Что такое внутренние шины расширения

Основные шины компьютера

Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.

Что такое шина компьютера

По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

4734157 f520

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Шина MCA

rId7

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

13171568 f520

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

rId8

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

13171600 f520

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

ecs2

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

350173435

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

13171590 f520

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Читайте также:  Чем мажут шины чтобы они блестели

Шина USB

USBKill Shuts Down Computer When USB Port Activity Changes 480235 2

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели основные шины компьютера, историю их развития, назначение шин компьютера, их типы и виды. Надеюсь эта статья была для вас полезной и вы узнали много нового.

На завершение небольшое видео про шины и интерфейсы компьютера:

Источник

Учебно-методический комплекс

По предмету «Архитектура аппаратных средств»

4. Основные шины расширения

Основные шины расширения.

Важнейшей характеристикой шины является ее разрядность, которая определяет количество данных, передаваемых по шине одновременно (за один такт). Понятно, что чем больше разрядность шины, тем больше ее производительность, хотя, правда, это и не всегда так, так как количество передаваемой в секунду информации зависит еще и от собственно ее частоты. По назначению шины можно разделить на три категории:

По этой шине происходит обмен данными между процессором, картами расширения и памятью. Особую роль здесь играет так называемый DMA-контроллер (DirectMemoyAccess), через который происходит управление транспортировкой данных, минуя процессор. Такой способ хорош тем, что освобождает ресурсы CPU для других нужд. Разрядность шины данных может составлять 8 бит, 16 бит, 32 бит и так далее.

Данные, которые в большом количестве кочуют по шине через материнскую плату, должны, в конце концов, сделать где-нибудь помежкточную остановку. Местом для этой остановки являются отдельные ячейки памяти. Каждая ячейка должна иметь свой адрес. Следовательно, объем памяти, который может адресовать процессор, зависит от разрядности адресной шины. Его можно вычислить по формуле:

Процессор 8088, например, имел в своем распоряжении 20 адресных линий и, таким образом, мог адресовать всего 1 Mb памяти (220=1048576). В компьютерах на базе процессора 80286 адресная шина была уже 24-разрядной, а процессоры 80486 имеют уже 32-разрядную шину, которая позволяет адресовать 4 им гигабайта памяти.

Конечно же, незачем просто транспортировать данные по шине и располагать их в памяти, если непонятно, куда их нужно переслать и какое устройство в них нуждается. Разрешение этой проблемы на себя шина контроллера, называемая также системной шиной, или шиной управления.

В качестве конечных пунктов системной шины можно рассматривать слоты расширения, интегрированные на материнскую плату контроллеры и прочее. Все эти устройства соединены между собой шиной управления. Логично предположить, что от ее производительности во многом зависит производительность всей системы, и чем больше тактовая частота и разрядность этой шины, тем лучше. Внешний вид слотов расширения, которые установлены на материнской плате, зависит именно от типа шины управления. Понятно, что, например, разъемы 32-разрядной системной шины будут отличаться от разъемов 16-разрядной шины.

Шина ISA была первой стандартизированной системной шиной (ISA означает IndustryStandartArchitecture) и долгие годы являлась стандартом в области РС. И даже сегодня разъемы этой шины можно встретить на некоторых системных платах.

Дальнейшим развитием ISA стала 16-разрядная шина, также иногда называемая AT-Bus, которая впервые начала использоваться в 1984 году. Если вы посмотрите на ее слоты (извините, пожалуйста, за плохое качество рисунка), то увидите, что они состоят из двух частей, из которых одна (большая) полностью копирует 8-разрядный слот. Дополнительная же часть содержит 36 контактов (дополнительные 8 линий данных, 4 линии адреса и 5 линий IRQ плюс контакт для нового сигнала SBHE). На этом основании короткие 8-разрядные платы можно устанавливать в разъемы новой шины (сделать это наоборот, конечно же, невозможно).

Передача байта данных по шине ISA происходит следующим образом: сначала на адресной шине выставляется адрес ячейки RAM или порта устройства ввода/вывода, куда следует передать байт, затем на линии данных выставляется байт данных. Производится задержка тактами ожидания и подается сигнал на передачу байта (строб записи), причем неизвестно, успели записаться данные или нет. Поэтому тактова частота шины выбрана 8.33 MHz, чтобы даже самые медленные устройства гарантированно могли произвести по шине обмен даными (командами). Пропускная способность при этом составила 5.3 Mb/s.

