Шины персонального компьютера

Содержание



Введение										 3

Шина ISA										 3

Шина EISA										 4

Шина MCA										 5

Локальная шина VLB								 6

Шина PCI										 7

Шина SCSI										 8

Шины блокнотных компьютеров							12

Accelerated Graphics Port (AGP)							12

Заключение										14

Литература										14




Введение

Шина – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий, вытравленных на печатной плате, провода припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Компоненты компьютерной системы физически расположены на одной или нескольких печатных платах, причем их число и функции зависят от конфигурации системы, её изготовителя, а часто и от поколения микропроцессора. Основными характеристиками шин являются разрядность передаваемых данных и скорость передачи данных.

Наибольший интерес вызывают два типа шин – системный и локальный.

Системная шина предназначена для обеспечения передачи данных между периферийными устройствами и центральным процессором, а также оперативной памятью.

Локальной шиной, как правило, называется шина, непосредственно подключенная к контактам микропроцессора, т.е. шина процессора.

Существует несколько стандартов организации системной шины для ПК.



1. Шина ISA

Шина ISA (Industry Standart Architecture) – шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. В PC моделей XT применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса – 20 бит. В моделях AT шина была расширена до 16 бит данных и 24 бита адреса, какой она остается до сих пор. Конструктивно шина выполнена в виде двух слотов. Подмножество ISA-8 использует только первый 62-контактный слот, в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот. Тактовая частота – 8 МГц. Скорость передачи данных до 16 Мбайт\с. Обладает хорошей помехоустойчивостью.

	Шина обеспечивает своим абонентам возможность отображения 8- или 16-битных регистров на пространство ввода-вывода и памяти. Диапазон доступных адресов памяти ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти), но для шины ISA-16 специальными опциями BIOS Setup может быть разрешено и пространство в области между15-м и 16-м мегабайтом памяти (правда при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под устройства систнемной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса A[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине и старых 10-битных адаптеров, которые "отзовутся" на адрес с подходящими ему битами A[9:0] во всей допустимой области четыре раза.

	В распоряжении абонентов шины ISA-8 может быть до 6 линий запросов прерываний IRQ (Interrupt Request), для ISA-16 их число достигает 11. Заметим, что при конфигурировании BIOS Setup часть из этих запросов могут отобрать устройства системной платы или шина PCI.

	Абоненты шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти), а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управления шиной устройством Bus-Master. При этом канал DMA используется для обеспечения арбитража управления шиной, а адаптер Bus-Master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая "отдать" управление шиной процессору не более, чем через 15 микросекунд (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

	Все перечисленные ресурсы системной шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Бесконфликтность подразумевает следующее:

			Каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA. Области адресов для чтения не должны пересекаться. "Подсматривать" не ему адресованные операции записи не возбраняется. 

			Назначенную линию запроса прерывания IRQx абонент должен держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов абонент управлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и в жертву совместимости старательно тиражируется уже много лет. 

Задача распределения ресурсов в старых адаптерах решалась с помощью джамперов, затем появились программно-конфигурируемые устройства, которые практически вытеснены автоматически конфигурируемыми платами PnP. 

Для шин ISA ряд фирм выпускает карты-прототипы (Protitype Card), представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи - буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальное поле платы представляет собой "слепыш", на котором разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для макетной проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме шины EISA. 



2. Шина EISA

С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других фирм, была создана 32-разрядная шина EISA, полностью совместимая с ISA.

Шина EISA (Extended ISA) - жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA-адаптеров. Узкие дополнительные контакты расширения расположены между ламелями разъема ISA и ниже таким образом, что адаптер ISA, не имеющий дополнительных ключевых прорезей в краевом разъеме, не достает до них. Установка карт EISA в слоты ISA недопустима, поскольку ее специфические цепи попадут на контакты цепей ISA, в результате чего системная плата окажется неработоспособной. 

Расширение шины касается не только увеличения разрядности данных и адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. В обычном (не пакетном) режиме передачи за каждую пару тактов может быть передано до 32 бит данных (один такт на фазу адреса, один - на фазу данных). Максимальную производительность шины реализует пакетный режим (Burst Mode) – скоростной режим пересылки пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета. Внутри пакета очередные данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета может достигать 1024 байт. Шина предусматривает и более производительные режимы DMA, при которых скорость обмена может достигать 33 Мбайт/с. Линии запросов прерываний допускают разделяемое использование, причем сохраняется и совместимость с ISA-картами: каждая линия запроса может программироваться на чувствительность как по перепаду, как в ISA, так и по низкому уровню. Шина допускает потребление каждой картой расширения мощности до 45 Вт, но полную мощность, как правило не потребляет ни один адаптер. 

