себестоимость плат, упрощать их конструкцию, а также сокращать количество проблем, связанных с целостностью сигнала;

· встроенная схема синхронизации, позволяющая быстрее изменять частоту шины, чем при согласованной синхронизации;

· ширина полосы частот (пропускная способность), увеличиваемая при повышении частоты и разрядности шины;

· низкое время ожидания доставки данных;

· возможность “горячей” коммутации и “горячей” замены (т.е. без выключения электропитания);

· возможность управления режимом питания.

Особенностью архитектуры шин предыдущих поколений является параллельная компоновка, при которой биты данных одновременно передаются по нескольким параллельно расположенным выводам. 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.

PCI Express представляет собой быструю последовательную шину, архитектура которой обратно совместима с существующими программными драйверами и средствами управления параллельной шины PCI. При использовании шины 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 этому скорость передачи данных может достигать 2000 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 8000 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.

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.

Через некоторое время PCI Express станет самым распространенным универсальным межкомпонентным соединением ввода-вывода, а пока с большой долей вероятности можно предположить, что слоты PCI и PCI Express будут мирно сосуществовать как минимум несколько лет, однако постепенное вытеснение PCI теперь неизбежно.

А вот с AGP дела обстоят несколько сложнее. Принимая во внимание тот факт, что PCI Express была призвана заменить собой AGP-порт, рассчитывать на присутствие обоих на одной системной плате не стоит, хотя и исключать возможность появления “переходных” системных плат тоже нельзя.

Архитектура ПК на базе процессора Athlon.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: