Шины материнской платы

Шины компьютера предназначены для высокоскоростной параллельной передачи информации, создаются системообразующими интегральными микросхемами материнской платы, реализуются в виде групп параллельно идущих печатных проводников и заканчиваются параллельно включенными разъемами (slots) для установки карт-контроллеров устройств ввода-вывода.

Функционально шина состоит из трех подшин:

· адресная шина;

· шина данных;

· шина управления.

Возможно совмещение адреса и данных на одной подшине и двусторонняя передача информации в режиме полудуплекса (поочередно). По подшине управления передаются сигналы синхронизации, выбора типа операции, выбора направления передачи, запроса на прерывание и его подтверждение, управления режимом прямого доступа и т.д. Конкретный перечень сигналов на шине и все протокольные соглашения (конструктивные, физические, логические) приводятся в спецификации на конкретную шину. Шина обычно безразлична к точке подключения (слоту) контроллера; выделение устройству конкретных системных ресурсов шины (адресов портов устройства, номеров прерываний и прямого доступа и т.д.) производится программно в момент инициализации операционной системы в рамках процедуры Plug&Play.

На сегодняшний день в настольных компьютерах присутствуют следующие типы шин:

· ISA (Industry Standard Architecture) – устаревшая, первая системная шина персонального компьютера, которая давно должна была закончить свое существование, но до сих пор, благодаря огромному количеству самых разнообразных внешних устройств, использующих ее, размещается в виде одного слота на ряде моделей материнских плат;

· PCI (Peripheral Component Interconnect) - разработана фирмой Intel для использования в системах с процессорами типа Pentium и в течение 10 лет является стандартом де-факто среди компьютерных шин общего назначения;

· AGP (Accelerated Graphics Port) - ускоренный графический порт, внедренный фирмой Intel, являющийся расширением шины PCI и призванный увеличить пропускную способность шины, связывающей видеокарту с процессором и памятью;

· FSB – внутренняя системная шина северного моста, связывающая оперативную память с процессором.

ISA

8-битную шину ISA разработала компания IBM в 1981 году для использования в компьютерах серии PC/XT. В 1984 году, при создании архитектуры AT, разрядность этой шины была расширена до 16 бит, и в таком виде она и дожила до нынешних времен, являясь отраслевым стандартом. Шина представляла собой синхронную 16-битную шину с раздельными линиями адреса и данных, работающую на частоте 8,33 МГц, с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания по переднему или заднему фронтам сигнала на линии соответствующего IRQ. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Основной особенностью шины ISA является простота ее реализации и низкая рабочая частота, что позволяет до сих пор использовать ее при создании нестандартных периферийных устройств самого различного назначения. До самого последнего времени шина ISA была единственной, для которой изготовлялись внутренние модемы с аппаратной реализацией управляющих схем, да и многие недорогие SCSI-сканеры комплектовались интерфейсными картами, рассчитанными именно под эту шину. В настоящий момент шина ISA практически закончила существование, передав свои функции более современным шинам: параллельной PCI и последовательной USB.

PCI

Появившаяся в 1992 году шина PCI имела несколько особенностей, позволивших ей за короткое время занять господствующее положение в IBM PC. Главными из них были ее открытая архитектура и независимость от процессорной шины. Шина PCI является синхронной 32-разрядной (кроме этого, существуют ее 64-разрядные версии, которые используются исключительно в дорогих рабочих станциях и серверах) и работает на частоте 33 МГц, обеспечивая пропускную способность (с использованием пакетного режима пересылки данных) 133 Мбайт/с. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI. Важной особенностью шины является реализация принципа Bus-master, что позволяет картам расширения производить обмен данными с памятью без обращения к процессору. Для уменьшения количества проводников в шине PCI используется принцип мультиплексирования данных, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же физическим линиям поочередно. PCI-устройства оборудованы таймером, определяющим максимальный период времени, когда устройство может занимать шину.

