Шины PCI, PCI-X и PCI Express

Шина ISA

Стандарты шинного интерфейса

По мере увеличения разрядности шины и увеличения тактовой частоты в компьютере, изменялись и стандарты шинного интерфейса. В настоящее время в компьютерах используются следующие основные стандарты шинного интерфейса:

· шина ISA;

· шина PCI;

Другие стандарты, такие как МСА (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная стандартная промышленная архитектура) и VESA, обычно называемый локальной шиной, VL-шиной и разработанный ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association – ассоциация стандартов видеоэлектроники), в настоящее время не используются.

Первый распространенный стандарт шинного интерфейса – шина ISA (Industry Standard Architecture – стандартная промышленная архитектура) была разработана фирмой IBM при создании компьютера IBM PC AT (1984 г.). Эта 16-битовая шина с тактовой частотой 8,33 МГц допускает установку как 8-битовых, так и 16-битовых плат расширения (с пропускной способностью соответственно 8,33 и 16,6 Мбайт/с).

Обмен данными между высокоскоростными внешними устройствами и оперативной памятью выполняется при участии процессора, что в некоторых случаях может привести к снижению производительности компьютера. В режиме прямого доступа, введенном в шине ISA, периферийное устройство связано с оперативной памятью напрямую через каналы DMA (Direct Memory Access – прямой доступ в память). Наиболее эффективным такой режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с жесткого диска).

Для организации прямого доступа в память используется контроллер DMA, встроенный в одну из микросхем на материнской плате. Устройство, требующее прямой дос­туп к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к кон­троллеру, сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, на­чальный адрес блока данных и объем данных. Инициализация обмена происходит с участием процессора, но собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а не процессора.

Шина ISA отсутствует в современных материнских платах, и сохранилась только в старых компьютерах.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимосвязь периферийных компонент) была разработана фирмой Intel с участием ряда других фирм в 1993 г. для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium.

В настоящее время все стандарты PCI разрабатываются и поддерживаются организацией PCI-SIG (PCI – Special Interest Group) (PCI – Группа специальных интересов).

Последний стандарт PCI – PCI 3.0, принятый в 2004 году, определяет как 32-разрядную шину с тактовой частотой 33 МГц и пиковой пропускной способностью 133 Мбайта/с, так и 64-разрядные шины с тактовыми частотами 33 и 66 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 266 и 533 Мбайта/с.

Для ускорения передачи данных в шине PCI используется пакетный режим (burst mode). В этом режиме данные, расположенные по какому-либо адресу, передаются не по одному, а сразу целым набором.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами. Важной особенностью шины PCI является и то, что в ней вместо каналов DMA реализован более эффективный режим управления шиной (Bus Mastering), который позволяет внешнему устройству управлять шиной без участия процессора. Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобож­дается для выполнения других задач, пока происходит передача данных. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных сис­тем типа Windows и Unix.

Разъемы для карты PCI на материнской плате приведен на рис. ?????.

Рис. ?????. Разъемы для карты PCI на материнской плате:

а) 32-разрядный разъем; б) 64-разрядный разъем

 

Дополнением к стандарту PCI является стандарт PCI Hot Plug v1.0. Устройства PCI, удовлетворяющие этому стандарту, можно вставлять в разъем или вынимать из разъема во время работы компьютера – так называемое «горячее» подключение (hot plug).

Шины стандарта PCI используются в современных компьютерах для подключения внутренних устройств системного блока, таких как звуковая карта или модем. Однако для графических устройств эти шины имеют недостаточную скорость передачи данных, поэтому PCI-SIG был разработан новый стандарт – PCI-X (символ X означает eXtended – расширенный) с тактовыми частотами 66, 133, 266 и 533 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 533, 1066, 2132 и 4264 Мбайт/с. Этот стандарт обратно совместим со стандартом PCI 3.0, т.е. в компьютере можно использовать и карты PCI 3.0 и карты PCI-X.

Последняя версия стандарта PCI-X – PCI-X 2.0 была принята в 2002 году. В настоящее время шины этого стандарта практически не используются, поскольку в этом же году PCI-SIG начала разработку принципиально нового стандарта шины PCI – PCI Express.

Стандарт PCI Express, называемый также PCI-E или PCe, предполагает замену параллельной разделяемой структуры, используемой шиной PCI и PCI-X, последовательным соединением устройств с использованием коммутаторов (switches). Старое название этого стандарта – 3GIO (3^rd Generation Input/Output – третье поколение ввода/вывода).

Последним действующим стандартом PCI Express является стандарт PCI Express Base 2.0, принятый в 2006 году.

В отличие от стандарта PCI, в котором все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине, в PCI Express для подключения устройства используется одно или несколько двунаправленных последовательных соединений типа точка-точка, реализованных на медной витой паре.

При обмене данными по витой паре используется метод низковольтной дифференциальной передачи сигналов – LVDS (Low-Voltage Differential Signaling). Данные в LVDS передаются последовательно, бит за битом. При этом для передачи одного сигнала используется дифференциальная пара, т.е. что передающая сторона подаёт на проводники пары различные уровни напряжения, которые сравниваются на приёмной стороне. Для кодирования информации используется разница напряжений на проводниках пары. Небольшая амплитуда сигнала, а также незначительное электромагнитное влияние проводов пары друг на друга позволяют уменьшить шумы в линии и передавать данные на высоких частотах, т.е. с большой скоростью. Для повышения скорости передачи данных можно использовать несколько соединений (витых пар), по которым биты передаются параллельно, т.е. одновременно.

В PCI Express для передачи данных могут использоваться одно или несколько соединений. Количество соединений для устройства задается с помощью числа, за которым (или перед которым) указывается буква x. В настоящее время в спецификации определены соединения 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x. Для каждого из этих соединений шины PCI Express (за исключением соединения 32x, который пока не используется) определен свой вид разъема. На рис. ???? приведены наиболее распространенные разъемы PCI Express: 1x, 2x, 4x, 8x и 16x.

 

Рис. ?????. Наиболее распространенные разъемы PCI Express: а) слот 1x; б) слот 4x;

в) слот 8x; г) слот 16x;

 

Пропускная способность в шине PCI Express по одному соединению в настоящее время составляет 2,5 Гбит/с с перспективой увеличения до 10 Гбит/с. Стандарт PCI Express должен заменить стандарты PCI и PCI-X, а также рассматриваемый в следующем разделе стандарт AGP. Однако стандарт PCI Express совместим с этими стандартами и, видимо долго будет использоваться с ними совместно, поскольку в настоящее время выпущено и продолжает выпускаться много карт по стандартам PCI и AGP.