Характеристики шины vlb. Технические характеристики шин или Как правильно подобрать шины на автомобиль?! Локальные шины VLB и PCI
Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой представляет совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.
Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:
– многосвязный интерфейс, где каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых ПК;
– односвязный интерфейс, где все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.
В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.
В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:
– шины расширений шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
– локальные шины специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.
Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 - Основные характеристики шин
Шины расширений.
1. Шина Multibus1 имеет две модификации: PC/XT bus (Persona) Computer eXtended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).
2. Шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086,8088.
3. Шина PC/AT bus -16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA.
4. Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен). По сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, реально около 4-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования.
5. Шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10). Улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA, полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.
6. Шина МСА (Micro Channel Architecture) -32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц. По прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко .
Локальные шины VLB и PCI
Два основных стандарта универсальных локальных шин - VLB и PCI.
1. Шина VLB (VESA Local Bus -локальная шина VESA) - называют шиной VESA. Шина VLB, no существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины - 32 бита (возможен 64-разрядный вариант). Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с (теоретически достижимая -132 Мбайт/с).
Недостатки шины:
– рассчитана на работу с МП 80386, 80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
– жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
– малое количество подключаемых устройств - к шине VLB (только четыре устройства);
– отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
2. Шина PCI. (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств). Шина PCI является более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП, она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных.
Разрядность PCI - 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, при частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте -263 Мбайт/с (реальная вдвое ниже).
Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны на рисунке 5.1 и рисунке 5.2 соответсвенно. Использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы.
Рисунок 5.1 - Конфигурация системы с шиной VLB
Рисунок 5.2 - Конфигурация системы с шиной PCI
Для подключения шины PCI к другим шинам применяются специальные аппаратные средства - мосты шины PCI (PCI Bridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Одноранговый мост (Peer-to-Peer Bridge) используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в серверных платформах - дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств. Таким образом, совокупность мостов, расположенных вокруг шины PCI, выполняет маршрутизацию (routing) обращений по всем связанным шинам. В общем случае считается, что устройство с конкретным адресом может присутствовать только на одной из шин данного компьютера, а на каком именно, "знают" запрограммированные мосты.
Основные возможности шины.
1. Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения числа контактов используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.
2. Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей (cуществуют универсальные платы, поддерживающие оба напряжения, но частота 66MHz поддерживается только 3.3V логикой).
3. Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):
– 132 МВ/с при 32-bit/33MHz;
– 264 MB/с при 32-bit/66MHz;
– 264 MB/с при 64-bit/33MHz;
– 528 МВ/с при 64-bit/66MHz.
4. Для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.
5. Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).
6. Поддержка write-back и write-through кэша.
7. Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.
8. Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).
9. Шина позволяет устанавливать до 5 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.
10. PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.
11. Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) в непрерывное пространство памяти, то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.
Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов - два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода) и configuration space - "конфигурационное пространство". Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерываний) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture .
Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода/вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода/вывода. Дополнительная информация о шине PCI приведено в приложении Е.
Интерфейс PCI Express (3GIO).
Аббревиатура 3GIO расшифровывается как «3-е поколение шины ввода-вывода»(Third Generation Input/Output Interconnection) .
Масштабируемость производительности достигается через повышение частоты и добавление линий к шине. PCI Express призвана обеспечить высокую пропускную способность на контакт с низким количеством служебной информации и низкими задержками. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический.
Система адресации полностью совместима со спецификацией PCI, что позволяет подключать устройства PCI к новой шине. Без изменений остался механизм автоматического конфигурирования устройств (Plug-and-Play). Данные пересылаются пакетами по 8 или 10 бит (в последнем случае два бита предназначены для поддержки механизма контроля четности и исправления ошибок).
Спецификация интерфейса PCI Express предусматривает несколько уровней взаимодействия и протоколов:
– физический;
– данных (Data Link);
– транзакций (транспортный);
– приложений и драйверов;
– конфигурационный.
Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных. Масштабируемость шины достигается кратным (1, 2, 4, 8, 16, 32) увеличением числа линий. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит. При необходимости 2 бита используются для контроля за целостностью данных. Тем самым реализуется концепция обмена данными «точка - точка».
Теоретически полоса пропускания самого узкого канала достигает 2,5 Гбит/с в каждом направлении.
Система адресации и команд включает три стандартных поля, совместимых с интерфейсом РСI (область памяти, адрес ввода-вывода, инициализации и конфигурирования), а также дополнительное поле сообщений (Message).
Интерфейсная шина AGP
Выделенная для потока видеоданных интерфейсную шину - AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) (рисунок 5.3) .
