Что такое локальная шина?

В данном разделе мы рассмотрим вопросы, связанные с использованием современных системных локальных шин для персональных компьютеров (ПК или, по английски, PC), дадим их сравнительную характеристик и перейдем к проблемам использования шины PCI, так именно по данная шина занимает лидирующее положение на рынке настольных ПК.

Прежде, чем начать обзор шин для персональных компьютеров, необходимо сказать несколько слов о том, что представляет собой системная шина, и для чего она нужна в компьютере. Шина, в самом простом случае, есть множество проводников для соединения различных компонентов микрокомпьютера в единую систему таким образом, чтобы можно было согласовать их работу. Основной обязанностью системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению:

• Control lines (управление)
• Address lines (адреса)
• Data lines (данные)

Для того, чтобы описать примерную работу шины, возьмем шину обычного PC, состоящую минимум из линий адреса, данных и линий управления/строба. Самое простое решение, которое здесь можно использовать - это программируемый ввод-вывод. Линии управления используются для синхронизации передачи данных, путем генерирования последовательности импульсов. Возможны две схемы управления, например, раздельные линии управления чтением и записью, либо линия стробирования STROBE и линия чтения - записи в соответствующем состоянии (высокий уровень - для одного сигнала, низкий - для другого).

Шины для PC имеют тенденцию, когда используются раздельные линии управления чтением и записью (фактически 2 такие линии используются для доступа к памяти, а 2 дополнительных линии - для осуществления ввода- вывода). В этом случае центральный процессор (ЦП) посылает данные на периферийные устройства, подключенные к шине. ЦП устанавливает стробирующий сигнал по линии ввода - вывода. Этот импульс показывает, что предшествующий адрес на линии адреса правильный, а периферия может начать чтение с шины данных. Кроме перечисленных выше сигналов имеются также и другие сигналы управления, присутствующие на реальной системной шине.

Обзор локальных шин ПК

Существует множество системных шин, в том числе и локальных, для PC и других типов компьютеров. Перечислим основные их них:

• S-100
• S-100 / IEEE696
• Nubus
• Multibus-II
• VL-Bus
• Futurebus+
• и ряд других шин.

Начнем по порядку, с шины S-100. Эта шина была создана для 8-разрядных микропроцессоров и различных промышленных приложений. Типичные ее характеристики были такие:

• Размеры: 134 мм x 254 мм, 100 выводов
• Разъем: 50 выводов на каждой стороне платы
• Нерегулируемое напряжение питания: +8В, +16В.

В свое время, шина S-100 была очень популярна для широкого диапазона периферийных плат, она входила в состав плат памяти, устройств последовательного и параллельного интерфейсов, плат контроллеров гибких магнитных дисков, видео-плат, плат музыкальных синтезаторов и т.д. S-100 обеспечивала 16 линий данных, 16 линий адреса (при этом максимальное адресное пространство составляло 64Кбайт), 3 линии питания, 8 линий для прерываний и 39 управляющих линий. Эта шина использовалась для микропроцессоров Intel 8080, Zilog Z-80 и Motorola 6500 и 6800. Некоторые фирмы создали на базе S-100 свои стандарты подобной шины.

Одним из таких примеров может служить стандарт шины S-100/IEEE696, которой разрабатывался в 1983 году. Полученная шина имела следующие характеристики:

• Дополнительные 8 разрядов адреса позволили адресовать до 16 Мбайтов памяти (таким образом, всего получилось 24 линии адреса).
• Поддержка 16 - разрядных микропроцессоров путем добавления еще двух сигналов sixteen request (SXTRO, 58 линия) и sixteen acknowledge (SIXTN, 60 линия).
• Линия 12 была зарезервирована для сигнала немаскируемого прерывания (NMI).

Полная спецификация этой шины включает до 100 сигналов. Рабочая частота при этом достигает 10 МГц. Шина S-100 и ее модификации нашли применение при разработках небольших промышленных приложений. Основными достоинствами этой шины являются низкая цена и поддержка шины большим числом промышленных разработчиков.

У компьютеров IBM PC AT и IBM PC XT системная шина была предназначена для одновременной передачи только 8 разрядов данных, так как используемый в компьютерах микропроцессор i8088 имел 8 линий данных. Кроме этого, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DМА - Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Заметим, что системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи данных могла достигать более 4.5 Мбайт/с. В компьютерах PC AT, использующих микропроцессор i80286, впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standard Аrchitecture), полностью реализующая возможности упомянутого микропроцессора. Количество адресных линий было увеличено на четыре, а данных - на восемь. Таким образом, можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA - с 4 до 7. Надо отметить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC XT, могли без проблем применяться и в PC AT 286. Системные платы с шиной ISA позволили выполнять синхронизацию работы самой шины и микропроцессора разными тактовыми частота ми, за счет чего устройства, выполненные на платах расширения, могли работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10-12 МГц. Теперь системная шина ISA работает асинхронно на частоте 8 МГц; таким образом, теоретически максимальная скорость передачи может достигать 16 Мбайт/с. Подводя итог по шине ISA для IBM PC XT, можно выделить следующие основные ее черты:

• 20 адресных линий (A0 - A19)
• 8 линий данных (двунаправленных)
• Максимальная пропускная способность 1.2 Мбайт/сек
• 6 линий запроса прерывания (IRQ2 - IRQ7)
• 3 линии DMA
• Рабочая частота шины 4.77 МГц

Шина ISA для IBM PC AT имеет следующие параметры:

• 16 линий данных
• Максимально адресуемая память - до 16 Мбайт (224)
• Добавлены дополнительные 5 линий IRQ (тактируемые по фронту)
• Частичная поддержка множества мастеров шины путем введения дополнительных сигналов
• Пропускная способность 5.3 Мбайт/сек
• Рабочая частота шины 8 МГц

С появлением новых микропроцессоров, таких как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препятствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина типа ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроизводительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить наибольший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC-совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Slandard Architecture). Заметим, что системные платы с шиной EISA первоначально были ориентированы на вполне конкретную область применения новой архитектуры. А именно, на компьютеры, оснащенные высокоскоростными подсистемами внешней памяти на жестких магнитных дисках с буферной кэш-памятью. Такие компьютеры до сих пор используются в основном в качестве мощных файл-серверов или рабочих станций. В EISA-разъем на системной плате компьютера, помимо, разумеется, специальных EISA-плат, может вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкновенной PC AT с шиной ISA. Это обеспечивается поистине гениальным, но простым конструктивным решением. EISA-разъемы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) использует сигналы шины ISA, а второй (нижний) - соответственно EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "земля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генерации электромагнитных помех, а также уменьшается восприимчивость к таким помехам. Шина EISA позволяет адресовать 4-Гбайтное адресное пространство, доступное микропроцессорам i80386/486. Однако доступ к этому пространству могут иметь не только центральный процессор, но и платы управляющих устройств типа bus master - главного абонента (то есть устройства, способные управлять передачей данных по шине), а также устройства, организующие режим DMA. Стандарт EISA поддерживает многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" устройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могут обрабатываться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине в так называемом пакетном режиме (burst mode) может достигать 33 Мбайт/с, В обычном (стандартном) режиме скорость передачи по шине EISA не превосходит, разумеется, известных значений для ISA. На шине EISA предусматривается метод централизованного управления, организованный через специальное устройство - системный арбитр. Таким образом поддерживается использование ведущих устройств на шине, однако предусматривается также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу. Как и для шины ISA, в системе EISA имеется 7 каналов DMA. Выполнение DMA-функций полностью совместимо с аналогичными операциями на ISA- шине, хотя они могут происходить и несколько быстрее. Контроллеры DMA имеют возможность поддерживать 8-, 16- и 32-разрядные режимы передачи данных. В общем случае возможно выполнение одного из четырех циклов обмена между устройством DMA и памятью системы. Это - ISA - сoвмecтимые циклы, использующие для передачи данных 8 тактов шины; циклы типа A, исполняемые за 6 тактов шины; цикпы типа B, исполняемые за 4 такта шины, и циклы типа C (или burst), в которых передача данных происходит за один такт шины. Типы циклов А, В и С поддерживаются 8-, 16- и 32-разрядными устройствами, причем возможно автоматическое изменение размера (ширины) данных при передаче в не соответствующую размеру память. Большинство ISA-совместимых устройств, использующих DMA, могут работать почти в 2 раза быстрее, если они будут запрограммированы на применение циклов А или В, а не стандартных (и сравнительно медленных) ISA-циклов. Такая производительность достигается только путем улучшения арбитража шины, а не в ущерб совместимости с ISA. Приоритеты DMA в системе могут быть либо "вращающимися" (переменными), либо жестко установленными. Линии прерывания шины ISA, по которым запросы прерывания передаются в виде перепадов уровней напряжения (фронтов сигналов), сильно подвержены импульсным помехам. Поэтому в дополнение к привычным сигналам прерываний на шине ISA, активным только по своему фронту, в системе EISA предусмотрены также сигналы прерываний, активные по уровню. Причем для каждого прерывания выбор той или иной схемы активности может быть запрограммирован заранее. Собственно прерывания, активные по фронту, сохранены в EISA только для совместимости со "старыми" адаптерами ISA, обслуживание запросов на прерывание которых производит схема, чувствительная к фронту сигнала. Понятно, что прерывания, активные по уровню, менее подвержены шумам и помехам, нежели обычные. К тому же (теоретически) по одной и той же физической линии можно передавать бесконечно большое число уровней прерывания. Таким образом, одна линия прерывания может использоваться для нескольких запросов. Для компьютеров с шиной EISA предусмотрено автоматическое конфигурирование системы. Каждый изготовитель плат расширения для компьютеров с шиной EISA поставляет вместе с этими платами и специальные файлы конфигурации. Информация из этих файлов используется на этапе подготовки системы к работе, которая заключается в разделении ресурсов компьютера между отдельными платами. Для "старых" плат адаптеров пользователь должен сам подобрать правильное положение DIP-переключателей и перемычек, однако сервисная программа на EISA-компьютерах позволяет отображать установленные положения соответствующих переключателей на экране монитора и дает некоторые рекомендации по правильной их установке. Помимо этого, в архитектуре EISA предусматривается выделение определенных групп адресов ввода - вывода для конкретных слотов шины - каждому разъему расширения отводится адресный диапазон 4Кбайта. Это также позволяет избежать конфликтов между отдельными платами EISA. Кроме того, шина по-прежнему тактируется частотой около 8 МГц, а скорость передачи увеличивается в основном благодаря увеличению разрядности шины данных. Итак, шина EISA имеет следующие параметры:

• 32 - разрядный режим передачи
• Максимальная пропускная способность - до 33 Мбайт/сек
• 32 - разрядная адресация памяти, что обеспечивает до 4 Гбайт адресуемого пространства памяти
• Множество мастеров шин
• Программируемые прерывания по уровню или по фронту синхросигнала
• Автоматическая конфигурация плат

Шина Nubus. Шина ISA, тяжелое наследие прошлого IBM-совместимык компьютеров, имеет своего двойника в мире Apple. Это - шина Nubus, древнейшая из ныне живущих шин. Она обладает примерно теми же характеристиками, что и ISA.

В мире существует - более двух с половиной миллионов систем с шиной Multibus-II. Так что эта "экзотика" определяет лицо целых отраслей компьютерной индустрии и, между прочим, кормит около двух сотен фирм-разработчиков. Шина Multibus-II была разработана в 1985 г. как развитие широко применяемого в промышленной автоматике стандарта Multibus. Multibus-II является 32-разрядной и может работать со скоростью управляющего процессора - вплоть до достижения пропускной способности 80 Мбайт/с. Шина Multibus в почете у военных - они любят все надежное, серьезное, единообразное. Даже сегодня, в дни тотальной миниатюризации, контроллеры Multibus в промышленном исполнении имеют размер 9х9 дюймов - наверное, для солидности. В отличие от других рассматриваемых здесь шин, Multibus обладает возможностью передачи сообщений (т.н. "message passing") между различными управляющими устройствами. Механизм "message passing", доведенный до абсолюта в транспьютерах фирмы Inmos и процессорах семейства TMS 320С40 фирмы Texas Instruments, дозволяет организовывать "интеллектуальное" взаимодействие между процессорами и контроллерами. Это особенно важно при создании многопроцессорных систем и построении сложных комплексов промышленной электроники. Не случайно стандарт Multibus-II по сей день "царит" среди индустриальных систем. Механизм "message passing", доведенный до абсолюта в транспьютерах фирмы Inmos и процессорах семейства TMS 320С40 фирмы Texas Instruments, позволяет организовывать "интеллектуальное" взаимодействие между процессорами и контроллерами.

А теперь о шине MC. Фирма IBM, движимая не столько недовольством шиной ISA, сколько горечью потери лидерства на рынке PC ее имени, в 1987г. предприняла попытку изменить положение и выпустила систему PS/2. В компьютерах PS/2 все было по-новому, в частности принципиально новой была системная шина MicroChannel (или МСА). Достаточно быстрая (до 20 МГц, до 76 Мбайт/с) и широкая (32 бита), шина MicroChannel содержала рад удачных архитектурных решений и вполне могла бы бороться за лидерство среди системных шин. Шина MicroChannel обладает следующими особенностями:

• 8/16/32 - разрядные линии передачи данных
• Прерывания по уровню сигнала (в отличие от ISA, где прерывания - по фронту синхросигнала)
• 24 или 32 адресных линии (адресация до 4 Гбайт памяти)
• Автоматическая конфигурация плат (на основе информации в ROM этих плат)
• Асинхронный протокол передачи данных

К сожалению, исходная посылка IBM - создать что-то новое и несовместимое с другими для последующего завоевания рынка, погубила MicroChannel. Шина EISA, сохранившая 100-процентную преемственность с ISA, легко вытеснила MicroChannel с массового рынка и лишила всяких надежд на будущее. А что IBM? А IBМ не унывает и параллельно с производством рабочих станций с архитектурой РСI трудится над разработкой 64-разрядного стандарта MicroChannel.

Шина Sbus. Вплоть до последних лет два сектора рынка - массовые ПК и мощные рабочие станции - существовали изолированно друг от друга. Производители рабочих станций, не помышляя об унификации, изобретали свои велосипеды как в области процессоров и архитектур. так и в разработках системных шин. В итоге каждое из лидирующих семейств рабочих станций - будь то Silicon Graphics, HP или Intergraph, имеет собственную системную шину. Более других повезло в этом смысле фирме Sun. Ee шина Sbus, разработанная в 1989 г. исключительно для внутреннего употребления, пришлась "ко двору" - и почти 150 фирм стали использовать ее в своих изделиях. Работая с частотой до 25 МГц, 32-разрядная Sbus к настоящему моменту утратила большинство конкурентных преимуществ, однако по-прежнему неплохо смотрится в рабочих станциях и серверах. Среди других шин Sbus слывет интеллектуалкой - она умеет автоматически транслировать виртуальные адреса в физические, распознавать ошибки при передаче данных и инициировать повторы. Фирма Sun собирается продолжать использование Sbus - в том числе и - в будущих портативных компьютерах, подобных Voyager.

Шина Mbus. Если Sbus появилась на свет в фирме Sun, а затем начала распространение по миру, то шина Mbus проделала обратный путь. Созданная в 1990 г. усилиями ряда фирм-производителей станции SPARC, шина Mbus приглянулась фирме Sun и стала использоваться в ее разработках. Mbus - 64-разрядная высокоскоростная шина. Mbus допускает совместное использование с другими шинами, имеет портативные варианты исполнения (есть адаптеры Mbus размером 2х3 дюйма) и предусматривает возможности передачи сообщений. Вероятно, в ближайшие годы Mbus будет лидером среди системных шин 64-разрядных станций.