Каждый слот (максимум - 8) и системная плата могут иметь селективное разрешение адресации ввода-вывода и отдельные линии запроса и подтверждения управления шиной. Арбитраж запросов выполняет устройство ISP (Integrated System Peripheral). Обязательной принадлежностью системной платы с шиной EISA является энергонезависимая память конфигурации NVRAM, в которой хранится информация об устройствах EISA для каждого слота. Формат записей стандартизован, для модификации конфигурационной информации применяется специальная утилита ECU (EISA Configuration Utility). Архитектура позволяет при использовании программно-конфигурируемых адаптеров автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем, но в отличие от спецификации PnP, EISA не допускает динамического реконфигурирования. Все изменения конфигурации возможны только в режиме конфигурирования, после выхода из которого необходима перезагрузка компьютера. Изолированный доступ к портам ввода-вывода каждой карты во время конфигурирования обеспечивает просто: сигнал AEN, разрешающий декодирования адреса в цикле ввода-вывода, на каждый слот приходит по отдельной линии AENx, в это время программно-управляемой. Таким образом можно по отдельности обращаться и к обычным картам ISA, но из это бесполезно, поскольку карты ISA не поддерживают обмена конфигурационной информацией, предусмотренного шиной EISA. На некоторых идеях конфигурирования EISA выросла спецификация PnP для шины ISA (формат конфигурационных записей ESCD во многом напоминает NVRAM EISA).

EISA - дорогая, но оправдывающая себя архитектура, применяющаяся в многозадачных системах, на файл-серверах и везде, где требуется высокоэффективное расширение шины ввода-вывода.



3. Шина MCA

Шина MCA (MicroChannel Architecture) - микроканальная архитектура - была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50 в 1987 году. Обеспечивает быстрый обмен данными между отдельными устройствами, в частности с оперативной памятью. Шина MCA абсолютно несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами. Состав управляющих сигналов, протокол и архитектура ориентированы на асинхронное функционирование шины и процессора, что снимает проблемы согласования скоростей процессора и периферийных устройств. Адаптеры MCA широко используют Bus-Mastering, все запросы идут через устройство CACP (Central Arbitration Control Point). Архитектура позволяет эффективно и автоматически конфигурировать все устройства программным путем (в MCA PS/2 нет ни одного переключателя).

При всей прогрессивности архитектуры (относительно ISA) шина MCA не пользуется популярностью из-за узости круга производителей MCA-устройств и полной их несовместимости с массовыми ISA-системами. Однако MCA еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обеспечение высоконадежного производительного ввода-вывода.





4. 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.





5. Шина PCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) - шина соединения периферийных компонентов. Была анонсирована компанией Intel в июне 1992 года на выставке PC Expo.

Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре (mezzanine bus), являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Эта шина разрабатывалась в расчете на Pentium-системы, но хорошо сочетается и с 486 процессорами, а также с не-Intel'овскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. PCI – мультиплексная 32-разрядная шина. Существует также 64-разрядная версия. Частота шины 20-33 МГц. Стандарт PCI 2.1 допускает и частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость 132/264 Mбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц, и 528 Мбайт/с при 66 МГц. Слот PCI достаточен для подключения адаптера (в отличие от VLB), на системной плате он может сосуществовать с любой из шин ввода-вывода и даже с VLB (хотя в этом и нет необходимости).

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge - одноранговый мост - используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах - дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию Plug and Play. 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.

В состав шины PCI введены сигналы для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG. На системной плате эти сигналы не всегда задействованы, но могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете неопределенно, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течении которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, значение для которого задается при конфигурировании устройств шины.

В каждом обмене участвуют два устройства - инициатор обмена (Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел, входящий в состав чипсета системной платы. Для согласования быстродействия устройств-участников обмена предусмотрены два сигнала готовности IRDY# и TRDY#. Для адреса и данных на шине используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированных линии C/BE[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных.

Шина имеет версии с питанием 5 В, 3.3 В. Также существует универсальная версия (с переключением линий +V I/O c 5 В на 3.3 В). Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и 50, 51. Для 5 В-слота ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3 В - 12, 13; для универсального - два ключа: 12, 13 и 50, 51. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. 32-битный слот заканчивается контактами A62/B62, 64-битный - A94/B94.

