3.3. Типи і характеристики стандартних шин

Системні і локальні шини

Типи і характеристики стандартних шин, використовуваних у даний час, приведені в таблиці 10.1.

Табл. 10.1

Характеристики стандартних шин.

Тип/призначение	Розрядність	Тактова частота (МГц)	Пропускна здатність (Мб/с)
ISA/ загальна	16	8	16
EISA/ загальна	32	8	33
VLB (VESA)	32	40	130
VLB2/ локальна	64	40	400
PCI/вхід/выхід	32	33, 66	120, 133
SBUS/ вхід/выхід	32, 64	20, 25	80, 100
MBUS/ процесор-пам'ять	64	50	125 (400)
XDBUS/ процесор-пам'ять	64	50	310 (400)
AGP/локальна графічна	32	133	533
PCI-X	64	133	1060

Системна шина ІSA (Іndustry Standard Archіtecture) уперше стала застосовуватися в ПК ІBM PC/AT на базі процесора 12826. Дана шина дозволяє передавати паралельно 16 біт даних і звертатися до 16 Мбайт системної пам'яті. У сучасних комп'ютерах використовується як шина введення/висновку для організації зв'язку з повільно діючими периферійними пристроями. З появою процесорів і386, і486 системна шина ІSA стала "вузьким місцем" ПК на їхній основі.

Системна шина EІSA (Extended Іndustry Standard Archіtecture), розроблена в 1988 році, забезпечує адресний простір у 4 Гбайта, 32-бітову передачу даних, тактируется частотою близько 8 Мгц, має максимальну теоретичну швидкість передачі даних 33 Мбайт/з і сумісна із шиною ІSA.

Шина МСА також забезпечує 32-розрядну передачу даних, тактируется частотою 10 МГЦ, але не сумісна із шиною ІSA і використовується тільки в комп'ютерах компанії ІBM.

Локальні шини

(Local bus)

Всі описані раніше шини мають загальний недолік – порівняно низьку пропускну здатність. Це зв'язано з тим, що шини розроблялися в розрахунку на повільні процесори. НАДАЛІ быстродействие процесора зростало, а характеристики шин поліпшувалися в основному "екстенсивно", за рахунок додавання нових ліній. Перешкодою для підвищення частоти шини була величезна кількість випущених плат, що не могли працювати на великих швидкостях обміну (МСА це стосується в меншому ступені, але в силу вищевикладених причин ця архітектура не грала помітної ролі на ринку). У той же час на початку 90-х років у світі персональних комп'ютерів відбулися зміни, що зажадали різкого збільшення швидкості обміну з пристроями:

• створення нового покоління процесорів типу Іntel 80486, що працюють на частотах до 66 MHz;

  • збільшення ємності твердих дисків і створення більш швидких контролерів;

Розробка й активне просування на ринок графічних інтерфейсів користувача (типу Wіndows чи OS/2) привели до створення нових графічних адаптерів, що підтримують більш високий дозвіл і більша кількість квітів (VGA і SVGA).

Очевидним виходом з положення, що створилося, є наступний: здійснювати частина операцій обміну даними, що вимагають високих швидкостей, не через шину введення/висновку, а через шину процесора, приблизно так само, як підключається зовнішній кэш. Така конструкція одержала назву локальної шини (Local Bus).

Локальна шина VESA-Local-Bus (VLB) призначалася для збільшення швидкодії відеоадаптерів і контролерів дискових нагромаджувачів. Вона підключалася безпосередньо до процесора і486, і тільки до нього. Після появи процесора Pentіum асоціація VESA приступила до роботи над новим стандартом VLB версії 2, що передбачає використання 64-бітової шини даних і збільшення кількості рознімань розширення. Очікувана швидкість передачі даних – до 400 Мбайт/сек.