Системный интерфейс малых ЭВМ SCSI (Small Computer System Interface) регламентирован стандартом IEC 9316, который унифицирует основные уровни для базовых типов периферийных устройств, главным образом накопителей магнитных дисков, АЦПУ, а также возможности расширения функций посредством специальных кодов и полей. В интерфейсе используется логическая адресация всех блоков данных и возможность считывания с устройств прямого доступа информации о числе имеющихся блоков. Максимальная скорость передачи данных составляет до 4 Мбайт/сек, длина кабеля до 6 м при использовании обычных приемопередатчиков и до 25 м дифференциальных приемопередатчиков. Архитектура интерфейса предусматривает несколько видов организации взаимодействия эадатчиков (инициаторов) и исполнителей (приемников) с использованием необязательного распределенного арбитража. Время арбитража не превышает 10 мкс. Дополнительные возможности такие: два варианта физической реализации, использование четности, синхронная передача данных и др. Команды разделены на обязательные (М), расширенные (E), необязательные (0) и уникальные (U). Устройства выполняют все обязательные команды для данного типа устройств команды, а также ряд других команд. Кроме того. в стандарте определены расширенные команды дли устройств прямого доступа, постоянные команды для всех типов устройств, уникальные команды для жестких дисков, ленточных накопителей, принтеров, оптических дисков, процессоров, байты состояния всех типов устройств. Максимальное число подключенных устройств - 8. Каждое устройство идентифицируется соответствующим разрядом, размещаемым на линии данных. SCSI-2 является одной из "старых" периферийных шин, используемых, с доработками, и поныне. Спецификация SCSI разрабатывалась американским институтом национальных стандартов ANSI. Чуть позже она расширилась до SCSI-2 и SCSI-3. Типичная SCSI обладает следующими характеристиками:

• 8 - разрядная параллельная шина ввода-вывода
• Каждый адаптер может поддерживать до 7 устройств
• Поддерживаются различные устройства (CD-ROM, ленточные накопители, сканеры, магнитооптические устройства и т. д.)
• Пропускная способность 4 Мбайт/сек
• Поддержка синхронной и асинхронной схем передачи данных

SCSI-2 расширяет возможности основного стандарта. Она имеет максимальную пропускную способность до 10 Мбайт/сек при 8 - разрядной шине и до 40 Мбайт/сек - при 32-разрядной шине. Существует несколько спецификаций приложений для SCSI:

• Narrow SCSI 8-разрядная версия SCSI
• Wide SCSI 16- и 32-разрядные версии SCSI-2
• Fast SCSI SCSI-2, которая поддерживает скорость передачи до 10 Мбайт/сек

Разработчики компьютеров, системные платы которых основывались на микропроцессорах i80386/486, стали использовать раздельные шины для памяти и устройств ввода-вывода. Это позволило максимально задействовать возможности оперативной памяти, так как именно в этом случае память может работать с наивысшей для нее скоростью. Тем не менее при таком подходе вся система не может обеспечить достаточной производительности, так как устройства, подключенные через разъемы расширения, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с процессором. В основном это касается работы с контроллерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения данной проблемы стали использовать так называемые локальные (local или mezzanine) шины, которые непосредственно связывают процессор с контроллерами периферийных устройств. В последнее время появились две стандартные локальные шины: VL-bus (или VLB), предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association), и PCI (Peripheral Component Interconnect), разработанная фирмой Intel. Обе эти шины, предназначенные, вообще говоря, для одного и того же - для увеличения быстродействия компьютера, позволяют таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 33 МГц. Обе эти шины используют разъемы типа МСА. На этом, впрочем, их сходство и заканчивается, поскольку требуемая цель достигается различными средствами. Шина VL-Bus является расширением шины процессора 486. Выводы процессора подключаются непосредственно к контактам разъема шины. В некоторых платах адаптеров VL-Bus имеются буферы для хранения данных на время ожидания готовности периферийного устройства. Таким образом, схемная реализация VL-bus оказывается более, дешевой и простой, чем, например, PCI. Спецификация VESA, в частности, предусматривает, что к шине, которая является локальной 32-разрядной шиной системного микропроцессора, может подключаться до трех периферийных устройств. В качестве таких устройств в настоящее время выступают контроллеры накопителей, видеоадаптеры и сетевые платы. Конструктивно VL-bus выглядит как короткий соединитель типа МСА (112 контактов), установленный, например, рядом с разъемами расширения ISA или EISA. При этом 32 линии используются для передачи данных и 30 - для передачи адреса. Максимальная скорость передачи по шине VL-bus теоретически может составлять около 130 Мбайт/с. Заметим, что в настоящее время шина VL-bus представляет из себя сравнительно недорогое дополнение для компьютеров с шиной ISA, причем с обеспечением обратной совместимости. Появилась версия 2.0 шинной архитектуры VL-Bus, в которую введены такие новшества, как мультиплексированный 64-разрядный канал данных, буферизация сигналов для работы с быстродействующими системными платами и более высокая максимальная тактовая частота - 50 МГц. Количество разъемов расширения увеличится до трех разъемов на 40 МГц и до двух на 50 МГц. Ожидаемая скорость передачи теоретически должна возрасти до 400 Мбайт/с.

Стандарт IEEE 896.1-1988, названный Futurebus+, претендует на роль шины завтрашнего дня для систем массового применения. Стандарт Futurebus+ был разработан ассоциацией VITA (VFEA International Trade Association) в 1988 г. специально для высокоскоростных систем передачи информации. Требования к Futurebus+ были составлены таким образом, чтобы преодолеть все ограничения, присущие VME в телекоммуникационных системах. Ширина Futurebus+ - до 256 бит, максимальная скорость - 3,2 Гбайт/с, рабочая частота ограничивается лишь возможностями управляющего процессора. Многие считают: чем больше битов в шине, тем она удобнее. Вовсе нет. Контроллер широкой шины никогда не будет таким маленьким и удобным, как ISA или IDE. Поэтому для сложных высокоскоростных шин, помимо упомянутых выше "мостов", применяются так называемые mezzanine-bus - более простые и "узкие" шины, сопрягаемые с основной без использования дополнительной управляющей электроники. Для Futurebus+ такими mezzanine-bus являются Sbus и PCI. К стандарту Futurebus+ присматриваются сегодня многие создатели рабочих станций. В эпоху "информационных супермагистралей" разница между коммутационной станцией глобальной сети и файл-сервером крупной корпорации не столь велика, как может показаться. Не исключено, что вскоре появятся настольные системы, использующие Futurebus+ в качестве системной шины. ВМФ США уже объявил Futurebus+ основным стандартом для своих будущих разработок.

В калейдоскопе новых слов и понятий как-то поблекли и исчезли с горизонта многие популярные прежде термины. Среди них - стандарт VME (Versa Module Eurocard). Разработанный в 1981 г. консорциумом авторитетнейших электронных фирм - Motorola, Philips, Thompson, Signetics и др., стандарт VME во многом опередил свое время, полноценная 32-разрядная шина с высокой пропускной способностью (до 40 Мбайт/с) и рекордными возможностями расширения (до 21 слота без дополнительных расширителей) пришлась по душе как создателям рабочих станций, так и заказчикам специализированной электроники - военным. ученым, медикам. Итог - 4500 типов электронных изделий, базирующихся на VME, 280 фирм-разработчиков, десятки тысяч находящихся- в эксплуатации рабочих станций. Благодаря стандарту VME появились и такие конструктивные находки как 64-штырьковый разъем, европлата размера 3U, и, конечно, VME - плата 6U (размером 6,3х9.2 дюйма). Как стандарт системной шины, VME имеет некоторые преимущества даже перед РСI:

• VME содержит 7 линий прерываний, РСI - всего 4;
• VME поддерживает 21 устройство на шине, РСI - до 10;
• 64-разрядный VME существует с 1989 г.

