Шина LPC

Low Pin Count (LPC bus) — шина, используемая 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, НГМД, а с недавнего времени и устройств хранения криптографической информации. Обычно контроллер шины LPC расположен в южном мосте на материнской плате.

Шина LPC имеет всего 7 обязательных и 6 необязательных сигналов. Обмен данными по ней идёт в синхронном режиме с частотой 33 МГц (шина ISA является асинхронной, что также усложняет работающее с ней оборудование), причём каждый так передаётся 4 информационных или управляющих бита. Разрядность адреса увеличена до 32 бит, что позволяет задатчикам шины прямо обращаться к адресному пространству памяти объёмом 4 Гбайта (у шины ISA разрядность адреса составляла 24 бита, что ограничивало возможности адресации величиной 16 Мбайт). Реальная пропускная способность LPC, составляющая 6,7 Мбайт/с, ненамного уступает таковой у ISA (до 8 Мбайт/с) и совершенно достаточна для одновременной работы всех подключенных к ней устройств (по расчётам Intel, они используют порядка 75% максимальной пропускной способности).

Шина 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.

Спецификация на шину LPC определяет семь обязательных сигналов, необходимых для обеспечения двусторонней передачи данных. Четыре из этих сигналов используются для передачи как адресной информации, так и для передачи данных. Оставшиеся три используются для управления; это сигналы frame, сигнал сброса и тактовый сигнал.

Спецификация также определяет семь необязательных сигналов, которые могут быть использованы для поддержки прерываний, организации сеансов обмена DMA, возвращения системы из состояния с низким потреблением энергии («спящего режима», англ. sleeping), а также для того, чтобы проинформировать периферийные устройства о скором отключении питания.

Пропускная способность шины LPC зависит от режима обмена; выделяют отдельные режимы обмена для работы с устройствами ввода-вывода, устройствами типа «память», сеансами DMA 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 напичканых проводниками современных 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 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.

Шина MCA

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 (Micro Channel Architecture). Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA, но зато содержала ряд передовых для своего времени решений:

· 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

· Поддержка нескольких bus master. Любое устройство, подключенное к шине, может получить право на ее исключительное использование для передачи или приема данных с другого соединенного с ней устройства. Такое устройство, по сути, представляет собой специализированный процессор, который может осуществлять обмен данными по шине независимо от основного процессора. Работу устройств арбитр шины (CACP - Central Arbitration Control Point). При распределении функций управления шиной арбитр исходит из уровня приоритета, которым обладает то или иное устройство или операция. Всего таких уровней четыре (в порядке убывания):

o Регенерация системной памяти

o Прямой доступ к памяти (DMA)

o Платы адаптеров

o Процессор

· Если устройству необходим контроль над шиной, оно сообщает об этом арбитру. При первой возможности (после обработки запросов с более высокими приоритетами) арбитр передает ему управление шиной. Вне системы приоритетов обслуживают только немаскируемые прерывания (NMI - Non-Maskable Interrupts), при возникновении которых управление немедленно передается процессору

· 11-уровневые прерывания (11-level triggered interrupts) вместо двухуровневых (trigger-edged) у ISA позволяли делить (share) прерывания между устройствами, что в свою очередь позволило излечить одну из болезней первых PC - нехватку линий IRQ

· 24 или 32 адресных линии позволяли адресовать до 4 GB памяти

· Автоматическое конфигурирование устройств существенно упростило установку новых плат. У компьютеров с шиной MCA нет никаких перемычек или переключателей - ни на системной плате, ни на платах расширения. Вместо использования адресов портов ввода-вывода, зашитых в железо, центральный процессор назначает их при старте системы, базируюсь на информации, считанной из ROM карты

· Асинхронный протокол передачи данных снижал вероятность возникновения конфликтов и помех между устройствами, подключенными к шине.

· 16-разрядные (основные слоты, которые устанавливается во все компьютеры с шиной МСА)

· 32-разрядные (устанавливаются на компьютерах с шиной МСА и процессором 386DX и выше. Так же, как и в ISA, являются только расширением основного слота, но, поскольку разрабатывались одновременно с шиной, конструкция получилась более логичной)

· 16 и 32-разрядные с дополнениями для плат памяти (устанавливаются в некоторых компьютерах с шиной МСА, например, PS/2 моделей 70 и 80, имеют 8 дополнительных контактов для работы с платами расширения памяти, расположенных в самом начале разъема, обращенном к задней стенке компьютера, перед основными контактами)

· 16 и 32-разрядные с дополнениями для видеоадаптеров (предназначены для увеличения быстродействия видеосистемы. Обычно в компьютере с шиной МСА установлен один такой слот. 10 дополнительных контактов также расположены в начале разъема и позволяют плате видеоадаптера получить доступ к встроенной в системную плату схеме VGA).