Автоконфигурирование устройств PCI (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы в соответствие со стандартом Plug&Play. Действующая в настоящее время спецификация PCI 2.2 обеспечивает поддержку плат расширения с напряжениями питания как 3,3, так и 5 вольт, причем тип платы определяется расположением ключей в разъеме. Если у карты PCI есть две ключевые выемки, то она поддерживает любой из вариантов слота, если же на ней только одна выемка ближе к передней части платы, то эта карта только на 3,3 вольта. При расположении выемки ближе к задней части - карта пятивольтовая.

AGP

В результате широкого распространения 3D-графики и поддерживающих ее видеокарт, нагрузка на шину PCI достигла предельных для нее значений, превратив участок процессор - PCI-видеокарта в очередное "узкое место" системы. Для разрешения возникшей проблемы с наименьшими затратами специалистами Intel была предложена новая спецификация шины, ориентированная исключительно на обмен данными с видеоадаптером: AGP 1.0, являющейся, по сути дела, расширением шины PCI. С целью ускорения обмена данными была устранена мультиплексированность линий адреса и данных, удвоена тактовая частота и реализована (в режиме AGP 2х) схема DDR, когда по шине передается 2 блока данных за один цикл. В результате предельная пропускная способность шины составила 533 Мбайт/с. Но очень скоро и этого стало не хватать, поэтому в новой спецификации AGP 2.0 (режим 4х), благодаря снижению напряжения питания видеокарт с 5 до 3,3 V, а значит, и амплитуды сигналов в шине, появилась возможность осуществлять не 2, а 4 транзакции (пересылки блока данных) за один такт, что удвоило пропускную способность шины, доведя ее до 1066 Мбайт/с. Для автоматического распознавания видеокарт разных спецификаций используются различные конфигурации их разъемов:

Шина AGP имеет два основных режима работы: DIME и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты, используя механизм, аналогичный Bus-master на шине PCI. В режиме DIME (Direct Memory Execute - непосредственное выполнение в памяти, иногда используется другой термин - AGP-текстурирование) локальная и системная память для видеокарты логически равноправны, что позволяет использовать часть системной памяти для хранения текстур. В спецификации AGP 2.0 появилась поддержка нового режима передачи данных Fast Writes. Он позволяет процессору напрямую, не обращаясь к системной памяти, передавать данные ускорителю со скоростью 4х.

Для видеоакселераторов, отличающихся повышенным потреблением электроэнергии, предназначается еще одна разновидность стандарта AGP - AGP Pro, которая отличается лишь наличием в разъеме дополнительных линий питания. Эти контакты расположены в небольшой секции, добавленной к передней части стандартного разъема AGP, и обеспечивают работоспособность видеокарт, потребляющих до 110 Вт.

Следующим этапом было внедрение спецификации AGP версии 3.0, обеспечивающей режим работы AGP 8х. Эта спецификация - последняя, базирующаяся на стандарте шины PCI. Пропускная способность шины AGP 8х - 2133 Мбайт/с.

Современные видеопроцессоры берут на себя все большую часть вычислений, необходимых для формирования сложных объемных изображений, да и объем локальной памяти на видеокартах неуклонно растет, что ведет к уменьшению потока данных от процессора к видеокарте.

FSB

FSB – высокоскоростная параллельная 64-разрядная шина северного моста для связи с оперативной памятью. Использование технологии Quad Pumped Bus (четыре транзакции за цикл) позволяет при частоте шины 200 МГц поддерживать передачу данных с частотой 800 МГц. При этом, с учетом разрядности шины, обеспечивается поток данных 3.6 Гбайт/с. Особенностью шины является реализация режима двухканального обмена с двумя модулями оперативной памяти одновременно.

Перспективные шины

Шина PCI – основная системная шина IBM PC - становится узким местом при передаче данных между системными компонентами, и именно ее пропускная способность может существенно ограничить производительность перспективных компьютеров. Поэтому в настоящее время создаются несколько новых стандартов системных шин конкурентами - Intel и AMD, каждый их которых создает свой собственных проект перспективной системной шины. Эти технологии, Arapahoe и HyperTransport, призваны заменить системную шину PC, определив архитектурный облик компьютеров будущих поколений. Обе фирмы образовали свои "группы поддержки". Первую, под названием HyperTransport Technology Consortium (HTTC), возглавляет AMD. Эта группа продвигает на рынок одноименный стандарт под названием HyperTransport. Вторая группа, возглавляемая Intel, имеет название Arapahoe Working Group, и стандарт называется, соответственно, Arapahoe.