Можно с уверенностью назвать ряд приложений, в которых VME-системы будут доминировать еще не один год:

• промышленная электроника;
• аппаратура военного применения;
• медицинские и научные приборы;
• тестовое и контрольное оборудование;
• автоматизированные системы управления;
• "встроенные" системы;
• телекоммуникационное оборудование.

Локальная шина PCI

Спецификация шины РСI обладает несколькими преимуществами перед основной версией VL-Bus. В соответствии со спецификацией РСI к шине могут подключаться до 10 устройств. Это, однако, не означает использования такого же числа разъемов расширения - ограничение относится к общему числу компонентов, в том числе расположенных и на системной плате. Поскольку каждая плата расширения РСI может разделяться между двумя периферийными устройствами, то уменьшается общее число устанавливаемых разъемов. Шина РСI может использовать 124-контактный разъем (32-разрядная) или 188-контактный разъем (64-разрядная передача данных), при этом теоретически возможная скорость обмена составляет соответственно 132 и 264 Мбайт/с. На системных платах устанавливаются обычно не более трех разъемов.

Предполагается, что стандарт PCI лучше соответствует растущим потребностям в скоростной обработке данных на настольных машинах, поскольку превосходит стандарт VL-Bus по сложности, гибкости и функциональной насыщенности. А если учесть, что его убежденными сторонниками являются такие гиганты, как IBM, Compaq, NEC и Dell, то он становится серьезным противником даже для "хорошо окопавшейся" шины VL-Bus. Windows принесла в мир ПК полноцветную графику. Процессор 486 выполняет пересылки данных по 32-разрядной шине, тактируемой частотой 33 МГц. Как только выдаваемый им мощный поток графических данных попадает на шину ISA, он упирается в "узкое горло". Эта шина создана 10 лет назад и работает на частоте всего лишь 8 МГц, а ее разрядность равна 16. По мере того как в прикладных программах начинают все шире использоваться многоцветная графика, "живое" видео и рендеринг трехмерных изображений, шина ISA отстает все больше и больше. Чтобы решить эту проблему, разработчикам систем и периферийных устройств пришлось предусмотреть другой способ связи с узлами машины, требующими наиболее интенсивного обмена данными. Подключив графический адаптер и некоторые периферийные устройства непосредственно к процессору, они открыли широкий и быстрый канал обмена между теми узлами, которым скорость важнее всего. Для этого были разработаны различные стандарты локальной шины, в том числе и VL-Bus. Стандартная локальная шина обеспечивает единообразный способ подключения устройств к быстродействующей шине процессора и тем самым позволяет устранить "узкие места" во всех новых ПК. Шина РСI поддерживает 32-разрядный канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами, работает на высокой тактовой частоте (33 МГц) и имеет максимальную пропускную способность 120 Мбайт/с. Кроме того, шина PCI в некоторой степени обеспечивает обратную совместимость с существующими периферийными устройствами, рассчитанными на шину ISA. В стандарте PCI предусмотрены контроллер и акселератор, образующие локальную шину, не связанную с шиной процeccopа. Иcпользуeтся несколько способов повышения пропускной способности. Один из ниx - блочная лередача последовательных данных. Если данные не являются последовательными, требуется дополнительное время на установку адреса каждого их элемента. Шина РСI создает между ЦП и периферийными устройствами некоторый промежуточный уровень. В результате получается процессорно-независимая шина, как ее называет Intel. Ее легко подключить к самым различным ЦП, в их числе Pentium корпорации Intel, Alpha корпорации DEC, MIPS R4400 и PowerPC фирм Motorola, Apple и IBM. Для производителей систем это означает снижение затрат на разработку, так как с процессорами разного типа можно использовать одни и те же элементы и устройства. Стандарт РС1 предусматривает обширный список дополнительных функций. К ним относится автоматическая конфигурация периферийных устройств, позволяющая пользователю устанавливать новые устройства без особых проблем.

РСI - это шина для производителей компьютеров: сложное, элегантное, универсальное техническое решение, позволяющее разработчикам быстро и качественно создавать различные системы. Кроме того, это шина для тех, кто на мощных серверах использует большие дисковые массивы, строит многозадачные комплексы на основе NT или OS/2 или собирает высокопроизводительные рабочие станции для "перемалывания" больших объемов графики, видео и данных других типов. На смену ISA пришли РСI и EISA, а работа с устройствами, управляемыми ISA (например, последовательными портами и стримерами) выполняется посредством специальных шинных преобразователей - "мостов"; (bridges). Так, фирма Intel производит мост PCI/ISA - это микросхема i82387. Шина РСI процессорно-независима и используется сегодня с самыми разными процессорами - i486 и Pentium, PowerPC и DEC, Alpha и др. Она поддерживает целый спектр периферийных устройств и обладает средствами управления передачей данных (что освобождает процессор от рутинной возни с трафиком). Нет нужды говорить, что все обмены по шине буферизованы. PCI легко совместима с большинством известных шин. Разработаны и реализованы в виде стандартных микросхем многочисленные "мосты"; PCI/ISA, PCI/EISA, РРС/РСI и другие. Многие производители ПК практикуют также слоты двойного назначения - например, PCI/ISA, позволяющие на одно и то же место устанавливать устройства ввода-вывода в различных стандартах. По части организации групповых операций обмена РСI пошла дальше VLB - в ней групповой режим реализован как для чтения, так и для записи. Максимальная пропускная способность составляет 132 Мбайта/сек. Таким образом, в ближайшее будущее шина PCI имеет неплохие перспективы.

Общие характеристики всех перечисленных локальных шин наглядно представлены в виде следующей таблицы:

Параметры	ISA	EISA	VL-Bus	PCI	Futurebus	SCSI	Nubus	MCA	M-II	Sbus	Mbus	VME
Рабочая частота (МГц)	8	8-33	до 33	до 33	CPU	5-10	10	10-20	CPU	20-25	40-50	CPU
Пропускная способность (МБайт/сек)	2	8	80	50	80	10	20	20	64	80	200	40
Burst Mode (МБайт/сек)	4	33	132	132	3.2 ГБайт/сек	10 (20-fast)	40	76	80	-	320	320 (64-bit)
Разрядность (битов)	16	32	32(64)	32(64)	32-256	32	32	16;32	32	64	64	32;64
Макс. кол-во подключ. устройств	6	15(10)	4	10	14	7-15	-	15	21	-	6	21

Литература

• An Investigation of bus systems in the PC, Stephen Mulcahy, 9234076 Grad Dip Comp Eng.
• PCI Local Bus Specification. Revision 2.0, 1993, PCI SIG
• PCI BIOS Specification. Revision 1.0, 1992, Intel Corporation
• PCI Multimedia Design Guide. Revision 1.0, 1994, PCI MWG
• S -100 in commercial applications, Micro&Microsyst, vol.10 No2, March 86
• Inside EISA, Byte, November 1989, p. 417 - 425
• Intel Support Web-site
• Интерфейсы средств вычислительной техники,энциклопедический справочник, А. А. Мячев, М.:Радио и связь, 1993
• КомпьютерПресс, No1, М.: 1994
• PC World, No12, М.: 1993

VLB SVGA-карта

Назначение контактов разъёма VLB

VESA local bus (VL-Bus или VLB) - тип локальной шины , разработанный ассоциацией VESA для персональных компьютеров. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины микропроцессора Intel 80486 для связи с видеоадаптером и реже с контроллером HDD . Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 МБайт/с (теоретически достижимая - 132 Мбайт/с).

История

Как выглядит слот шины

Слот VLB был расширением шины ISA. Поэтому карты для шины ISA могли вставляться в слот VLB и работать. Это делало разъем довольно длинным, и из-за этого аббревиатура VLB в шутку расшифрововалась как Very Long Bus (Очень Длинная Шина). Дополнительная часть VLB разъёма была окрашена в светло-коричневый цвет, для неё использовался тот же самый 116-контактный разъём, что и для MicroChannel. Физический разъём (слот, форм-фактор) шины PCI практически совпадает с дополнительной частью разъёма VLB, но расположен у заднего края системной платы и имеет другие назначения выводов.