В отличие от адаптеров остальных шин, компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места адаптера с соседним ISA-слотом (Shared slot).

Шина PCI являлась до последнего времени второй (после ISA) по популярности применения. В современных системах происходит отказ от шин ISA, и шина PCI выходит на главные позиции. Некоторые фирмы для этой шины выпускают карты-прототипы, но, конечно же, доукомплектовать их периферийным адаптером или устройством собственной разработки гораздо сложнее, чем карту ISA. Здесь сказываются и более сложные протоколы, и более высокие частоты (8 МГц у шины ISA против 33 или 66 МГц у шины PCI). Также шина PCI обладает плохой помехоустойчивостью, поэтому для построения измерительных систем и промышленных компьютеров используется все еще относительно редко.

На некоторых системных (материнских) платах имеется небольшой разъем, который называется Media Bus. Он расположен позади разъема шины PCI одного из слотов. На этот разъем выводятся сигналы обычной шины ISA, и предназначен он для того, чтобы на графическом адаптере с шиной PCI можно было разместить и недорогой чипсет звуковой карты, предназначенный для шины ISA. Этот разъем, а тем более и такие комбинированные аудио-видео карты, широкого распространения не получили.



6. Шина SCSI

Шина SCSI (Small Computer System Interface - cистемный интерфейс малых компьютеров, произносится "скази") была стандартизована ANSI (American National Standards Institute - Американский институт стандартов) еще 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. С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена, так и целевыми устройствами, однако чаще всего в роли инициатора выступает хост-адаптер. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Широкое распространение получили периферийные устройства со встроенным контроллером SCSI (embeded SCSI controller), к которым, например, относятся накопители на жестких магнитных дисках, CD-ROM, стриммеры.

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. Впоследствии (1991 г.) появилась новая 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, но такие устройства пока не распространены из-за неоправданно высокой стоимости 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, обязательных для всех периферийных устройств, и специфических команд для периферии различных классов. Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств на шине, включая структуры передаваемой информации. Поддержка устройствами возможности исполнения цепочек команд, очередей (до 256 команд) и независимости их работы друг от друга обуславливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) позволяет обеспечить разделяемое использование периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку Plug and Play. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса. Транспортный уровень может использовать различные протоколы с соответствующей поддержкой физических соединений: 

		SIP (SCSI-3 Interlocked Protocol) - протокол обмена традиционного интерфейса, физически реализуемый параллельным интерфейсом SCSI. 

		FCP (Fibre Channel Protocol) - протокол оптоволоконного канала с соответствующим физическим уровнем FC-PH со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с. 

		SBP (Serial Bus Protocol) - протокол последовательной шины, реализуемый интерфейсом 1394 (FireWire). 

		GPP (Generic Packetized Protocol) - обобщенный пакетный протокол, реализуемый любым пакетным интерфейсом. 

		SSP (Serial Storage Protocol) - последовательный протокол памяти. 

Современные устройства с интерфейсом SCSI выпускаются в соответствии со стандартом SCSI-2 или SCSI-3. В отличие от стандарта SCSI-2, который явно подразумевал более высокую производительность шины и устройств, чем SCSI-1, заявка о поддержке устройством стандарта SCSI-3 непосредственно на повышение производительности не указывает. Эта заявка прямо означает лишь соответствие новому поколению документов. Однако всвязи с общей тенденцией к росту производительности устройства SCSI-3 в большинстве случаев показывают более высокую производительность, чем SCSI-2. 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. Название SCSI Fast указывает на частоту передач 10 MT/sec, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Название SCSI Fast-20 указывает на частоту передач 20 MT/sec. Этот режим, более известный как SCSI Ultra, определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. SCSI Fast-40 указывает на частоту передач 40 MT/sec. Этот режим, определенный в SCSI-3 и называемый как Ultra2 SCSI, в настоящее время является самым быстрым для параллельной шины. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса LVD. Для будущих версий стандарта в SCSI-3 заложен режим и SCSI Fast-80, но говорить о его реализации еще преждевременно. Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит в “узкой”(Narrow) версии. "Широкий" (Wide) вариант шины, появившийся с SCSI-2, имеет разрядность 16-бит (32-битные расширения не распространены). Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 1.

Таблица 1. Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI.