В 1987 году компания IBM прекратила выпуск серии РС/АТ и начала производство линии PS/2. Одним из главных отличий нового поколения персональных компьютеров была новая системная шина MCA (MicroChannelArchitecture). Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA, но зато содержала ряд передовых для своего времени решений:

Читайте также:  Шаровая опора рено меган 2 какую выбрать

· 8/16/32-разрядная передача данных

· Пропускная способность составила 20 Mb/s при частоте 10 MHz и максимальной пропускной способности 160 Mb/s (!), то есть больше, чем у 32-разрядной PCI

· Регенерация системной памяти

· Прямой доступ к памяти (DMA)

· Создание нового поколения процессоров типа Intel 80486, работающих на внешних частотах до 66 MHz

· Увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров

· Разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA), что привело к нехватке пропускной способности имеющихся шин (MCA, как уже говорилось, не в счет)

Выход из создавшегося положения следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш.

Разработчики шины поставили своей целью создать принципиально новый интерфейс, который бы не являлся усовершенствованиями других технологий (как, например EISA), не зависел от платформы (то есть мог работать с будущими поколениями процессоров), имел высокую производительность и был дешев в производстве. Благодаря отказу от использования шины процессора шина PCI оказалась не только процессоронезависимой, но и могла работать самостоятельно, не обращаясь к последней с запросами. Например, процессор может работать с памятью, в то время как по шине PCI передаются данные. Основополагающим принципом шины PCI является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь шины с другими компонентами системы (например, PCI to ISA Bridge). Другой особенностью является реализация так называемых принципов BusMaster и BusSlave. Например, карта PCI-Masterможет как считывать данные из оперативной памяти, так и записывать их туда без обращения к процессору. Карта PCI-Slave (например, графический контроллер) может только считывать данные.

Особенности шины PCI:

· Синхронный 32-х или 64-х разряд ный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров IntelXeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям

· Шина поддерживает метод передачи данных, называемый linearburst (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) одним куском, то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов

· В шине PCI используется совершенно отличный от ISA способ передачи данных. Этот способ, называемый способом рукопожатия (handshake), заключается в том, что в системе определяется два устройства: передающее (Iniciator) и приемное (Target). Когда передающее устройство готово к передаче, оно выставляет данные на линии данных и сопровождает их соответствующим сигналом (IniciatorReady), при этом приемное устройство записывает их (данные) в свои регистры и подает сигнал TargetReady, подтверждая запись данных и готовность к приему следующих. Установка всех сигналов производится строго в соответствии с тактовыми импульсами шины

· Относительная независимость отдельных компонентов системы. В соответствии с концепцией PCI передачей пакета данных управляет не CPU, а мост, включенный между ним и шиной PCI (HostBridgeCashe/DRAM Controller). Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит обмен данными с RAM. То же происходит и при обмене данными между двумя другими компонентами системы

Источник

Современные внутренние шины – смена приоритетов!

Среди наиболее динамично развивающихся областей компьютерной техники стоит отметить сферу технологий передачи данных: в отличие от сферы вычислений, где наблюдается продолжительное и устойчивое развитие параллельных архитектур, в «шинной» 1 сфере, как среди внутренних, так и среди периферийных шин, наблюдается тенденция перехода от синхронных параллельных шин к высокочастотным последовательным. (Заметьте, «последовательные» – не обязательно значит «однобитные», здесь возможны и 2, и 8, и 32 бит ширины при сохранении присущей последовательным шинам пакетной передачи данных, то есть в пакете импульсов данные, адрес, CRC и другая служебная информация разделены на логическом уровне 2 ).

1 Компьютерная шина (магистраль передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера) – совокупность сигнальных линий, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определённые электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя, интерфейсная).

Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также могут использовать мультиплексирование (передачу адреса и данных по одним и тем же линиям) и различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

2 Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует её разрядности – количеству сигнальных линий, или, другими словами, количеству одновременно передаваемых («выставляемых на шину») битов информации. Сигналом для старта и завершения цикла приёма/передачи данных служит внешний синхросигнал. В последовательных же каналах передачи используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п. Но в свете последних достижений в «железной» сфере компьютерной индустрии малое количество сигнальных линий и логически более сложный механизм передачи данных последовательных шин оборачиваются для них существенным преимуществом – возможностью практически безболезненного наращивания рабочих частот в таких пределах, каких никогда не достичь громоздким параллельным шинам с их высокочастотными проблемами ожидания доставки каждого бита к месту назначения. Проблема в том, что каждая линия такой шины имеет свою длину, свою паразитную ёмкость и индуктивность и, соответственно, своё время прохождения сигнала от источника к приёмнику, который вынужден выжидать дополнительное время для гарантии получения данных по всем линиям. Так, к примеру, каждый байт, передаваемый через линк шины PCIExpress, для увеличения помехозащищённости «раздувается» до 10 бит, что, однако, не мешает шине передавать до 0,25 ГБ за секунду по одной паре проводов. Да, ширина последовательной шины на самом деле является количеством одновременно задействованных отдельных последовательных каналов передачи.

