Шины материнской платы, порты персональных компьютеров

В 1988 консорциумом из девяти производителей компьютеров: (AST Research, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse и Zenith) была обнародована 32-разрядная архитектура системной шины EISA.

В 1993 году компании Intel и Microsoft усовершенствовали шину и разработали ISA PnP (Plug and Play), которая позволяла операционной системе самой определять назначаемое прерывание для устройства.

Интерфейс ISA был основным на устаревших системах типа AT. В новых корпусах форм-фактора ATX, выпускаемых с 1997 года, этот интерфейс обычно отсутствует.

 

 

 

 

 

 

 

2.3.Low Pin Count

Шина Low Pin Count или LPC bus используется в IBM PC-совместимых персональных компьютерах для подключения устройств, не требующих большой пропускной способности к ЦПУ. К таким устройствам относятся загрузочное ПЗУ и контроллеры «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных, такие как последовательный и параллельные интерфейсы, интерфейс подключения манипулятора «мышь» и клавиатуры, дискет, а с недавнего времени и устройств хранения криптографической информации. Обычно контроллер шины LPC расположен в южном мосте на материнской плате.

Шины LPC была введена фирмой Intel в 1998 году для замены шины ISA. Хотя LPC физически сильно отличается от ISA, программная модель периферийных контроллеров, подключаемых через LPC, осталась прежней. Это позволило без доработок использовать на компьютерах с LPC ПО, разработанное для управления периферийными контроллерами, которые подключались к шине ISA.

Пропускная способность шины LPC зависит от режима обмена; выделяют отдельные режимы обмена для работы с устройствами ввода-вывода, устройствами типа «память», сеансами ПДП(Прямой доступ к памяти)и др. Однако в любом случае пропускная способность шины LPC выше, чем шины ISA при работе в аналогичном режиме. При частоте тактового сигнала 33,3 МГц пропускная способность шины LPC составляет 16,67 МБ/с.

Основным преимуществом шины LPC является небольшое число требуемых  для работы сигналов: для работы шины требуется только семь сигналов, что упрощает разводку и без того напичканных проводниками материнских плат. Использование шины LPC позволяет отказаться от разводки от 30 до 72 проводников, которые бы пришлось развести при использовании шины ISA. Используемая в LPC частота тактового сигнала в 33,3 МГц была выбрана для унификации с шиной PCI. Шина LPC предназначена для соединения СБИС(Интегральная схема) в рамках одной печатной платы (материнской платы), таким образом в спецификации не предусмотрено разъёмов для передачи сигналов шины, и тем более не предусмотрено создание плат расширения.

Оригинальная игровая консоль Xbox имела в своём составе отладочный порт с шиной LPC, что позволяло  энтузиастам запускать на этой системе  свои программы.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Peripheral Component Interconnect

PCI (англ. Peripheral component interconnect) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

• физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);
• электрические параметры (например, напряжения);
• логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине).

Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

Весной 1991 года компания Intel завершает разработку первой макетной версии шины PCI. Перед инженерами была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволило бы реализовать возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. Кроме того, реализовать автоконфигурирование устройств по примеру протокола Autoconfig для компьютеров Amiga.

В 1992 году появляется первая версия шины PCI, Intel объявляет, что стандарт шины будет открытым и создаёт PCI Special Interest Group. Благодаря этому, любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, могла быть 32 или 64 битной, а устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически, пропускная способность шины 133 Мбайт/с, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/с.

В середине 1993 года компания Intel начинает предпринимать активные шаги по продвижению шины PCI на рынке. Ответом на критику со стороны специалистов из конференций Usenet и конкурирующих компаний (характеристики шины были во многом аналогичны, например Zorro III, публиковались статьи об ошибочном дизайне шины) стала PCI 2.0.

В 1995 году появляется версия PCI 2.1 (ещё одно название — «параллельная шина PCI», которая обеспечила передачу данных по шине с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта с частотой 66 МГц). Кроме того, эта шина уже была поддержана на уровне ОС Windows 95 (технология Plug and Play), что позволило пользователям IBM PC больше не чувствовать себя ущемлёнными по отношению к другим платформам. Версия шины PCI 2.1 оказалась настолько популярной, что вскоре уже она была перенесена на платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и др.

В 1997 году, в связи с развитием компьютерной графики и разработкой шины AGP, шина PCI перестала удовлетворять новым, повышенным требованием к видеокартам и перестала использоваться для установки видеокарт. Смысла приобретать PCI-видеокарту нет уже более 12 лет.

В настоящее время интерфейс PCI постепенно вытесняется интерфейсами PCI Express и HyperTransport. На современные материнские платы (по состоянию на 2008 год) устанавливается всего лишь 2-3 разъёма PCI вместо 5-6, устанавливавшихся ранее.

PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (Plug and Play). После старта компьютера системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине, и распределяет ресурсы.

Каждое устройство может затребовать  до семи диапазонов в адресном пространстве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI.

Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличие от шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.

Спецификация  шины PCI

• частота шины — 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная;
• разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
• пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц — 133 Мбайт/с;
• адресное пространство памяти — 32 бита (4 байта);
• адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 байта);
• конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт;
• напряжение 3,3 или 5 В.

 

 

 

 

 

 

 

2.5. PCI Express

PCI Express или PCIe или PCI-E,

  — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Развитием стандарта PCI Express занимается так же организация PCI Special Interest Group.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют  между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;
• гарантированная полоса пропускания (QoS);
• управление энергопотреблением;
• контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование  только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут  быть доработаны для использования  шины PCI Express заменой только физического  уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную  дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода  имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
• слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет  использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

PCI Express пересылает всю управляющую  информацию, включая прерывания, через  те же линии, что используются  для передачи данных. Последовательный  протокол никогда не может  быть заблокирован, таким образом  задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI.

Во всех высокоскоростных последовательных протоколах , информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует ставший общепринятым метод кодирования 8B/10B (8 бит данных заменяются на 10 бит, передаваемых по каналу, таким образом 20% передаваемого по каналу трафика является избыточными), который позволяет поднять защиту от помех.

Пропускная способность соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для расчета пропускной способности соединения link необходимо учесть то, что в каждом соединении передача дуплексная, а также учесть применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10). Например, дуплексная пропускная способность соединения 1x (P_1x) составляет:

 ГБ/с

где 2,5 — пропускная способность  одного lane, Гбит/с;

2 — учёт того, что соединение  1x состоит из двух lane;

0,8 — коэффициент, учитывающий  использование кода 8B/10B;

— коэффициент для перевода Гбит/с  в ГБ/с.

Пропускная способность, с учётом двунаправленной передачи, для шин PCI Express с разным количеством связей указана в таблице:

Используется  связей	1x	2x	4x	8x	12x	16x	32x
Пропускная способность PCI Express 1.0, ГБ/c	0,5	1	2	4	6	8	16
Пропускная способность PCI Express 2.0, ГБ/c	1	2	4	8	12	16	32

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года.

Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность. — спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCIE 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCIE 2.0. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
• Динамическое управление скоростью — для управления скоростью работы связи.
• Оповещение о пропускной способности — для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.
• Расширения структуры возможностей — расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом.
• Службы управления доступом — опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
• Управление таймаутом выполнения
• Сброс на уровне функций — опциональный механизм для сброса функций (имеются в виду PCI funcs) внутри устройства.
• Переопределение предела по мощности — для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих бо́льшую мощность.