*реализации не встречаются

Разрядность шины, бит

Разновидность



Обычный

Fast

Fast-20 (Ultra)

Fast-40 (Ultra2)

8 (Narrow)

5 Мбайт/с

10 Мбайт/с

20 Мбайт/с

40 Мбайт/с

16 (Wide)

10 Мбайт/с

20 Мбайт/с

40 Мбайт/с

80 Мбайт/с

32 (Wide) *

20 Мбайт/с

40 Мбайт/с

80 Мбайт/с

160 Мбайт/с

Интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает прекрасное сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI. Здесь используется дифференциальная передача сигналов, но с низким уровне напряжения. В настоящее время традиционный дифференциальный интерфейс получил название "высоковольтный" - High Voltage Differential (HVD), поскольку в SCSI-3 ему появилась низковольтная альтернатива - Low Voltage Differential (LVD). Низковольтный вариант позволяет достичь частоты передачи 40 MT/sec при длине шины до 25 м (до 8 устройств) или до 12 м (до 16 устройств). Новые устройства с интерфейсом LVD могут иметь возможность работы на шине вместе с устройствами с линейным (Single ended) интерфейсом - для этого их буферные схемы содержат автоматический определитель типа интерфейса. Однако эта совместимость относится только к LVD - традиционные устройства с HVD могут работать только с себе подобными.

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.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства SCSI-2 и SCSI-3, которые в значительной степени сохраняют совместимость и с исходной версией, теперь называемой SCSI-1. Однако смешивать устройства SCSI-1 и SCSI-2 на одной шине не эффективно, да и не всегда возможно из-за некоторых проблем. 

Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью джамперов установить следующие основные параметры: 

Идентификатор устройства - SCSI ID - адрес 0-7 (для Wide-SCSI допустимы адреса 0-15), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается адрес 7 (15 для Wide SCSI). 

Контроль паритета - SCSI Parity. Если хоть одно устройство на шине не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен на всех устройствах данной шины. Контроль паритета, особенно для дисковых устройств, является надежным средством защиты от искажения данных при передаче по шине. 

Включение терминаторов - Termination. В современных устройствах применяются активные терминаторы, которые могут включаться одним джампером или даже программно-управляемым сигналом. Терминаторы должны быть включены только на крайних устройствах в цепочке. Современные хост-адаптеры позволяют автоматически включать свой терминатор, если они являются крайними, и отключать, если используются внутренний и внешний разъем канала. Корректность использования терминаторов имеет существенное значение - отсутствие одного из терминаторов, или, наоборот, лишний терминатор может привести к неустойчивости или потере работоспособности интерфейса. 

Питание терминаторов - Terminator Power. Питание терминаторов джампером или программно должно быть включено хотя бы на одном устройстве, когда используются активные терминаторы (а в современных устройствах они используются всегда). 

Согласование скорости синхронного обмена - SCSI Synchronous Negotiation. Режим синхронного обмена, обеспечивающий высокую производительность, включается по взаимному согласованию устройств. Однако если хоть одно устройство на шине его не поддерживает, согласование необходимо запретить на хост-адаптере. При этом, если обмен будет инициирован синхронным устройством, хост-адаптер поддержит этот режим. 

Старт по команде - Start on Command, или задержанный старт - Delayed Start. При включении этой опции запуск двигателя устройства выполняется только по команде от хост-адаптера, что позволяет снизить пик нагрузки блока питания в момент включения. Хост будет запускать устройства последовательно. 

Разрешение отключения - Enable Disconnection. Выбор этой опции позволяет устройствам отключаться от шины при неготовности данных во время длительных операций с носителем, что весьма эффективно используется в многозадачном режиме при нескольких периферийных устройствах на шине. Однако в случае одного устройства на шине отключение приведет только к дополнительным затратам времени на повторное соединение. 

Хост-адаптер SCSI является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность подсистемы SCSI-устройств. Существует широкий спектр адаптеров, начиная от простейших, к которым можно подключать только устройства, не критичные к производительности. Такие адаптеры иногда входят в комплект поставки сканеров, и подключение к ним диска может оказаться неразрешимой задачей. Высокопроизводительные адаптеры имеют собственный специализированный процессор, большой объем буферной памяти и используют высокоэффективные режимы прямого управления шиной для доступа к памяти компьютера.

Конфигурирование SCSI хост-адаптеров c точки зрения шины SCSI не отличается от конфигурирования других устройств. Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обычно входит в расширение BIOS, установленное на плате адаптера, и приглашение к ее исполнению выводится на экран при инициализации во время POST.

