Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

□ стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних устройств

□ появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.

1. Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA — торговая марка Video Electronics Standards Association), и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных — 32 бита, для адреса — 30 бит, реальная

скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с, теоретически достижимая — 132 Мбайт/с (в версии 2 — 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

О ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

О жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

О малое количество подключаемых устройств — к шине VLB может подключаться только четыре устройства;

О отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

2. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение периферийных компонентов) — самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Базовая версия PCI 1.0 (IEEE 1.386 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1.386 — стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1.386) разработана в 1991 году фирмой Intel с целью создать шину, способную заменить все существующие, часто несовместимые шинные интерфейсы, такие как ISA, EISA, MCA, VLB. Шина PCI 1.0 является намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI 1.0 — 33 МГц, разрядность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расширения до 64 разрядов, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-разрядном варианте — 264 Мбайт/с.

Модификация PCI 2.1 работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug&Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров. Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства.

Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами.

Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 10.2. В настоящее время разработано несколько модификаций этой шины, в частности, стандарта AGP (графический вариант).

Рис. 10.2. Конфигурация системы с шиной PCI

 

3. Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандарта PCI v2.1.

Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет значение 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGP8x — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Первые версии AGP предусматривали возможность подключения только одного устройства (видеоконтроллера), а начиная с версии 3 — двух устройств. Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-кило-байтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table, или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде AGP-видео-адаптера, устанавливаемого в отдельный разъем. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Конфигурация системы с шиной AGP

 

В настоящее время семейство шин PCI (кроме PCI 1.0, PCI 2.1) имеет следующие версии:

□ PCI 2.2 с рабочей частотой 133 МГц и пропускной способностью 1066 Мбит/с;

□ PCI X 266 (PCI DDR - Double Data Rate) с удвоенной рабочей частотой и пропускной способностью 2100 Мбайт/с;

□ PCI X 533 (PCI QDR — Quard Data Rate) с учетверенной рабочей частотой и пропускной способностью 4300 Мбайт/с;

□ Compact PCI и Mini PCI для промышленных и портативных компьютеров;

□ семейство последовательных интерфейсов PCI Express, которое будет рассмотрено несколько дальше.

Ожидается также версия беспроводной шины PCI.

 

Таблица 10.1. Основные характеристики шин

Характеристика	ISA	EISA	MCA	VLB	PCI 1.0	PCI 2.1
Разрядность шины данных и адреса, бит	16/24			32/64	32/64
Рабочая частота, МГц		8-33	10-20	До 33	До 66
Пропускная способность, Мбайт/с					133, 266, 533
Число подключаемых устройств, шт.
Характеристика	X 1.0	X DDR	X QDR	AGP	AGP 3.0 4x	AGP 3.0 8x
Разрядность шины данных и адреса, бит				32/64
Рабочая частота, МГц	66/133			66/133
Пропускная способность, Мбайт/с	533/1066			533, 1066,
Число подключаемых устройств, шт.