Технические подробности

VLB была расширением шины ISA только для процессоров Intel 80486 и использовала его технические особенности. По сути, на контакты дополнительного слота выходили физические линии системной шины (процессор-память). Таким образом, процессор мог напрямую обращаться к буферам и памяти контроллеров, работающих на VLB. Для процессора это выглядело как дополнительные модули обычной памяти (общее адресное пространство). Таким образом, процессор работал с устройством на тех же скоростях, что и с памятью (в то время как ISA использовала тактовую частоту 8 МГц и 16-битную шину), что и обеспечивало высокое быстродействие.

В случае процессоров Pentium и NexGen функциональность шины VLB реализовывалась с помощью дополнительных мостов в чипсете, что приводило к катастрофическому падению производительности.

В шинах видеоконтроллеров (AGP , PCI-Express) данный подход применяется до сих пор («северный мост » - микросхема, связывающая процессор, память и графическую шину).

В новых процессорах Intel и AMD доступ к памяти и графической шине осуществляется напрямую через контроллер, встроенный непосредственно в процессор.

Шина VLB практически перестала применяться вместе с процессором i486 и базовой шиной ISA, электрические и временные параметры которых использовала и расширением которых была.

Шина PCI не была конструктивно совместима ни с одной из предшественниц, разработана как дальнейшее развитие шин MicroChannel и SBus), и принципиально отличается от VLB большим количеством возможностей как по автоматической настройке аппаратуры, так и по удобству её использования, например, наличием прямого доступа к памяти (direct memory access , DMA ) - способностью шины в фоновом режиме (без участия процессора) переносить данные между буфером внешней платы и оперативной памятью . Кроме того, шина PCI не была так сильно привязана к определённому типу центрального процессора и могла обслуживать большее число разъёмов. Это предопределило вытеснение шины VLB шиной PCI.

Платы VLB, за редким исключением, не могли работать только в слоте ISA.

Современные вычислительные системы характеризуются:

□ стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внеш­них устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высо­ким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

□ появлением программ, требующих выполнения большого количества интер­фейсных операций (например программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих од­новременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной рабо­ты пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разра­ботчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми ско­ростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.

Сейчас существуют три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP.

Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стан­дартов видеоэлектроники (VESA - торговая марка Video Electronics Standards Association) и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже - с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных - 32 бита, для адреса - 30, реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с, теоретически достижимая - 132 Мбайт/с (в версии 2 - 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

□ ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

□ жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

□ малое количество подключаемых устройств - к шине VLB может подклю­чаться только 4 устройства;

□ отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемы­ми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонен­тов) - самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Разработана в 1993 году фирмой Intel. Шина PCI являет­ся намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 уст­ройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI - 33 МГц, разряд­ность - 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расшире­ния до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-бито­вом варианте - 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способ­ность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров.

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секции по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интер­фейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате име­ется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является незави­симой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 5.8.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - интер­фейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандар­та PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передают­ся 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьми­кратного умножения AGP8x - 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для уде­шевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Рис. 5.8. Конфигурация системы с шиной PCI

Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основ­ной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в сис­темной памяти, но перед использованием копируются в локальную память кар­ты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Гра­фические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосред­ственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адре­са фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видео-адаптер. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 5.9.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Рис. 5.9. Конфигурация системы с шиной AGP

Все сказанное выше в отношении шин обобщается в табл. 5.4. Таблица 5.4. Основные характеристики шин

Локальная шина VLB

Локальная шина стандарта VLB (VESA Local Bus, VESA – Video Equipment Standart Association – Ассоциация стандартов видеооборудования) разработана в 1992 году. Главным недостатком шины VLB является невозможность её использования с процессорами, пришедшими на замену МП 80486 или существующими параллельно с ним (Alpha, PowerPC и др.).

Шины ввода-вывода ISA, MCA, EISA имеют низкую производительность, обусловленную их местом в структуре PC. Современные приложения (особенно графические) требуют существенного повышения пропускной способности, которое могут обеспечить современные процессоры. Одним из решений проблемы повышения пропускной способности было применение в качестве шины подключения периферийных устройств локальной шины процессора 80486. Шину процессора использовали как место подключения встроенной периферии системной платы (контроллер дисков, графического адаптера).

VLB - стандартизованная 32-битная локальная шина, практически представляющая собой сигналы системной шины процессора 486, выведенные на дополнительные разъемы системной платы. Шина сильно ориентирована на 486 процессор, хотя возможно ее использование и с процессорами класса 386. Для процессоров Pentium была принята спецификация 2.0, в которой разрядность шины данных увеличена до 64, но она распространения не получила. Аппаратные преобразователи шины новых процессоров в шину VLB, будучи искусственными "наростами" на шиннной архитектуре, не прижились, и VLB дальнейшего развития не получила.

Конструктивно VLB-слот аналогичен 16-битному обычному MCA-слоту, но является расширением системного слота шины ISA-16, EISA или MCA, располагаясь позади него вблизи от процессора. Из-за ограниченной нагрузочной способности шины процессора больше трех слотов VLB на системной плате не устанавливают. Максимальная тактовая частота шины - 66 МГц, хотя надежнее шина работает на частоте 33 МГц. При этом декларируется пиковая пропускная способность 132 Мбайт/с (33 МГц x 4 байта), но она достигается только внутри пакетного цикла во время передач данных. Реально в пакетном цикле передача 4 x 4 = 16 байт данных требует 5 тактов шины, так что даже в пакетном режиме пропускная способность составляет 105.6 Мбайт/с, а в обычном режиме (такт на фазу адреса и такт на фазу данных) - всего 66 Мбайт/с, хотя это и значительно больше, чем у ISA. Жесткие требования к временным характеристикам процессорной шины при большой нагрузке (в т. ч. и микросхемами внешнего кэша) могут привести к неустойчивой работе: все три VLB-слота могут использоваться только на частоте 40 МГц, при нагруженной системной плате на 50 МГц может работать только один слот. Шина в принципе допускает и применение активных (Bus-Master) адаптеров, но арбитраж запросов возлагается на сами адаптеры. Обычно шина допускает установку не более двух Bus-Master адаптеров, один из которых устанавливается в "Master"- слот.

Шину VLB обычно использовали для подключения графического адаптера и контроллера дисков. Адаптеры локальных сетей для VLB практически не встречаются. Иногда встречаются системные платы, у которых в описании указано, что они имеют встроенный графический и дисковый адаптер с шиной VLB, но самих слотов VLB нет. Это означает, что на плате установлены микросхемы указанных адаптеров, предназначенные для подключения к шине VLB. Такая неявная шина по производительности, естественно, не уступает шине с явными слотами. С точки зрения надежности и совместимости это даже лучше, поскольку проблемы совместимости карт и системных плат для шины VLB стоят особенно остро.

Accelerated Graphics Port (AGP)

Стандарт на AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) был разработан фирмой Intel с для того, чтобы не меняя сложившийся стандарт на шину PCI, ускорить ввод/вывод данных в видеокарту и, кроме этого, увеличить производительность компьютера при обработке трехмерных изображений без установки дорогостоящих двухпроцессорных видеокарт с большими объемами как видеопамяти, так и памяти под текстуры, z-буфер и т.п.. Этот стандарт был поддержан большим количеством фирм, входящих в AGP Implementors Forum, организацию, созданную на добровольной основе для внедрения этого стандарта. Поэтому развитие AGP было довольно стремительным. Стартовая версия стандарта - AGP 1.0.

Конструктивное исполнение представляет собой отдельный слот с питанием 3.3 V, напоминающий слот PCI, но на самом деле никак с ним несовместимом. Обычная видеокарта не может быть установлена в этот слот и наооборот.