Читайте также:  Типовые параметры эбу шевроле ланос

Все эти нововведения и смена приоритетов преследуют в конечном итоге одну цель – повышение суммарного быстродействия системы, ибо не все существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться. Несоответствие пропускной способности шин потребностям обслуживаемых ими устройств приводит к эффекту «бутылочного горлышка» и препятствует росту быстродействия даже при дальнейшем увеличении производительности вычислительных компонентов – процессора, оперативной памяти, видеосистемы и так далее.

Процессорная шина

3 Кстати, именно результирующей «учетверённой» частотой передачи данных (как и в случае с «удвоенной» передачей DDR-шины, где данные передаются дважды за такт) хвастаются производители и продавцы, умалчивая тот факт, что для многочисленных мелких запросов, где данные в большинстве своём умещаются в одну 64-байтную порцию (и, соответственно, не используются возможности DDR или QDR/QPB), на чтение/запись важнее именно частота тактирования.

В архитектуре же AMD64 (и её микроархитектуре K8), используемой компанией AMD в своих процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применён революционно новый подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь имеет место наличие в самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна (или две – в случае двухканального контроллера памяти) шина служит для непосредственной связи процессора с памятью, а вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы является уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти, ведь из пути следования данных по маршруту «процессор – ОЗУ» (и обратно) исключаются такие весьма загруженные элементы, как интерфейсная шина и контроллер северного моста.

Различия реализации классической архитектуры и АМD-K8

Различия реализации классической архитектуры и АМD-K8

Ещё одним довольно заметным отличием архитектуры К8 является отказ от асинхронности, то есть обеспечение синхронной работы процессорного ядра, ОЗУ и шины HyperTransport, частоты которых привязаны к «шине» тактового генератора (НТТ), которая в этом случае является опорной. Таким образом, для процессора архитектуры К8 частоты ядра и шины HyperTransport задаются множителями по отношению к НТТ, а частота шины памяти выставляется делителем от частоты ядра процессора 4

4 Пример: для системы на базе процессора Athlon 64-3000+ (1,8 ГГц) с установленной памятью DDR-333 стандартная частота ядра (1,8 ГГц) достигается умножением на 9 частоты НТТ, равной 200 МГц, стандартная частота шины HyperTransport (1 ГГц) – умножением НТТ на 5, а частота шины памяти (166 МГц) – делением частоты ядра на 11.

В классической же схеме с шиной FSB и контроллером памяти, вынесенным в северный мост, возможна (и используется) асинхронность шин FSB и ОЗУ, а опорной частотой для процессора выступает частота тактирования 5 (а не передачи данных) шины FSB, частота же тактирования шины памяти может задаваться отдельно. Из наиболее свежих чипсетов возможностью раздельного задания частот FSB и памяти обладает NVIDIA nForce 680i SLI, что делает его отличным выбором для тонкой настройки системы (разгона).

5 Пример: процессор Intel Celeron 1,7GHz Willamette с заявленной на коробке частотой шины FSB-QPB 400 МГц, тем не менее, имеет коэффициент умножения 17 (1700=100 * 17), а не 4,5.

HyperTransport

Эмблема HyperTransport Technology Consortium

Эмблема HyperTransport Technology Consortium

HyperTransport – это прежде всего технология, управлением спецификациями и продвижением которой занимается HyperTransport Technology Consortium, куда входят такие компании, как Advanced Micro Devices (AMD), Alliance Semiconductor, Apple Computer, Broadcom Corporation, Cisco Systems, NVIDIA, PMC-Sierra, Sun Microsystems, Transmeta и ещё более 140 малых и больших компаний.

Основные особенности и возможности, предоставляемые технологией HyperTransport

Топология шины HyperTransport

Топология шины HyperTransport

На данный момент консорциумом HyperTransport разработана уже третья версия спецификации, согласно которой шина HyperTransport может работать на частотах до 2,6 ГГц (сравните с шиной PCI и её 33 или 66 МГц). Это позволяет передавать до 5200 миллионов пакетов в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.

Полноразмерная (32-битная) полноскоростная (2,6 ГГц) шина способна обеспечить пропускную способность до 20800 МБ/с (2 * (32/8) * 2600) в каждую сторону, являясь на сегодняшний день самой быстрой шиной среди себе подобных.

Самые известные решения c использованием HyperTransport:

7 Напомним, что к процессору х86-архитектуры нельзя напрямую подключать устройства с шинами PCI, так как этот процессор использует свою специализированную процессорную шину, которая, однако, может быть различной у разных процессоров.

Источник

Оцените статью
Adblock
detector