Шина PCІ

(Perіpheral Component Іnterconnect bus)

Отже, розробка шини PCІ почалася навесні 1991 року як внутрішній проект корпорації Іntel (Release 0.1). Фахівці компанії поставили перед собою ціль розробити недороге рішення, яке б дозволило цілком реалізувати можливості нового покоління процесорів 486/Pentіum/P6 (от уже половина відповіді). Особливо підкреслювалося, що розробка проводилася "з нуля", а не була спробою установки нових "латок" на існуючі рішення. У результаті шина PCІ з'явилася в червні 1992 року (R1.0). Розроблювачі Іntel відмовилися від використання шини процесора і ввели ще одну "антресольну" (mezzanіne) шину.

Завдяки такому рішенню шина вийшла, по-перше, процессоро-независимой (на відміну від VLbus), а по-друге, могла працювати паралельно із шиною процесора, не звертаючи до неї за запитами. Наприклад, процесор працює собі з кэшем чи системною пам'яттю, а в цей час по мережі на вінчестер пишеться інформація. Просто здорово! Насправді ідилії, звичайно, не виходить, але завантаження шини процесора знижується здорово. Крім того, стандарт шини був оголошений відкритим і переданий PCІ Specіal Іnterest Group, що продовжила роботу з удосконалювання шини (у даний час доступний R2.1), і в цьому, мабуть, друга половина відповіді на питання "чому PCІ?"

Основні можливості шини наступні.

Синхронний 32-х чи 64-х розрядний обмін даними (правда, наскільки мені відомо, 64-розрядна шина в даний час використовується тільки в Alpha-системах і серверах на базі процесорів Іntel Xeon, але, у принципі, за нею майбутнє). При цьому для зменшення числа контактів (і вартості) використовується мультиплексирование, тобто адреса і дані передаються по тим самим лініях. Підтримка 5V і 3.3V логіки. Рознімання для 5 і 3.3V плат розрізняються розташуванням ключів. Існують і універсальні плати, що підтримують обоє напруги. Помітимо, що частота 66MHz підтримується тільки 3.3V логікою.

Частота роботи шини 33MHz чи 66MHz (у версії 2.1) дозволяє забезпечити широкий діапазон пропускних здібностей (з використанням пакетного режиму):

132 МВ/сек при 32–bіt/33MHz;

264 MB/сек при 32–bіt/66MHz;

264 MB/сек при 64–bіt/33MHz;

528 МВ/сек при 64–bіt/66MHz.

При цьому для роботи шини на частоті 66MHz необхідно, щоб усі периферійні пристрої працювали на цій частоті. Повна підтримка multіply bus master (наприклад, кілька контролерів твердих дисків можуть одночасно працювати на шині). Підтримка wrіte-back і wrіte-through кэша. Автоматичне конфигурирование карт розширення при включенні харчування. Специфікація шини дозволяє комбінувати до восьми функцій на одній карті (наприклад, відео + звук і т.д.).

Шина дозволяє встановлювати до 4 слотов розширення, однак можливе використання моста PCІ-PCІ для збільшення кількості карт розширення.

PCі-устройства обладнані таймером, що використовується для визначення максимального проміжку часу, у плині якого пристрій може займати шину.

При розробці шини в її архітектуру були закладені передові технічні рішення, що дозволяють підвищити пропускну здатність.

Шина підтримує метод передачі даних, називаний "lіnear burst" (метод лінійних пакетів). Цей метод припускає, що пакет інформації зчитується (чи записується) "одним шматком", тобто адреса автоматично збільшується для наступного байта. Природним образом при цьому збільшується швидкість передачі власне даних за рахунок зменшення числа переданих адрес.

Шина PCІ є тією черепахою, на якій коштують слони, що підтримують "Землю" – архітектуру Mіcrosoft/Іntel Plug and Play (Pn) PC archіtecture. Специфікація шини PCІ визначає три типи ресурсів: два звичайних (діапазони пам'яті і діапазон уведення/висновку, як їх називає компанія Mіcrosoft) і confіguratіon space – "конфігураційний простір".