Local Bus

Все описанные ранее шины (за исключением MCA) имеют общий недостаток - сравнительно низкую пропускную способность. Это связано с тем, что шины разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В дальнейшем быстродействие последнего возрастало, а характеристики шин улучшались в основном экстенсивно, за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

· 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.

И в августе 1992 года ассоциация Video Electronic Standard Association (VESA) - ассоциация, представляющая более ста компаний - предложила использовать в компьютерах на базе процессоров Intel-80486 подобную архитектуру, называемой теперь шиной VESA (она же VL-Bus, она же Local Bus). Иначе говоря шина VESA является продолжением той магистрали, по которой микропроцессор обменивается с оперативной памятью. Поэтому она оказалась очень дешевой в реализации, и в 1993-1994 годах VL-Bus получила широчайшее распространение на компьютерах с процессором 80486 и его модификациях.

Основные характеристики VL-bus таковы:

· Поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разработана для использования в однопроцессорных системах, при этом в спецификации предусмотрена возможность поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridge chip)

· Максимальное количество bus master - 3 (не включая контроллер шины). При необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего числа master'ов

· Несмотря на то, что изначально шина была разработана для работы с видеоконтроллерами, возможна поддержка и других устройств (например, контроллерa жесткого диска)

· Стандарт допускает работу шины на частоте до 66 MHz, однако электрические характеристики разъема VL-bus ограничивают ее до 50 MHz (это ограничение, естественно, не относится к интегрированным в материнскую плату устройствам).

· Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных поддерживает и 16-разрядный обмен. В спецификацию заложена возможность 64-разрядного обмена

· Поддержка DMA обеспечивается только для bus master'ов. Шина не поддерживает специальных инициаторов DMA

· Максимальная теоретическая пропускная способность шины - 160 Мb/s (при частоте шины 50 MHz), а стандартная - 107 Мb/s при частоте 33 MHz

· Поддерживается пакетный режим обмена (для материнских плат 80486, поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификации типа и скорости процессора, сигнал Burst Last (BLAST#) используется для активизации этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается в 0

· Слот VL-bus устанавливается в линию за слотами ISA/EISA/MCA, поэтому VL-платам доступны все линии этих шин

· Поддерживается как интегрированный в процессор кэш, так и кэш на материнской плате

· Напряжение питания 5 V. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3 V поддерживаются при условии, что они могут работать с уровнем входного сигнала 5 V.

Появление локальной шины было огромным шагом вперед во всей компьютерной индустрии, так как она смогла устранить сразу два узких места в системе: низкие скорости обмена данными с графической картой и жестким диском. Однако скоро выяснилось, что VESA - это ничуть не более, чем сиюминутное решение. Это связано с большим перечнем серьезных недостатков, присущих шине, а именно:

· Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин CPU Pentium и процессоров следующих поколений

· Ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus не может составлять больше 50 MHz. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2/66 частота шины будет 33 MHz). Впрочем, для начала-середины 90-х годов скорости было вполне достаточно, однако уже через несколько лет ее могло бы и не хватить

· Схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определенных параметрах нагрузки каждой линии шины. По мнению Intel, установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и к повреждению системы

· Ограничение количества плат. Это ограничение вытекает также из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии

Шина PCI

Едва карта VLB успела закрепиться на рынке, как в июне 1992 года фирма Intel изготовила новую шину - шину PCI (Peripheral Component Interconnect). Именно этот "периферийный соединительный компонент" находится в большинстве современных компьютеров, де-факто стал стандартом для шинной индустрии нашего времени.