Скорость передачи данных до 532 Мбайт/с, обусловлена частотой шины AGP до 132 МГц, отсутствием мультиплексирования шины адреса и данных (на PCI по одним и тем же физическим линиям сначала выдается адрес, а потом данные). AGP имеет частоту шины 66 МГц и ту же разрядность и в стандартном режиме (точнее - режим "1x") может пропустить 266 Мбайт/с. Для повышения пропускной способности шины AGP в стандарт заложена возможность передавать данные, используя как передний так и задний фронт синхросигнала - режим 2x. В режиме 2x пропускная способность 532 Мбайт/с. При достижении частоты шины в 100 МГц скорость обмена возрастет до 800 Мбайт/с.

Кроме "классического" способа адресации, как на PCI, в AGP может использоваться режим sideband addressing, называемый "адресацией по боковой полосе". При этом используются специальные, отсутствующие в PCI, сигналы SBA (SideBand Addressing). В отличие от шины PCI на AGP присутствует конвейрная обработка данных.

Основная обработка трехмерных изображений выполняется в основной памяти компьютера как центральным процессором, так и процессором видеокарты. Механизм доступа процессора видеокарты к памяти получил название DIrect Memory Execute (DIME - непосредственное выполнение в памяти). Следует упомянуть, что сейчас не все видеокарты стандарта AGP поддерживают этот механизм. Некоторые карты пока имеют только механизм, аналогичный bus master на шине PCI. Не следует путать этот принцип с UMA, который используется в недорогих видеокартах, размещенных, как правило, на материнской плате. Основные отличия: . Область основной памяти компьютера, которая может использоваться AGP картой (ее также называют "AGP память"), не заменяет память экрана. В

UMA основная память используется как память экрана, а AGP память лишь дополняет ее. . Пропускная способность памяти в UMA видеокарте меньше, чем для шины

PCI. . Для вычислений текстур привлекаются только центральный процессор и процессор видеокарты. . Центральный процессор записывает данные для видеокарты непосредственно в область обычной памяти, доступ к которой получает также и процессор видеокарты. . Выполняются только операции чтения/записи в память. Нет арбитража на шине (AGP порт всегда один) и временных затрат на него

Обычная память (даже SDRAM) существенно дешевле, чем видеопамять для графических карт.

В декабре 1997 года фирма Intel выпустила предварительную версию стандарта AGP 2.0, а в мае 1998 года окончательный вариант. Основные отличия от предыдущей версии: . Скорость передачи может быть увеличена еще в два раза по сравнению с

1.0 - этот режим получил название "4x" - и достигать значения 1064

Мбайт/с. . Скорость передачи адреса в режиме "адресации по боковой полосе" также может быть увеличена еще в два раза. Добавлен механизм "быстрой записи" Fast Write (FW). Основная идея - запись данных/команд управления непосредственно в AGP устройство, минуя промежуточное хранение данных в основной памяти. Для устранения возможных ошибок в стандарт на шину введен новый сигнал WBF# (Write

Buffer Full - буфер записи полон). Если сигнал активен, то режим FW невозможен.

В июле 1998 года Intel выпустила версию 0.9 спецификации на AGP Pro, существенно отличающейся конструктивно от AGP 2.0. Краткая суть отличий в следующем: . Изменен разъем AGP - добавлены выводы по краям существующего разъема для подключения дополнительных цепей питания 12V и 3.3V . Совместимость с AGP 2.0 только снизу вверх - платы с AGP 2.0 можно устанавливать в слот AGP Pro, но не наооборот. . AGP Pro предназначена только для систем с ATX форм-фактором. . Поскольку карте AGP Pro разрешено потребление до 110 Wt (!!), высота элементов на плате (с учетом возможных элементов охлаждения) может достигать 55 мм, поэтому два соседних слота PCI должны оставаться свободными. Кроме этого, два соседних слота PCI могут использоваться платой AGP Pro для своих целей. . С точки зрения схемотехники новая спецификация ничего не добавляет, кроме специальных выводов, сообщающих системе о потреблении платы AGP Pro.

AGP быстро прижился в обыкновенных настольных системах из-за своей дешевизны и скорости, а видеокарты на AGP почти вытеснили обычные PCI- видеокарты.

Издание: Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа

5. Шины компьютера

Шина ПК - это канал (магистраль), который связывает между собой процессор, ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода. При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях IBM-совместимых компьютеров.
По шине передаются как данные, так и управляющие сигналы.
Работа шины осуществляется в соответствии с определенными правилами, регламентированными стандартами.
Важнейшие характеристики шин: частоты, разрядности, скорости передачи данных. При этом, как правило, частота измеряется в мегагерцах, разрядность - в битах, скорость - в мегабайтах в секунду или в мегабитах в секунду.

Шины ISA, EISA, MCA

Наиболее распространены три основных стандарта системной шины для IBM-совместимых ПК:

• Industry Standard Architecture (ISA);
• Extended Industry Standard Architecture (EISA);
• Micro Channel Architecture (MCA).

ISA - системная шина (ISA-bus), которая была специально разработана в 1984 г. под возможности процессоров i80286 для IBM PC/AT286. Для ISA-шины часто используется другое название - AT-шина. Эта шина была предназначена заменить шину ХТ ПК IBM PC/XT и аналогичных IBM-совместимых ПК на основе процессоров i8086, i8088 и их аналогов. Ввиду неперспективности морально устаревшей шины XT ее особенности и возможности рассматривать здесь нецелесообразно. Шина ISA позволяет передавать 16-разрядные данные и команды с частотой 8 МГц, что соответствует скорости 16 Мбайт/с. Значения этих параметров были сравнительно высокими и достаточными не только для того уровня развития компьютерной техники, они и в настоящее время часто удовлетворяют требованиям ПК для решения задач, не требующих высокой производительности и не критичных к времени их выполнения. Данная шина стала стандартом для IBM-совместимых ПК на длительный срок.
Системная шина EISA (EISA-bus) фактически является расширением шины ISA. Частота шины EISA - 8 МГц. Однако эта шина характеризуется большей разрядностью - 32 бита и более высокой скоростью передачи данных - до 33 Мбайт/с. Шина EISA совместима с ISA-шиной: кроме собственно 32-битных плат EISA-контроллеров на EISA-шине могут быть установлены стандартные 16-битные платы ISA. В настоящее время шина EISA в основном используется в некоторых вариантах файл-серверов компьютерных сетей.
MCA - системная шина с высокой скоростью передачи данных - до 160 Мбайт/с и разрядностью шины данных от 16 до 64 бит. Разработка и исключительное право на ее использование принадлежит фирме IBM. Вероятно поэтому, для ПК, использующих MCA, рынок предлагает сравнительно мало периферийных устройств и по относительно высоким ценам. Вследствие этого популярность данной шины сравнительно низка и производство компьютеров с шиной МСА практически прекращено.
Развитие вычислительной техники и расширение области применения ПК сопровождаются увеличением потоков информации и скорости передачи данных между процессором, внутренней и внешней памятью, устройствами ввода/вывода и т. д. Однако данное увеличение сдерживается ограниченной пропускной способностью указанных системных шин. Все это требует новых архитектурных решений, обеспечивающих повышение производительности ПК.