Как и всякая карта расширения, хост-адаптер должен быть сконфигурирован и с точки зрения шины расширения, к которой он подключается. Адаптеры SCSI существуют для всех шин: ISA (8-16 бит), EISA, MCA, PCI, VLB, PCMCIA. Существуют адаптеры для параллельного порта. Многие новые системные платы имеют встроенный SCSI-адаптер.

Все устройства SCSI требуют специальных драйверов. Базовый драйвер дисковых устройств обычно входит в BIOS хост-адаптера. Расширения, например ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), загружаются отдельно. От организации драйверов сильно зависит производительность устройств SCSI. "Умное" ПО способно эффективно загружать работой устройства, а иногда и "срезать углы" - выполнять копирование данных между устройствами без выхода на системную шину компьютера.

Шина SCSI распространена в больших серверных системах, в системах по обработке графических данных и т.п. В настольных системах шина SCSI распространения не получила из-за своей дороговизны.

7. Шины блокнотных компьютеров

Организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association - международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) ввела ряд стандартов на шины расширения блокнотных компьютеров. Первый из них и назывался PCIMCIA, а впоследствии был переименован в стандарт PC Card. Шина PC Card позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стриммеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др. Не очень строгое следование производителей этому стандарту приводит к некоторым проблемам совместимости. Шина адресует до 64 Mбайт памяти, разрядность данных 16 бит, частота до 33 МГц, DMA и Bus-Mastering не поддерживаются. Теоретическая скорость передачи данных до 66 Мбайт/с. Теоретически допускается до 4080 слотов PC Card в PC. Шина ориентирована на программное конфигурирование адаптеров (переключатели на таких маленьких картах не помещаются). Большинство адаптеров выпускается с поддержкой PnP и предусматривают возможность горячего подключения-отключения - интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения PC. Для обеспечения горячего подключения контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, чем обеспечивается их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты (Card Detect) короче остальных. Все устройства имеют свою BIOS-поддержку. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.

Различают несколько типов PC Card. Электрически идентичные, они различаются по габаритам и совместимы снизу вверх (меньшие адаптеры встают в большие гнезда). Адаптер типа 1 имеет размеры 54 x 85 мм и толщину не более 3.3 мм, типа 2 - размеры 48 x 75 мм и толщину 5 мм, тип 3 - размеры 48 x 75 мм и толщину 10.5 мм.

Все устройства PC Card имеют минимальное энергопотребление. Существуют предпосылки для введения этой шины как дополнительной и в настольные PC. Но на данный момент это не реализовано.

Шина CardBus с тем же 68-контактным разъемом обеспечивает расширение разрядности данных до 32 бит за счет мультиплексирования шины адреса и данных, обеспечивая обратную совместимость с PC Card.

Для карт памяти (динамической, статической, постоянной и флэш-памяти) существует стандарт Miniature Card, представляющий подмножество шины PC Card. Миниатюрная карта размером 33 x 38 x 3.5 мм с 60-контактным разъемом через переходный адаптер может устанавливаться и в слот PC Card типа 2.

8. 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.

Заключение

С самого развития и до сих пор шина ввода/вывода является узким местом современных персональных компьютеров, что отрицательно сказывается на общих скоростных характеристиках системы. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность. Но разработки новых стандартов шин продолжаются. Многие фирмы объединяют свои усилия для разработки новых стандартов. 

На примерах существующих стандартов видно, что у каждого стандарта шин есть свои достоинства, но есть и свои недостатки. Одни шины позволяют получать вполне удовлетворительное быстродействие, но очень дороги и сложны в изготовлении, и зачастую затраты не окупаются. Другие дешевы, но очень требовательны к системе в целом.

В данной работе не были упомянуты такие типы системных шин как AHB (Advanced High-perfomance Bus – развитая высокопроизводительная шина), ASB (Advanced System Bus – развитая системная шина), Compact PCI, PXI (PCI eXtension for Instrumentation – расширение PCI для инструментальных систем), Multibus I/II (разработки фирмы Intel, сделанные еще для процессоров 8080 и 8086), FUTUREBUS, STEbus, G-64/G-96 и др., потому что либо они используются в узком кругу систем, либо не получили пока должного распространения.



Литература

Газета "КомпьютерИнфо" (СПб.), 1998/2-6, 19-22

Михаил Гук "Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия", Москва, 1998 год.

Ресурсы сети Internet: www.center.ru, www.ixbt.ru.





2