Рисунок 5.3– Структурная схема графического ускорителя с AGP
Преимуществом новой шины стала ее высокая пропускная способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5,5 Мбайт/с, VLB -до 130 Мбайт/с (однако при этом чрезмерно загружала центральный процессор), а PCI до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет пиковую пропускную способность до 2132 Мбайт/с (в режиме передачи 32-разрядных слов).
Интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Таким образом, выполняются требования вывода ЗD-графики в режиме реального времени и, кроме того, более эффективно используется память буфера кадра, тем самым увеличивается скорость обработки 3D-графики. Шина AGP соединяет графическую подсистему с контроллером системной памяти, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP возможно подключение графических плат.
Основными особенности AGP, влияющими на производительность:
Шина способна передавать два (AGP2x), четыре (AGP4x) или восемь (AGP8x) блоков данных за один цикл;
Устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления материнских плат адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
Конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.
Шина AGP работает в двух основных режимах - DIME (Direct Memory Execute) и DMA (Direct Memory Access). В режиме DMA основной памятью считается память на карте. Текстуры могут храниться в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Обмен ведется большими последовательными пакетами данных.
В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной памяти. Таким образом, приходится передавать сравнительно небольшие случайно расположенные куски. Поскольку системная память требуется и другим устройствам, она выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт. Поэтому для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен специальный механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса блоков в системной памяти.
Шина AGP поддерживает все стандартные операции шины PCI, поэтому поток данных по ней можно представить как смесь чередующихся AGP и РСI-операций чтения/записи. Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных.
Новая спецификация - AGP Pro. Основное отличие этого интерфейса заключается в возможности управления энергопитанием. С этой целью в разъем AGP Pro добавлены новые линии.
Интерфейс AGP Pro предназначен для графических станций. Двукратное увеличение пропускной способности достигнуто за счет повышения тактовой частоты шины до 66 МГц и применения нового уровня сигналов 0,8 В (в AGP 2.0 использовался уровень 1,5 В). Тем самым при сохранении основных параметров интерфейса повышена пропускная способность шины до 2132 Мбайт/с.
Повышенная пропускная способность порта AGP обеспечивается следующими тремя факторами:
– конвейеризацией операций обращения к памяти;
– сдвоенными передачами данных;
– демультиплексированием шин адреса и данных.
Интерфейс SCSI
Системный интерфейс малых компьютеров SCSI (Small Computer System Interface) был стандартизован ANSI в 1986 году. Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI - SCSI Device - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства - target controller, с помощью которого оно подключается к шине SCSI. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним.
По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с.
Спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса. Комбинации тактовой частоты и разрядности обеспечивают широкий диапазон пропускной способности, достигающей 40 Мбайт/с для реальной версии Ultra Wide SCSI-2.
Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, которая включает набор базовых команд для всех периферийных устройств, и специфических команд для периферии различных классов.
Спецификация - SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса.
Современные устройства с интерфейсом SCSI выпускаются в соответствии со стандартом SCSI-2 или SCSI-3. Стандарт SCSI-3 предполагает различные варианты протокольного и физического уровня интерфейса, включающие как параллельные, так и последовательные шины.
Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач за секунду - MT/sec (Mega Transfer/sec) и разрядностью.
Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 5.2.
Таблица 5.2 - Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI
Последовательный интерфейс FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как Fibre Channel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Двухпортовые устройства могут достигать пиковой скорости обмена до 200 Мбайт/с.
Физический интерфейс.
Физически 8-битный интерфейс SCSI представляет собой шину, состоящую из 25 сигнальных цепей. Для обеспечения помехозащищенности каждая сигнальная цепь имеет свой отдельный обратный провод. Каждое устройство SCSI, подключенное к шине, должно иметь свой уникальный адрес, назначаемый при конфигурировании. Для 8-битной шины диапазон значений адреса 0-7, для 16-битной - 0-15. Адрес задается предварительной установкой переключателей или джамперов, для хост-адаптера возможно и программное конфигурирование. Дополнительная информация представлена в приложении Ж.
Интерфейс HyperTransport
Высокоскоростная шина ввода-вывода HyperTransport (HT) предназначена для использования в компьютерных системах, прежде всего в качестве внутренней локальной шины. В сравнении с шиной PCI интерфейс HyperTransport позволяет снизить число проводников на системной плате, устранить задержки, связанные с монополизацией шины устройствами с низкой производительностью, уменьшить энергопотребление и повысить пропускную способность.
Шина HyperTransport организована на различных уровнях:
На физическом уровне шина представлена линиями данных,
управления, тактовыми, а также контроллерами и стандартными электрическими сигналами;
На уровне передачи данных определяется порядок инициализации и конфигурирования устройств, установления и прекращения сеанса связи, циклического контроля адекватности данных, выделения пакетов для передачи данных;
На уровне протокола определены команды выделения виртуальных каналов связи, правила управления потоком данных;
На уровне транзакций команды протокола конкретизированы в управляющие сигналы, например чтения или записи;
На уровне сессии определены правила управления энергопотреблением и прочие команды общего характера.
