Компоненти сучасного комп'ютера. Шини

І, нарешті, ми повинні розглянути набір роз'ємів, розташованих на материнській платі. Ці роз'єми призначені для установки так званої плати розширення. Це плати, що є контроллерами будб-яких необхідних нам пристроїв, які не інтегровані в материнську плату. Наприклад, в ці роз'єми можна встановити відео плату (відповідаючу за вивід інформації на монітор), аудіо плату (відповідаючу за звукові можливості комп'ютера), TV або FM приймач і т.д. Тобто додавання додаткових пристроїв в комп'ютер з метою нарощування його можливостей відбувається шляхом додавання платі розширення, що вставляється з відповідні роз'єми для цієї плати на материнській платі. Як видно на фотографіях, на материнській платі присутні декілька типів роз'ємів для підключення плати розширення. Зупинимося на цьому докладніше.

Природно, сам по собі роз'єм не представляє особливої цінності. Набагато важливіша шина (тобто магістраль обміну даними), що закінчується роз'ємом, який ми і спостерігаємо на платі. Перш ніж ми опишемо існуючі шини для підключення зовнішньої плати розширення, давайте розберемо, від чого залежить швидкість обміну даними по шині.

Природно, чим швидше можна передавати дані по шині, тим більше можливостей вона надає. Давайте припустимо, що з однієї точки в іншу нам потрібно передавати дані, ми проклали між цими даними провідник і маємо устаткування для передачі даних із швидкістю 300 байт/с. Припустимо, така швидкість нас не задовольняє, і ми хочемо її збільшити. Існує два способи збільшити цю швидкість. Перший і найочевидніший полягає в тому, що потрібно навчитися передавати по наявному провіднику більше, например 500 байт/с. Як все просто! Насправді це не так просто. Наші провідники можуть не бути пристосованя для такої швидкості передачі, прийомо-передаюче устаткування також може не справитися з збільшеним навантаженням: передавач через свій пристрій не може формувати і передавати більш ніж 300 байт/с, а приймач, у свою чергу не може приймати більше. Тому такий спосіб може вимагати заміни всього, включаючи устаткування, провідники, а може навіть і способ передачі (методу кодування сигналу). В електроніці звичайно передача даних відбувається таким чином: є деякий періодичний сигнал, і кожний період (імпульс) може, як то кажуть, бути модульований (кажучи простіше - спотворений будь-яким способом). Таким чином, на кожному імпульсі періодичного сигналу можлива передача одного біта (наприклад: неспотворений імпульс - логічний 0, спотворений - логічна 1). Природно, чим більше імпульсів проходить в секунду, тим більше інформації можна передати в одиницю часу, тобто тим продуктивніша шина обміну інформацією. Таким чином, чим вища частота (що виміряється в Герцах, Гц), на якій працює якась шина, тим швидше можна передавати дані. Але при цьому (як в приведеному вище прикладі) просто взяти, і підняти частоту шини, збільшивши, таким чином, її пропускну здатність вельми непросто. Потрібно бути готовим до того, що наявне устаткування напевно не працюватиме з новою частотою шини, і доведеться розробляти нове устаткування.

Другий спосіб збільшити пропускну здатність каналу обміну в приведеному вище прикладі ще більш простий! Потрібно просто додати ще один (або декілька) провідників, по яких передаються дані! При цьому частота залишається тією ж, наявне устаткування працюватиме, а передача даних відбувається паралельно по двох або декільком провідниках. У такому разі говорять про збільшення ширини шини. Якщо у разі одного провіника за один такт періодичного сигналу передають один біт, то у разі, коли шина складається з N провідників, за один такт можна передати N біт, тому ширину шини виміряють в бітах, а фізично це відповідає кількості провідників в шині, що використовуються для передачі даних. Отже, говорять про розрядність шини і виміряють її в бітах. Чим більша розрядність, чим більша і пропускна здатність шини.

Давайте визначимо тепер, як розрахувати пропускну здатність шини, тобто скільки інформації в одиницю часу можна передати по шині. Якщо частота шини X Гц (1/сек), то це значить, що при однобітовій шині (1 дріт для передачі даних) в секунду можна передати X біт. А якщо ширина шини складе N біт, то в секунду можна передати в N раз більше біт, тобто XN біт. Наприклад: частота шини 100МГц, а ширина шини складає 32 біти, то пропускна здатність складає 3200 Мбіт/с. Оскільки звичайно зручніше користуватися не бітами а байтами, то можна відразу визначити скільки байт складає ширина шини (в нашому випадку 32/8 = 4) і розрахувати пропускну здатність в байтах в секунду. В нашому прикладі 4 байти передаються на кожному такті, всього таких тактів 100 мільйонів в секунду, тобто пропускна здатність шини складає 400 Мбайт/с. Тепер, розібравшися з характеристиками шин, ми можемо переходити безпосередньо до вивчення параметрів шин для підключення плати розширення в сучасному комп'ютері.

Найпершою шиною для підключення плати розширення була розроблена для найперших РС шина, названаXT-Bus (ще її іноді називають ISA8 ). Це була восьмирозрядна шина, а частота, на якій вона працювала, складала всього лише 4,77 Мгц. Така мала частота роботи шини XT-Bus пояснюється тим, що і процесор в найпершому комп'ютері IBM PC працював на частоті 4,77 Мгц. Природно, навіть теоретична пропускна здатність такої шини 1байт х 4,77МГц = 4,77Мбайт/с (а реальна продуктивність шини помітно менша), не може надовго задовольнити потреби в пропускній спроможності, тому для нових систем в 1984 році була розроблена модифікація шини XT-Bus, названа ISA.

ШинаISA була 16-розрядною, на відміну від своєї восьмирозрядної попередниці, крім того частота шини ISA була піднята приблизно до 8 Мгц. Таким чином, пропускна здатність нової шини збільшилася в порівнянні з XT-Bus майже вчетверо. Але найголовніше ось що. За ситуації, коли потрібно розробити нову шину для підключення зовнішніх пристроїв, завжди є два шляхи. Шлях перший - розробити з нуля нову шину, новий роз'єм, нову логіку роботи не маючи необхідності тягнути за собою недоліки минулого. І шлях другий - розробити нову шину як поліпшення попередньої, зберігши при цьому сумісність. Саме другий шлях звичайно і обирають, якщо тільки є технічна можливість зробити це. Річ у тому, що розробивши і запровадивши нову шину, не сумісну із старою, виробник не викличе особливої радості у користувача, який, купивши нову материнську плату і процесор, переконається, що вся інша плата розширення, якою він користувався раніше, тепер можна викинути, оскільки встановити їх в новий комп'ютер не можна. І шина ISA - це поліпшена XT-Bus, що зберегла з XT-Bus сумісність. Природно, ця сумісність виражається і в організації логіки обміну по шині, і в роз'ємі. Як видно на малюнку, роз'їм шини ISA довший, ніж роз'їм XT-Bus, і в додатковій частині роз'єму містяться контакти, що забезпечують 16-розрядний обмін, а частина ISA яка фізично влаштована як XT-Bus - це і є роз'єм XT-Bus!. Тобто шина ISA є сумісною з XT-Bus в тому значенні, що стару XT-Bus плату можна встановити в роз'єм ISA і вона при цьому працюватиме. Разом: в роз'єм ISA можна вставити як 16-розрядну, спеціально розроблену для ISA плату, так і стару, розроблену для XT-Bus плату.

Але, зрозуміло, нова шина задовольняє потреби тільки якийсь час. І потім знову встає питання про розробку нової шини для підключення плати розширення. В 1988 році такі фірми, як Wyse, AST Research, Tandy, Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC і Epson запропонували 32 - бітове розширення шини ISA, так звану шину EISA . Оскільки далі подовжувати роз'єм ISA було нікуди, розробники знайшли оригінальне рішення: нові контакти були розміщені між контактами шини ISA і не були доведені до краю роз'єму. Спеціальна система виступів на роз'ємі і щілин в EISA-картах дозволяла їм глибше заходити в роз'єм і під'єднуватися до нових контактів. (Правда, стверджують, що при великому бажанні можна запихнути і ISA-карту так, щоб вона замкнула EISA-контакти). Тобто роз'єм EISA містив додаткові контакти, які і забезпечували 32 - бітове розширення в глибину. І в роз'єм EISA можна було вставляти як звичайну ISA плату, тобто забезпечувалася сумісність, так і спеціально розроблену EISA плату. Проте архітектура EISA не прижилася.

Фактично переступивши через EISA, індустрія використовувала наступну розробку, шину, яка називалася локальна шина VESA, або VL-Bus - VESA Local Bus. Роз'їм шини VESA складався з роз'єму ISA і ще одного блоку, що забезпечував додаткові контакти, які дозволяли реалізувати по шині VESA 32-бітовий обмін. Крім того, роз'єм VESA працював не на частоті 8 Мгц, а на частоті процесора, встановленого в системі, що у той час складало 25-50 Мгц! Таким чином, шина удвічі ширша (в значенні розрядності ), ніж ISA, та ще і працювала на частоті, у декілька разів більшій, забезпечуючи величезний ривок вперед по пропускній здатності! В ті часи найбільш гостро відчували нестачу продуктивності шини обміну відеоконтроллери і контроллери жорсткого диска (тоді контроллер жорсткого диска ще не вбудовували в чіпсет і користувач купував плату контроллера жорсткого диска окремо). І використовування шини VESA дозволило значною мірою поліпшити продуктивність цих пристроїв за рахунок забезпечення більш швидкого обміну з системою. Але шина VESA не позбавлена і недоліків, і вони надто істотні. По-перше: шина VESA була жорстко прив'язана до системної шини 486 процесора, іншими словами ні в яких інших системах окрім 486 вона працювати не могла. По-друге - обмеження на число пристроїв. Річ у тому, що шина VESA - не зовсім "чесна шина". Що значить не зовсім "чесна"? Річ у тому, що ряд контактів шини VESA - це контакти напряму на ніжки процесора. Це і прив'язує VESA до конкретної архітектури 486. Але цього мало! Адже при розробці процесора ніхто не враховував, що на нього буде таке додаткове електричне навантаження! Фактично встановлена в комп'ютері VESA плата - це мінус стабільності комп'ютера. Саме тому кількість VESA плат в системі обмежена, і обмеження це - 3 плати - зовсім не велике. Але і 3 плати використовувати можна далеко не завжди, а тільки при частоті шини комп'ютера 33 Мгц. При 40 Мгц шини (нагадаю, що VESA працює саме на частоті системної шини) можна використовувати тільки 2 VESA плати, при шині 50 Мгц - тільки 1 VESA плату. І це все разом: прив'язка до конкретного процесора, зменшення стабільності системи, обмеження максимум в 3 VESA пристрої і призводить до того, що у шини VESA вже у момент розробки майбутнього як би і немає! Просто VESA - це дуже добра латочка, що дозволяє забезпечити прийнятну швидкість на момент розробки, коли інших альтернатив не було, але очевидно, що на зміну VESA повинна прийти нова шина для підключення плати розширення, шина, яка буде позбавлена всіх недоліків VESA. Додамо, що оскільки VESA - конструктивно розширення ISA, то в VESA слот можна встановлювати як XT-Bus і ISA, так і спеціально розроблені для VESA плату.