Шины VLB, PCI

Одним из таких решений явилось введение в состав архитектуры ПК отдельной шины для данных, поступающих для увеличения скорости их передачи в обход системной шины (ISA, MCA, EISA), например, для связи процессор-память так называемой локальной шины - Local Bus (LB). Локальная шина быстрее, чем шины ISA, EISA, потому что данные по ней передаются с внешней тактовой частотой используемого в составе ПК процессора. Например, 33 МГц в случае Intel 486DX2-66, тогда как стандартная шина ISA работает при тактовой частоте 8 МГц.
Стандарт локальной шины VESA (VESA local bus) был разработан и введен в 1992 г. фирмами-производителями компьютерной техники, входящими в ассоциацию VESA (Video Electronics Standart). При разработке нового стандарта одновременно решались две задачи. Первая - повышение производительности компьютеров за счет увеличения пропускной способности системных шин. Вторая - сохранение преемственности в использовании стандартного оборудования. В результате была создана 32-разрядная локальная шина - VESA local bus (VLB), дополняющая стандартную системную шину ISA при обмене данными процессора с контроллерами монитора, жесткого диска, кэш-памяти, сети и т. д. В соответствии со стандартом максимальное число контроллеров, подключаемых к данной локальной шине, было установлено в количестве не более трех. Тактовая частота VLB соответствовала частоте процессора. При внешней частоте процессора, равной 33 МГц, шина VLB обеспечивала скорость передачи данных до 132 Мбайт/с.
К основным недостаткам шины VLB следует отнести следующие: несовместимость и слабую нагрузочную способность VLB. Действительно, поскольку быстродействие VLB связано с тактовой частотой процессора, контроллеры, подключаемые к шине VLB, должны были обеспечивать работу на этой частоте. На других ПК частота могла отличаться. Слабая нагрузочная способность VLB в основном была связана с тем, что данная шина фактически являлась продолжением контактов собственной шины процессора ПК, что и отражено на приведенном рисунке. Кстати, этим объясняется совпадение частоты шины VLB и внешней тактовой частоты процессора. Каждое подключаемое устройство является дополнительной нагрузкой и искажает форму передаваемых процессором сигналов (их фронтов). Именно поэтому число подключаемых к локальной шине VLB устройств ограничено: стандарт VLB предусматривает подключение к данной шине не более трех устройств, обычно это одно или два устройства. Как правило, это контроллеры монитора и жестких дисков.

Рисунок

Альтернативный вариант локальной шины был разработан фирмой Intel - шина PCI (Peripheral Component Interconnect). Эта шина образует 32-битный канал между процессором и контроллерами периферийных устройств. Для PCI частота ограничена 33 МГц, что позволяет передавать данные по шине, как и в случае использования шины VESA, со скоростью до 132 Мбайт/с. Таким образом, шина PCI имеет практически такие же скоростные свойства, что и шина VLB при частоте процессора равной 33 МГц. Однако число контроллеров не ограничивается тремя, как для VLB, а может достигать десяти. Стандарт шины PCI поддерживает спецификации VESA для BIOS и видеоадаптеров. Кроме того, локальная шина PCI оптимально соответствует 64-битной технологии современных процессоров. Рисунок

Стандарт PCI предусматривает конфигурирование устройств, подключаемых к компьютеру, программным способом, что соответствует концепции plug-and-play (включил и работай). При этом в момент обнаружения нового устройства персональный компьютер без перезагрузки и выхода из текущего приложения должен установить параметры, необходимые для работы устройств в составе системы: номера прерываний IRQ, номера каналов прямого доступа DMA и т. д. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы аппаратно-программное обеспечение ПК (BIOS и ОС) поддерживало plug-and-play. К операционным системам, поддерживающим ряд спецификаций технологии plug-and-play, относятся, например, Windows 95, Windows 98 и OS/2 Warp.
Шина PCI архитектурно сложнее. Однако фирма Intel выпустила ряд специализированных микросхем для шины PCI, упростив тем самым ее реализацию. Это позволило шине PCI полностью вытеснить шину VLB из архитектуры ПК.
Архитектура современных ПК, ориентированная на использование в своем составе локальных шин, способствует повышению общей производительности компьютеров. В результате системные и прикладные программы выполняются значительно быстрее.
Традиционно шина VLB в основном использовалась в ПК с процессорами 486, в то время как PCI - в ПК, начиная с процессоров Pentium. Хотя имелись варианты PCI и для 486 компьютеров. Кстати, следует отметить, что для 486 ПК в некоторых случаях использование VLB могло быть даже предпочтительнее шины PCI. Действительно, для PCI, как это уже отмечалось, стандарт устанавливает тактовую частоту равной 33 МГц, а для VLB - равенство частоты шины с внешней тактовой частотой процессора. Поэтому при использовании процессоров с внешней тактовой частотой 40 МГц, например, Am486DX/40, Am486DX2/80, Am486DX4/120, ПК с VLB обладали некоторыми преимуществами. Так, контроллеры устройств, подключенные к VLB процессора с внешней частотой в 40 МГц, - видеоадаптеры, жесткие диски, сетевые карты и т. д., - обеспечивали повышенную скорость работы по сравнению с использованием PCI или VLB с процессором с внешней частотой 33 МГц. Это связано с тем, что работа контроллеров и обмен данными осуществляются в соответствии с частотой используемой локальной шины.
Кстати, необходимо отметить, что в современных материнских платах частота шины PCI задается через частоту шины процессора.
Конфигурации ПК с несколькими шинами, например с ISA и PCI, позволили сочетать высокую производительность компьютеров с аппаратной и программной совместимостью широкого спектра контроллеров и узлов ПК, обладающих разными скоростными и электрическими характеристиками.
В настоящее время локальные шины уже не выделяют в отдельный вид. Эти шины считают такими же системными шинами, как и традиционные ISA.

Host-bus

Архитектуры процессоров, персональных компьютеров, материнских плат и системных шин, специализированные микросхемы поддержки и стандарты шин VLB и PCI продолжают развиваться. Уже предложены улучшенные варианты данных стандартов, обеспечивающих дальнейшее увеличение пропускной способности указанных локальных шин и, соответственно, увеличение производительности ПК. При этом развитие подсистем ПК направлено как на универсализацию некоторых элементов, так и на специализацию других. С целью увеличения производительности и функциональных возможностей ПК при снижении себестоимости происходит как объединение отдельных подсистем, так и их разделение. Это касается и архитектуры шин ПК.
Поколение процессоров Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II имеет более высокие внешние частоты по сравнению с процессорами 486. Для наиболее распространенных вариантов процессоров 486 внешняя частота не превышает следующих значений: для процессоров 486 фирмы Intel - 33 МГц, для процессоров 486 фирмы AMD - 40 МГц.

Частотные параметры процессоров Pentium

Процессор	Частота процессора, МГц
	внутренняя	внешняя
Pentium-200	200	66
Pentium-166	166	66
Pentium-150	150	60
Pentium-133	133	66
Pentium-120	120	60
Pentium-100	100	66/50
Pentium-90	90	60
Pentium-75	75	50

Итак, появились процессоры с повышенной внешней частотой. Это привело к необходимости пересмотра некоторых концепций архитектурного развития персональных компьютеров, в частности структуры и топологии материнских плат, а также места и значения ранее разработанных локальных шин. Локальная шина PCI, прочно утвердившаяся в компьютерах с процессорами Pentium и Pentium Pro, в настоящее время стандартизована и функционирует, как правило, на частоте 33 МГц. Эффективная работа шины PCI обеспечивается соответствующими специализированными наборами микросхем - чипсетами. Эта шина успешно используется для связи с контроллерами мониторов, жестких дисков, локальных сетей, использующих высокоскоростные протоколы, и т. д. Однако для реализации скоростных возможностей Pentium потребовалось введение в архитектуру ПК с процессором Pentium еще одной шины в дополнение к шинам PCI и ISA. Эта дополнительная шина, названная в специальной технической литературе хост-шиной (host-bus), предназначена для скоростной передачи данных (64 разряда) и сигналов управления между процессором, ОЗУ и внешней кэш-памятью (L2). Кроме того, данная шина обеспечивает связь с интегрированным на материнской плате контроллером шины PCI. Часто эту шину называют шиной процессора (CPU Bus), системной шиной (System Bus) или шиной FSB (Front Side Bus).
Таким образом, с появлением хост-шины образовалась определенная иерархия шин в ПК: хост-шина (50/60/66 МГц), шина PCI (25/30/33 МГц), шина ISA (8 МГц). Это обеспечивает максимальную реализацию значительных потенциальных возможностей современных электронных компонентов и достижение высокой производительности компьютеров. Повышенная частота и разрядность передаваемых данных для процессора, ОЗУ, кэш-памяти (L2) и контроллера PCI позволили существенно увеличить скорость работы данных устройств и общую производительность современного ПК с процессором Pentium.

ПРИМЕЧАНИЕ При выборе процессора для ПК целесообразно учитывать не только внутреннюю частоту процессора Pentium, но и внешнюю - частоту шины. Данная частота влияет на пропускную способность шины и, соответственно, на общую производительность компьютера.

Необходимо учитывать, что снижение производительности компьютера за счет уменьшения внешней частоты процессора и шины может быть более значительным, чем рост общей производительности за счет увеличения внутренней частоты процессора.

Dual Independent Bus

Дальнейшее повышение производительности процессоров и ПК достигнуто внедрением архитектуры шины DIB (Dual Independent Bus - двойная независимая шина). Эта шина решает проблему ограничения пропускной способности шины между процессором и памятью. DIB увеличивает пропускную способность шины в три раза по сравнению с обычным решением. Архитектура DIB состоит из двух шин: шины кэш-памяти второго уровня (L2) и системной шины между процессором и основной памятью. Пропускная способность шины, связывающей процессор Pentium II и кэш L2, масштабируется в зависимости от частоты процессора. Так, шина кэш-памяти процессора версии 266 МГц работает с частотой 133 МГц, то есть в два раза быстрее, чем кэш L2 с фиксированной частотой 66 МГц процессора Pentium. С ростом внутренней частоты процессора увеличивается и разница.
Шина между процессором и ОЗУ еще более повышает производительность за счет поддержки одновременно выполняемых параллельных транзакций, в отличие от процессоров предыдущих поколений, в которых использовались одиночные последовательные транзакции.

AGP

AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - это новая 32-разрядная шина передачи информации в компьютере. Она обеспечивает передачу больших объемов видеоинформации (трехмерная графика, полноэкранное видео и т. п.) с высокой скоростью, ранее недоступной с помощью шины PCI. Интерфейс AGP оптимизирован с целью достижения максимальной производительности компьютеров с высокопроизводительными процессорами класса Pentium II, с высокими внутренними и внешними тактовыми частотами.
Тактовая частота AGP, определяющая скорость передачи информации, стандартно составляет 66 МГц, PCI - 33 МГц. Большинство современных материнских плат поддерживает для AGP кроме частоты 66 МГц частоту передачи данных 133 МГц: AGP 1.0 Compliance Interface поддерживает 1x и 2x Speed Mode, в режиме AGP 2х передача информации осуществляется по переднему и заднему фронтам тактовых импульсов, что позволяет фактически удвоить пропускную способность шины AGP. Ведутся работы по реализации режима 4x.
Частота AGP обычно связана с частотой шины процессора - хост-шины (FSB). Скорость передачи информации при тактовой частоте AGP, равной 66 МГц, в режиме 1х достигает 264 Мбайт/с, а в режиме 2х - 528 Мбайт/с (66 МГц ґ 4 байт ґ 2), традиционная PCI - 132 Мбайт/с (33 МГц ґ 4 байт = 132 Мбайт/с). При использовании высоких частот для хост-шины, превышающих стандартные для используемых чипсетов (overckloking), рабочая частота AGP и скорость передачи информации, как правило, возрастают.
Использование AGP решает проблему хранения текстурных карт, необходимых в формировании 3D-изображений. В настоящее время нередки случаи, когда для формирования качественного изображения текстурные карты требуют для своего хранения несколько десятков мегабайт, то есть значительно больше объема обычно устанавливаемой на видеоадаптере памяти. Формирование, хранение и последующая передача подобной информации из ОЗУ в видеоадаптер порождают значительные потоки информации, с которыми традиционная шина PCI часто не справляется. Кроме того, нередко шина PCI перегружена новыми высокоскоростными устройствами, подключаемыми к данной шине, например такими, как диски стандарта UltraDMA или сетевыми адаптерами с пропускной способностью 100 Мбайт/с. За счет исключения интенсивных потоков видеоданных с шины PCI увеличивается скорость работы устройств, подключенных к данной шине, и возрастают общая производительность и устойчивость всей системы компьютера.

Рисунок

Для полного раскрытия потенциальных возможностей шины AGP целесообразно использовать высокопроизводительные процессор и соответствующий чипсет, например такие, как Pentium II с частотой 400 МГц и i440BX с частотой хост-шины (FSB) 100 МГц.

USB, IEEE 1394

Спецификация периферийной шины USB разрабатывалась фирмами Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom. Шина USB допускает внешнее подключение периферийных устройств к компьютеру посредством использования специальных портов в архитектуре современных компьютеров. Подключение осуществляется через специальные разъемы USB на материнской плате, выведенные на заднюю стенку корпуса компьютера, аналогично традиционным разъемам COM и LPT. Однако в отличие от них в USB используется шинная архитектура, позволяющая к каждому порту USB подключить последовательно до 127 разнообразных устройств, удовлетворяющих данной спецификации.
Шина USB обладает большой пропускной способностью, достигающей 12 Мбит/c, что почти в 100 раз превышает возможности COM-порта и в 20 раз - LPT. Это позволяет подключать большое число устройств без ухудшения качества их работы. В соответствии с принятыми спецификациями на USB, длина соединительного кабеля может достигать 5 метров.
Современные операционные системы легко распознают добавленные USB-устройства, реализуя технологию plug-and-play. В случае использования шины USB появляется возможность изменять конфигурацию компьютера включением или отключением внешних устройств без перезапуска системы. Кроме того, последовательное подключение устройств, характерное для USB, позволяет отказаться от большого количества соединительных кабелей, используемых в традиционных случаях.
Практически все современные материнские платы стандарта ATX, ориентированные на использование процессоров Pentium II, Celeron и Pentium III имеют в своем составе два порта USB. Программная поддержка осуществляется операционными системами Windows 95 OSR 2.1 и Windows 98, которые являются наиболее распространенными системами.
В настоящее время данный способ является стандартным способом подключения периферийных устройств к компьютеру. Существуют десятки устройств, удовлетворяющие данному стандарту. Многие фирмы осуществляют продажу и сопровождение устройств с данным интерфейсом.
Спецификация высокоскоростной последовательной шины IEEE 1394 (FireWire) предложена фирмой Sony. Как и USB, она обеспечивает внешнее подключение периферийных устройств к компьютеру. Скорость передачи данных - 100, 200, 400 Мбит/c, расстояние - до 4,5 м, количество устройств - до 63. Шина IEEE 1394 обеспечивает возможность переконфигурации без выключения компьютера.
Если шина USB ориентирована на устройства ввода, телекоммуникационное оборудование, принтеры, аудио/видео устройства, то IEEE 1394 - на высокоскоростные устройства, такие как устройства хранения данных и цифровую видеоэлектронику.
Способы подключения устройств, шины и их спецификации постоянно совершенствуются. В результате рабочие скорости передачи данных увеличиваются. Так, например, для USB 2 скорость достигла величины 480 Мбит/с. Новая спецификация IEEE 1394 предусматривает увеличение скорости до 800 Мбит/c и 1600 Мбит/c.

Перспективы

Корпорация Intel ведет разработку чипсетов, рабочие частоты которых - 133 МГц и более. Выпуск подобных наборов ожидается в 2000 г. Использование таких чипсетов, модулей RIMM, процессоров Pentium III, рассчитанных на частоту шины 133 МГц, позволит увеличить общую производительность компьютера.
Аналогичные исследования по разработке и выпуску высокопроизводительных чипсетов ведутся такими фирмами, как SiS и VIA.
Данные работы поддержаны фирмами-производителями материнских плат.
Фирмы IBM, Hewlett-Packard, Compaq предложили новый стандарт для шины PCI. Условное название для шины - PCIX, рабочая частота шины - 133 МГц. Это позволит увеличить скорость передачи данных до 1 Гбайт/с.