Физические устройства в рамках интерфейса HyperTransport подразделяются на несколько типов:
Cave («пещера») - оконечное устройство на двунаправленном канале связи;
Tunnel («туннель») - устройство на двунаправленном канале связи, установленное «на проходе» (но не мост);
Bridge («мост») - устройство на двунаправленных каналах связи, один из которых считается главным и связывает устройство с контроллером шины (Host), а другие соединяют с прочими устройствами.
Топологию совокупности устройств на шине HyperTransport можно построить в виде цепочки или дерева. Фирма AMD предлагает сторонним производителям готовые схемы с поддержкой шины Hyper Transport: туннель «HT - AGP» (AMD-8151), хаб каналов ввода-вывода (AMD-8111) и туннель «HT - PCI-X» (AMD-8131). Таким образом обеспечивается совместимость с прочими, в том числе морально устаревшими, интерфейсами и плавный переход на новую шину. Что касается схемотехнической организации шины HyperTransport, то надо отметить ее масштабируемость в зависимости от решаемых задач. В минимальной конфигурации (ширина канала 2 бит, на каждый бит требуется две физические линии) потребуется 24 контакта (8 для данных + 4 для тактовых сигналов + 4 для линий управления + 2 сигнальных + 4 заземления + 1 питания + 1 сброса), в максимальной конфигурации (ширина канала 32 бит) речь идет уже о 197 выводах. Для сравнения укажем, что спецификация PCI 2.1 предусматривает 84 вывода, a PCI-X - 150 выводов.
Физически технология HyperTransport основыванется на улучшенной версии низковольтных дифференциальных сигналов (Low Voltage Differential Signaling, LVDS ). Для всех линий (данных, управления, тактовых) используются шины с дифференциальным сопротивлением 100 Ом. Уровень сигнала составляет 1,2 В (в отличие от 2,5 В, установленных спецификацией IEEE LVDS). Благодаря этому длина шины может достигать 24 дюйма (около 61 см) при полосе пропускания на одной линии до 800 Мбит/с. Необходимо заметить, что спецификация HyperTransport предусматривает разделение «восходящих» (Upstream) и «нисходящих» (Downstream) потоков данных (асинхронность). Такой подход обеспечивает возможность существенного увеличения, тактовых частот по сравнению с существующими архитектурами, поскольку каждый сигнал LVDS функционирует в пределах своей физической линии. Кроме того, пакет, объединяющий адреса, команды и данные, всегда кратен 32 бит. Поэтому обеспечивается его безошибочная передача по масштабируемым каналам шириной от 2 до 32 бит. Это позволяет применять единую технологию HyperTransport для соединения потребителей ресурсов шины различной производительности: процессор, оперативная память, видеоконтроллер, низкоскоростные устройства ввода-вывода, используя в каждом случае минимально необходимое число линий. Пиковая пропускная способность соединения Hyper Transport достигает 12,8 Гбайт/с (по 6,4 Гбайт/с на нисходящий и восходящий каналы шириной 32 бит при частоте 800 МГц и передаче данных по фронту и спаду сигнала). Для сравнения укажем, что пиковая пропускная способность системной шины (200 МГц) процессора AMD Athlon составляет 2,128 Гбайт/с. Важной особенностью технологии HyperTransport является совместимость с устройствами PCI на уровне протоколов.
Интерфейс USB
Шина USB (Universal Serial Bus– универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры персональных компьютеров (РС), ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.
Архитектура USB определяется критериями:
– легко реализуемое расширение периферии РС;
– дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.0) и до 480 Мбит/с (версия 2.0);
– полная поддержка в реальном времени передачи аудио- и видеоданных;
– гибкость протокола смешанной передачи, изохронных данных и асинхронных сообщений;
– интеграция с выпускаемыми устройствами;
– доступность в РС всех конфигураций и размеров;
– создание новых классов устройств, расширяющих РС;
– простота кабельной системы и подключений;
– скрытие подробностей подключения от конечного пользователя;
– самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование;
– возможность динамического подключения ПУ и конфигурирования.
С середины 1996 года выпускаются РС со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом.
Таблица 5.3 - Схема цоколевки
Таблица 5.4 - Названия и функциональные назначения выводов
Рисунок 5.4 - Топология шины USB
В вершине этой пирамиды, в корневом узле, находится хост-устройство , а все остальные узлы являются функциональными устройствами (функциями ) или соединителями (хабами ).
Система USB состоит из трех основных частей:
– USB хост-устройство;
– USB разветвитель (хаб);
– USB устройство (функция).
USB хост-устройство (устройство – хозяин интерфейса) – это главное устройство в любой USB системе, которое организует все передачи данных и команд по шине интерфейса .
Интерфейс USB в компьютерной системе множественного доступа реализуется хост-контроллером, который является комбинацией аппаратных средств и программного обеспечения.
Хост-контроллер находится в корневом узле главной системы (на материнской плате) компьютера, и обеспечивает, как правило, две точки присоединения.
Основные функции хост-контроллера:
– определение подключения и удаления USB устройств;
– управление потоком команд между корневым узлом и USB устройством;
Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в таблице 10.1.
Характеристики стандартных шин.
| Тип/назначение | Разрядность | Тактовая частота (МГц) | Пропускная способность (Мб/с) |
| ISA/общая | |||
| EISA/общая | |||
| VLB (VESA) | |||
| VLB2/локальная | |||
| PCI/ввод/вывод | 33, 66 | 120, 133 | |
| SBUS/ввод/вывод | 32, 64 | 20, 25 | 80, 100 |
| MBUS/процессор-память | 125 (400) | ||
| XDBUS/процессор-память | 310 (400) | ||
| AGP/локальная графическая | |||
| PCI-X |
Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в ПК IBM PC/AT на базе процессора 12826. Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. В современных компьютерах используется как шина ввода/вывода для организации связи с медленно действующими периферийными устройствами. С появлением процессоров i386, i486 системная шина ISA стала "узким местом" ПК на их основе.
Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), разработанная в 1988 году, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.
Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.
Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/сек.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте использовалась как локальная шина и предназначалась для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI относится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через так называемую РС1-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различных платформ и поколений.
Шина VME приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько версий этого стандарта: VME32, VME64.
В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров архитектуры SPARC одновременно используются несколько типов шин: Sbus, Mbus иXDBus , причем шина Sbus применяется в качестве шины ввода/вывода, a Mbus и XDBus - в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.
Локальная шина AGP (Accelerated Graphics Port) первоначально предназначалась исключительно для графики и была способна повысить производительность видео-приложений. Для использования технологии AGP необходим набор микросхем Intel 440LX, который позволяет разгрузить сравнительно "узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и подключить последний к специально предназначенной для него более "широкой" (528 Мб/с) шине AGP. На долю же PCI остаются более медленные устройства, функционирование которых существенно улучшается благодаря отключению от шины более быстродействующих устройств, то и дело создающих "пробки" в стремительном потоке данных. Набор 440LX не только имеет поддержку AGP, но и допускает использование в машинах на базе Pentium II быстродействующей памяти SDRAM, которая обеспечивает более высокую производительность, чем ОЗУ типа EDO DRAM, применяемое в машинах Pentium II со старым набором микросхем.
PCI-X - расширение шины PCI, которая работает на тактовой частоте 133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной совместимостью с PCI, требует нового набора микросхем Intel 450 NX, кроме того, благодаря новой схеме обмена регистр-регистр достигается пропускная способность 1,06 Гб/с (8 Гбит/с), что обеспечивает почти шестикратный выигрыш в производительности. В первую очередь PCI-X предназначена для подключения высокопроизводительных адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и Fibre Channel (FC-AL).
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 (к примеру 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 ʼʼзадумыватьсяʼʼ. 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 базовых 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 в связи с этим 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 - бывают 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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, загрузка шины процессора существенно снижается. К примеру, 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 базе 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 данном 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.
Размещено на реф.рф
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
Локальные шины - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Локальные шины" 2017, 2018.
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.
VLB (VESA Local Bus - локальная шина стандарта VESA) - 32-разрядное дополнение к шине ISA. Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116-контактный, как у MCA) при разъеме ISA. Разрядность - 32/32, тактовая частота - 25..50 МГц, предельная скорость обмена - 130 Мб/с. Электрически выполнена в виде расширения локальной шины процессора - большинство входных и выходных сигналов процессора передаются непосредственно VLB-платам без промежуточной буферизации. Из-за этого возрастает нагрузка на выходные каскады процессора, ухудшается качество сигналов на локальной шине и снижается надежность обмена по ней. Поэтому VLB имеет жесткое ограничение на количество устанавливаемых устройств: при 33 МГц - три, 40 МГц - два, и при 50 МГц - одно, причем желательно - интегриpованное в системную плату.
Слоты VLB на материнской карте
Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видео оборудования - Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Много было позаимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработанны только новый протокол обработки сигналов и топология разьемов. Достоинствами VLB является высокая скорость обмена информации (шина может работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость от частоты работы процессора (конструирование плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат. Кроме того, VLB не рассчитана на использование с процессорами, пришедшим на замену 486-му или параллельно существующими с ними: Alpha, PowerPC и др. Поэтому с середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).