Вчервні 1992 року Intel розробляє нову шину для підключення периферійних пристроїв -PCI (Peripheral Component Interconnect). Ця шина на відміну від VL-Bus є процессоронезалежною. Ця шина має розрядність 32 біти, працює на частоті 33 Мгц, забезпечуючи таким чином пропускну здатність 133 Мбайт/с. Крім того можлива реалізація 66 Мгц 64-бітової PCI, але в звичайних PC такий різновид не використовується. Сьогодні PCI - основна шина сучасного комп'ютера, і ймовірно ще довго такою залишиться. Сьогодні практично всю плату розширення виконують в роз'єм PCI, окрім плат відеоконтроллерів. Це зв'язано з тим, що саме відеосистема - найвимогливіша до пропускної спроможності шини обміну, і для відеоконтроллерів розроблена спеціальна шина, яка називається AGP (Advanced Graphics Port).

ШинаAGP має ширину 32 біти (як і PCI), але працює на частоті 66 Мгц, маючи, таким чином, удвічі велику пропускну здатність (266 Мбайт/с). Але цим справа не обмежується. Річ у тому, що шина AGP має декілька режимів роботи. При чому у всіх цих режимах частота роботи шини однакова і складає 66 Мгц. Але пропускна здатність шини AGP в різних режимах відрізняється. В режимі роботи, який називають AGP 2x, пропускна здатність шини складає 533 Мбайт/с. За рахунок чого? За рахунок того, що дані по шині передаються удвічі частіше, тобто за один період сигналу передається два біти - один на підйомі і один на спаді періодичного сигналу. Шини, що працюють в подібному режимі, називають DDR (Double Data Rate) шинами. Крім того, шина AGP може працювати і в режимі 4х, тобто біт передається двічі на підйомі і двічі на спаді сигналу, біти передаються вчетверо частіше, ніж в звичайному режимі. Шину, що працює в такому режимі, називають QDR (Quad Data Rate). Неважко підрахувати, що пропускна здатність AGP 4x складає 1066 Мбайт/с.

Тепер давайте розберемося, які ж шини для підключення плати розширення використовуються в сучасному комп'ютері і які перспективи розвитку цих шин. Основною шиною для плат розширення давно (близько 6-7) років є PCI. Пропускна здатність цієї шини (133 Мбайт/с) достатня для більшості сьогоднішніх пристроїв і для шини PCI випускається сьогодні практично всі плати розширення: аудіо плата, мережна плата, модеми, TV-приймачі і т.д. Сучасна материнська плата має 4-6 роз'ємів шини PCI. Крім того на сучасній материнській платі присутній один роз'єм AGP. Роз'єм AGP використовується тільки відеоплатою, тому він тільки один на материнській платі і реалізувати більш ніж один використовуючи звичайний чіпсет не можна. Що ж до інших, старіших шин, то тут справа йде так: шина VESA була апаратно прив'язана до 486 процесора, тому застосовуватися сьогодні практично не може. Шина EISA взагалі не знайшла широкого розповсюдження (нагадаю, була витиснена VESA). Залишається ISA. І якраз ISA застосовується в сучасних материнських платах і до цього дня. Хоча, потрібно відзначити, що ISA доживає в сучасних комп'ютерах останні дні, оскільки багато сучасних чіпсетів вже не підтримують ISA, а випуск ISA плат розширення практично зупинений вже не менше 1,5 років, але все таки навіть на сучасній платі ще можна зустріти ISA роз'єм. Отже, типова розкладка по роз'ємах сьогодні така: 1 AGP, 3-6 PCI, 0-2 ISA.