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 Bus Master и Bus Slave. Например, карта PCI-Master может 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 разрядный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, 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 linear burst (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 (Iniciator Ready), при этом приемное устройство записывает их (данные) в свои регистры и подает сигнал Target Ready, 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 (Host Bridge Cashe/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

· Низкая нагрузка на процессор. Эта особенность вытекает из предыдущей

· Частота работы шины 33 MHz или 66 MHz позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

o 132 МВ/сек при 32-bit/33 MHz

o 264 MB/сек при 32-bit/66 MHz

o 264 MB/сек при 64-bit/33 MHz

o 528 МВ/сек при 64-bit/66 MHz

· При этом для работы шины на частоте 66 MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте

· Поскольку шина процессора и шина расширения PCI соединены с помощью главного моста (Host Bridge), то последняя может работать с CPU последующих поколений

· Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине)

· Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей

· Поддержка write-back и write-through кэша

· PCI приспособлена для распознавания аппаратных средств и анализа конфигурации системы в соответствии со стандартом Plug&Play, разработанным корпорацией Intel. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space - конфигурационное пространство. Оно состоит из трех регионов:

o Заголовка, независимого от устройства (device-independent header region)

o Региона, определяемого типом устройства (header-type region)

o региона, определяемого пользователем (user-defined region)

· Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео+звук и прочее)

· Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI to PCI для увеличения их количества

· PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину

· При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие использовать шину в будущем и модернизировать ее

Шина AGP

Получившая в последнее время большое распространение 3D-графика, а также все возрастающая нагрузка на PCI со стороны разных там жестких дисков, сетевых карт и других высокоскоростных устройств привели к тому, что пропускной способности локальной шины для удовлетворения всех этих требований начало явно недоставать. Казалось бы, вот вам простейшее решение: переходите на 66-мегагерцовую 64-разрядную шину PCI, так нет же. Intel на базе того же стандарта PCI R2.1 разрабатывает новую шину - AGP (1.0, затем 2.0), которая отличается от своего родителя в следующем:

· Шина способна передавать два блока данных за один 66 MHz цикл (AGP 2x)

· Устранена мультиплексированность линий адреса и данных (напомню, что в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям)

· дальнейшая конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций

В результате пропускная способность шины была оценена в 500 МВ/сек, и предназначалась она для того, чтобы графические карты могли хранить необходимые им данные (текстуры) не только в своей дорогой локальной памяти, установленной на борту, но и в дешевой системной памяти компьютера. При этом они (карты) могли иметь меньший объем этой самой локальной памяти и, соответственно, дешевле стоить.

Принципиально AGP - это вторая магистраль PCI, которая соединена с другими компонентами системы специальным мультимедиа-мостом (Multimedia Bridge).

Парадокс в том, что видеокарты (точнее, их производители) все-таки предпочитают иметь больше памяти, и почти никто не хранит текстуры в оперативной памяти. Во первых, пока еще (но только пока) в современных приложениях не используются такие грандиозные по размеру текстуры, которые требовали бы чересчур много памяти. Во вторых, видеопамять быстро дешевеет и ее увеличение не сильно сказывается на стоимости видеокарты (сейчас карта с 64 Mb стоит почти столько же, как всего год-полтора назад стоила похожая карта с 32 Mb памяти). Хотя главная причина, очевидно, в том, что системная RAM имеет куда меньшее быстродействие, чем локальная видеопамять, и использовать все то, что может предоставить AGP, было бы вряд ли рационально, пусть даже от этого уменьшилась цена видеоадаптера. Тем не менее, все современные видеоккарты имеют интерфейс AGP, потому что, во первых, даже если не использовать прокачку текстур между системной памятью и видеоадаптером, при большой нагрузке на шину PCI со стороны периферии данные от различных устройств (например, процессора или платы видеомонтажа) могут не успевать поступать в видеокарту настолько быстро, насколько это нужно, и, во-вторых, бурно развивающиеся технологии 3D-графики скоро могут привести к тому, что текстуры перестанут помещаться в локальную видеопамять (если, конечно, в системе установлена не самая наворочанная видеоплата с большим объемом RAM). Да и потом, если учесть мощности современных CPU, шина PCI со своими 132 мегабайтами в секунду смотрится плоховато даже для простого обмена данными видеоконтроллера с центральным процессором и другими компонентами системы, так что появление в свое время AGP было действительно востребовано, а сейчас без этого интерфейса просто невозможно представить современный персональный компьютер.

Шина HyperTransport (HT), ранее известная как Lightning Data Transport (LDT), — это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками. Для разработки и продвижения данной шины был образован консорциум HyperTransport Technology. Технология используется компаниями AMD и Transmeta в x86-процессорах; PMC-Sierra, Broadcom и Raza Microelectronics — в процессорах MIPS; nVidia, VIA, SiS, ULi/ALi, AMD, Apple Computer и HP — в наборах системной логики для ПК; HP, Sun Microsystems, IBM и iWill — в серверах; Cray, Newisys и PathScale — в суперкомпьютерах, а также компанией Cisco Systems — в маршрутизаторах.

Дата добавления: 2014-01-11