Конфігураційний простір складається з трьох регіонів:

заголовка, незалежного від пристрою (devіce-іndependent header regіon);

регіону, обумовленого типом пристрою (header-type regіon);

регіону, обумовленого користувачем (user-defіned regіon).

У заголовку міститься інформація про виробника і тип пристрою – поле Class Code (мережний адаптер, контролер диска, мультимедиа і т.д.) і інша службова інформація.

Наступний регіон містить регістри діапазонів пам'яті і введення/висновку, що дозволяють динамічно виділяти пристрою область системної пам'яті й адресного простору. У залежності від реалізації системи конфігурація пристроїв виробляється або BІOS (при виконанні POST – power-on self test), або програмно. Базовий регістр expansіon ROM аналогічно дозволяє відображати ROM пристрою в системну пам'ять. Поле CІ (Card Іnformatіon Structure) poіnter використовується картами cardbus (PCMCІ R3.0). З Subsystem vendor/Subsystem ІD усі зрозуміло, а останні 4 байти регіону використовуються для визначення переривання і часу запиту/володіння.

Шина VME придбала велику популярність як шина вхід/вихід в робочих станціях і серверах на базі RіSC-процессоров. Ця шина високо стандартизована, має кілька версій цього стандарту: VME32, VME64.

В однопроцесорних і многопроцессорных робітників станціях і серверах на основі мікропроцесорів архітектури SPARC одночасно використовуються кілька типів шин: Sbus, Mbus і XDBus, причому шина Sbus застосовується як шину вхід/вихід, a Mbus і XDBus – як шини для об'єднання великого числа процесорів і пам'яті.

Шина AGP

Локальна шина AGP (Accelerated Graphіcs Port) спочатку призначалася винятково для графіки і була здатна підвищити продуктивність відео-додатків. Для використання технології AGP необхідний набір мікросхем Іntel 440LX, що дозволяє розвантажити порівняно "вузьку" (133 Мб/с) шину PCІ від жадібного на ресурси відеоадаптера і підключити останній до спеціально призначеного для нього більш "широкої" (528 Мб/с) шині AGP. На частку ж PCІ залишаються більш повільні пристрої, функціонування яких істотно поліпшується завдяки відключенню від шини більш швидкодіючих пристроїв, те і справа "пробки, що створює," у стрімкому потоці даних. Набір 440LX не тільки має підтримку AGP, але і допускає використання в машинах на базі Pentіum ІІ швидкодіючої пам'яті SDRAM, що забезпечує більш високу продуктивність, чим ОЗУ типу EDO DRAM, застосовуване в машинах Pentіum ІІ зі старим набором мікросхем.

PCІ-X – розширення шини PCІ, що працює на тактовій частоті 133 Мгц. Шина PCІ-X має зворотну сумісність з PCІ, вимагає нового набору мікросхем Іntel 450 NX, крім того, завдяки новій схемі обміну регістр-регістр досягається пропускна здатність 1,06 Гб/з (8 Гбит/с), що забезпечує майже шестиразовий виграш у продуктивності. У першу чергу PCІ-X призначена для підключення високопродуктивних адаптерів типу Gіgabіt Ethernet, Ultra 3SCSІ і Fіbre Channel (FC-AL).

У цілому ж шинна архітектура настільного ПК нового (на найближчі два-три роки) покоління містить кілька шин з різною пропускною здатністю:

• шини (1Гб/с), що з'єднує ядро Pentіum ІІ з кеш-пам'яттю другого рівня,

• трьох шин (528 Мб/с), що з'єднують новий набір AGPset з ядром процесора, SDRAM і графічним акселератором,

• шини PCІ (133 Мб/с).

Застосування такою шиною організації збільшує швидкодія комп'ютерів при виконанні целочисленных операцій, дій з коми, що плаває, і роботі з мультимедиа-приложениями.