Шина Arapahoe, на начальной стадии разработки известная как 3GIO (3D Generation Input/Output), должна обеспечить высокоскоростное соединение между компонентами компьютера, а также между компьютером и другими устройствами. Разработчики обещают совместимость с существующими шинами, такими как InfiniBand, IEEE 1394b (FireWire), USB 2.0, Serial ATA и 1/10 Ethernet. Шина Arapahoe представляет собой симметричную двунаправленную шину, обеспечивающую передачу данных по одной линии со скоростью вплоть до 2.5 Гбит/с. В отличие от PCI, шина Arapahoe будет достаточно гибкой с точки зрения обеспечения максимальной пропускной способности, определяемой количеством используемых линий приема/передачи данных, задействованных разработчиком системы в зависимости от его потребностей в каждом конкретном случае. Например, в случае реализации 32 линий интерфейса пропускная способность шины составит величину порядка 10 Гбайт/с, что почти в 20 раз больше скорости работы 32-битной 33-мегагерцовой шины PCI. Как и шина PCI, Arapahoe использует технологию подключения периферийных устройств с помощью моста, но дополненную переключателями оконечных точек, позволяющими направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя сам мост, то есть позволяя осуществить подключение по схеме "peer-to-peer". Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных. Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и QDR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.

Так же как и Arapahoe, системная шина HyperTransport, ранее известная как LDT (Lightning Data Transport) - это peer-to-peer шина, позволяющая обмениваться информацией между периферийными устройствами, не задействуя процессор и память. Протокол новой шины использует пакетированную передачу данных, когда за передачу данных между устройствами отвечает контроллер шины. Обе конкурирующие технологии, и Arapahoe, и HyperTransport, имеют много общего, но в отличие от симметричной Arapahoe, пропускная способность которой одинакова во всех направлениях, асимметричная шина HyperTransport позволяет подключенным устройствам обмениваться пакетами информации, пропускаемыми в разных направлениях с разной скоростью. Такое решение способствует максимальному использованию возможностей системы в тех случаях, когда информационные потоки в разных направлениях имеют сильно отличающуюся интенсивность, например в устройствах вывода видеоинформации. Шина позволяет передавать данные с частотой в 800 МГц по переднему и заднему фронтам тактового импульса, так что суммарная скорость работы шины получается около 12.8 Гбайт/с при передаче 16-разрядного слова за один такт.

Практическим результатом работы над новой системной шиной для материнских плат на чипсетах фирмы Intel стало постепенное внедрение шины PCI Express. Особенностью шины является гибкость спецификации, которая в настоящее время позволяет устанавливать на материнскую плату слоты шины с разными скоростными параметрами, ориентированными на соответствующий класс устройств ввода-вывода: от шины с однократной скоростью PCI Express х1 (500 Мбайт/с) до PCI Express х16 (8 Гбайт/с). Последний вариант шины реализует двухканальный обмен с видеокартами нового поколения и заменяет стандартную видеошину AGP 8x.

Порты IBM PC

За относительно короткий, но бурный период расцвета IBM-совместимых персональных компьютеров было создано множество самых разнообразных устройств, значительно расширяющих изначальные возможности базовых систем. Но, вместе с тем, избежать взаимной несовместимости различных устройств, произведенных в различное время и в различных странах многочисленными компаниями, позволило использование в любых компьютерных устройствах ряда стандартных интерфейсов.

Порты являются развитием шинной архитектуры материнской платы, включают в себя интегрированные контроллеры определенного класса устройств ввода-вывода и заканчиваются соответствующим стандартным разъемом для подключения внешнего устройства, способного работать в этом стандарте. В соответствии с названием порту выделяются конкретные системные ресурсы (диапазон адресации регистров порта, ресурсы прерываний и прямого доступа к памяти).

Обычно разъемы интерфейсов для подключения внешних устройств располагаются на обратной стороне корпуса ПК, причем на системных платах стандарта АТХ большинство внешних портов распаяно непосредственно на плате.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: