Зачем придумали шины расширения

В 70-х годах, после изобретения первого микропроцессора и создания первого персонального компьютера, встал вопрос о возможностях расширения компьютера без замены материнской платы. Было решено использовать гнезда расширения, расположенные непосредственно на материнской плате, в которые подключались платы расширения. Первым компьютером, обладавшим гнездами расширения, был Apple II. Он получил большую популярность именно благодаря наличию в нем этих гнезд.

Такое устройство ПК, с возможностью вставлять в системный блок дополнительные платы, получило название "открытая архитектура". IBM PC – совместимые компьютеры также используют открытую архитектуру (хотя были попытки «закрыть» архитектуру на компьютерах PS/2).

Благодаря открытой архитектуре сейчас мы можем выбрать, видеокарту какого производителя нам покупать, через какой модем выходить в Интернет и каким звуком наслаждаться. А благодаря тому, что спецификация шины расширений подробно документирована и доступ к документации открыт, заинтересованные фирмы получили возможность создавать собственные платы расширения, увеличивая популярность и возможности персонального компьютера.

Первая шина

В 1981 году компания IBM вместе с выпуском персонального компьютера серии PC/XT представила шину ISA (Industrial Standard Architecture - промышленная стандартная архитектура). Она стала одной из первых "шин расширения ввода-вывода" (expansion bus) для персональных компьютеров.

Шина ISA представляла интерфейс для подключения различных адаптеров и контроллеров периферийных устройств. По своему устройству она была очень простая и к тому же дешевая в производстве. ISA имела разрядность 8 bit, тактовая частота шины была 4.7 МГц и разъем для подключения устройств имел 62 контакта.

Каждое устройство, подключенное к шине, получало свое прерывание (IRQ - Interrupt ReQuest- условный сигнал, по которому устройству разрешалось передавать или получать данные). А также шина имела так называемые каналы прямого доступа в память (DMA - direct memory access). Технология DMA позволяет устройствам обмениваться данными с памятью через шину, без участия CPU, что достаточно сильно снижает нагрузку на процессор. Пропускная способность первой системной шины достигала 1.2 Мб/сек.

Бит

Спустя три года, в 1984 году, свет увидел микропроцессор i80286, и IBM представила миру новый компьютер на базе этого микропроцессора - IBM PC/AT (Advanced Technology). Новый процессор и новая шина были 16-битными. Так появилась ISA-16. Шина сохранила совместимость с предыдущими платами расширения, но при этом получила значительные доработки. В первую очередь это 8 новых линий данных (т.е. появилось 8 новых проводочков для передачи дополнительных 8-ми бит информации), что позволило стать шине 16-битной. Частота шины увеличилась вместе с частотой процессора до 8.33 МГц, и пропускная способность выросла до 5.3 Мб/сек, хотя теоретически она могла бы достигать 16 Мб/сек.

Слот расширения новой шины состоял из двух частей - длинной и короткой. Более длинная часть полностью копировала 8 разрядный слот предыдущей версии платы, а короткая часть содержала новые 36 дополнительных контактов.

Поскольку частота процессора скоро стала значительно выше частоты системной шины, появилось понятие "деление частоты", когда частота, задаваемая тактовым генератором для всей системы, делится на некое число для установки частоты работы шины расширений.

Стандарт ISA так понравился различным производителям компьютеров (не IBM совместимых), что они начали использовать его в своих разработках. Например, некоторые компьютеры Amiga и Commodore использовали эту шину.

"Шутка" от IBM

1 апреля 1987 года IBM, обеспокоенная появлением слишком большого количества клонов персональных компьютеров и выходом нового процессора i80386, представляет миру новую архитектуру персонального компьютера IBM PS/2. В ней использовалась новая системная шина MCA (Micro Channel Architecture - микроканальная архитектура). Новая шина была разработана практически с нуля и не обладала обратной совместимостью с ISA, однако стоит заметить, что она была гораздо удачнее и функциональнее. MCA имела три разных разрядности 8, 16 и 32. Частота новой шины была 10 МГц, а пропускная способность 20 Мб/сек (а теоретически можно получить и все 160 Мб/сек). Кроме того, в новой шине несколько устройств могли иметь одинаковое прерывание, и делить его между собой самостоятельно. Это еще не все революционные нововведения. Если раньше установку прерываний на платах расширения перед установкой в компьютер приходилось самостоятельно настраивать путем замыкания перемычек на плате (как на винчестере ты ставишь master/slave), то теперь платы могли самостоятельно разделять прерывания между собой. Было и множество других технических нововведений, которые опережали свое время.

Желание заработать денег погубило шину MCA, не дав ей сколько-нибудь широко распространиться. За лицензию на производство новой шины IBM просило слишком большие деньги, и независимые производители компьютеров и плат расширения просто не могли себе этого позволить. Недовольные таким поведением IBM,, несколько крупнейших производителей компьютеров создали альянс для разработки альтернативной, более дешевой и простой шины расширения. И в сентябре 1988 года Compaq, NEC, Epson, Hewlett-Packard, Olivetti и еще несколько производителей представили 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. Новая шина получила название EISA (Enhanced ISA- усовершенствованная ISA). Это был тяжелый удар по IBM, поскольку новая шина обеспечивала все преимущества шины MCA, плюс обратную совместимость со старыми системными платами. EISA имела пропускную способность 33 Мб/сек, 32-битную шину адреса, то есть за такт позволяла адресовать до 4 Гб оперативной памяти, и, конечно, автонастройку плат расширения (некий аналог технологии Plug and Play). Частота новой шины по прежнему осталась 8.33 МГц.

Интересной особенностью шины EISA стал разъем. Внешне он выглядит точно также как у ISA-16, однако в глубине разъема находится дополнительный ряд контактов.

Локальная шина

Итак, пока IBM бодалась с другими производителями, мимо проходил Intel (в то время крупный игрок на рынке системных плат), которому больше понравилась EISA, что еще сильнее уменьшило шансы MCA завоевать рынок. Но с появлением процессора i80486 ни у MCA, ни у EISA не было шансов на выживание. Четверка от Intel имела высокие частоты, а пропускная способность всех существующих на тот момент шин не позволяла реализовать все возможности нового процессора. Так началась разработка нового типа системной шины - VESA Local bus (локальная шина).

Была создана целая ассоциация Video Equipment Standard Association (VESA - ассоциация стандартов видео оборудования), представившая миру шину VLB (VESA Local Bus). Эта шина представляла собой отдельную относительно высокоскоростную шину расширений, которая была связана непосредственно с шиной процессора, и таким образом позволяла избежать задержек, связанных с работой более медленных устройств, подключаемых к стандартной шине расширений, и увеличить скорость передачи данных. Но при этом VL-Bus имела ряд существенных недостатков: электрическая нагрузка не позволяла подключать более трех плат расширения, и шина была рассчитана только на 486 процессоры. Производители стали использовать новую шину как 32 разрядное дополнение к шине ISA. Таким образом, на материнской плате появился дополнительный 116-контактный разъем. Этот разъем стал использоваться в основном для подключения видео адаптеров и скоростных контроллеров жестких дисков. VLB работала с частотой 25-50 МГц, и имела максимальную скорость обмена 130 Мб/сек.

Оценив перспективы развития шины (и не увидев ничего хорошего), в середине 1993 года, Intel выходит из ассоциации VESA и принимается за разработку альтернативной шины.

PCI

Первую версию шины PCI (Peripheral Component Interconnect - взаимосвязь периферийных компонентов) Intel закончила еще весной 1991 года. Перед инженерами компании была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволит реализовать все возможности новых процессоров 486/Pentium/PPro. В 1992 году появилась первая версия шины PCI, Intel объявила, что стандарт шины будет открытым и создала PCI Special Interest Group. Благодаря этому любой заинтересованный разработчик получил возможность создавать устройства для шины PCI не тратя деньги на лицензию. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, она могла быть 32 или 64 разрядной, и устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически, пропускная способность шины 132 Мбайт/сек, однако в реальности пропускная способность около 80 Мбайт/сек.

Год спустя, в 1993 году, появилась вторая версия шины, а в 1995 появилась версия PCI 2.1 (еще одно название - "параллельная шина PCI"), которая существует и по сей день. Она обеспечивает передачу данных по шине с частотой 66 МГц и максимальная скорость передачи 528 Мб/сек. Кроме этого, шина полностью поддерживает все возможности технологии Plug and Play (PnP).

Как и ISA, шина PCI так полюбилась различным разработчикам, что была перенесена на платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.

Стандарт	Макс. Скорость, Мб/с	Тип слота	Тип карты
PCI 1.x-2.0		32 бит, 5 В	32 бит, 5 В
PCI 2.1-2.3 33 MГц		32 бит, 5 В	32 бит, 5 В / универсальный
PCI 2.2-2.3 66 MГц		32 бит, 3,3 В	32 бит, 3,3 В / универсальный
PCI64 33 МГц (v 2.1)		64 бит, 5 В	64 бит, 5 В / универсальный
PCI64 33 МГц (v 2.2)		64 бит, 3,3 В	64 бит, 3,3 В / универсальный
PCI64 66 МГц		64 бит, 3,3 В	64 бит, 3,3 В / универсальный
PCI-X 1.0		64 бит, 3,3 В	64 бит, 3,3 В / универсальный
PCI-X 1.0		64 бит, 3,3 В	64 бит, 3,3 В

AGP

PCI всем была хороша, но со временем и она перестала справляться с объемом данных, которые передавал видеоадаптер. Программисты делали игрушки все более и более красочными, а для передачи красивой картинки нужна высокая пропускная способность. Так в 1996 году Intel объявила о разработке порта AGP (Accelerated Graphic Port), специально предназначенного для подключения мощных графических адаптеров. AGP нельзя назвать шиной, поскольку он предназначен для подключения только одного устройства. AGP непосредственно связан с шиной процессора через северный мост, таким образом, он не зависит от работы PCI устройств и не загружает стандартную шину расширений графической информацией. Впервые порт AGP увидел свет вместе с материнским платами для Pentium II. На данный момент существует три версии протокола AGP, плюс дополнительная спецификация на питание (AGP Pro) и 4 скорости передачи данных - от 1х (266 Мб/сек) до 8х (2 Гб/сек).

Смерть EISA

С появлением AGP в персональных компьютерах стало аж 3 различных слота расширения: ISA, PCI и AGP. Со временем, по мере снижения стоимости PCI-плат, многие ISA девайсы стали выпускаться в формате PCI. В это время Microsoft и Intel принимают решение убрать ISA из персональных компьютеров. Вытеснение происходило в несколько этапов: сначала в машине было много ISA-слотов и два-три PCI. Потом количество слотов сравнялось, а затем ISA слоты и вовсе исчезли.

Но с вытеснением ISA возникла маленькая проблема. Некоторые устройства, которые не следовало убирать (например, COM и LPT порты), работали с использованием ISA шины. Выход был найден быстро и просто: шина LPC (Low-Pin Count). Эта шина специально предназначена для подключения разных "незначительных" устройств: контроллера клавиатуры, LPT и COM-портов, дисководов. Пропускная способность у такой шины всего 6,7 Mб/cек.

PCI Express (PCIE)

Разработка PCIE нового межкомпонентного интерфейса была начата фирмой Intel еще тогда, когда только ожидался выход в свет AGP 3.0 (он же AGP 8х). Так, программную модель PCI планировали унаследовать и в новом интерфейсе, чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Сам же интерфейс должен был быть последовательным. Это означало, во-первых, однозначное подключение «точка-точка». Во-вторых, упрощалась схемотехника, разводка и монтаж. В-третьих, экономилось место.

Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.

Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Разъёмы шины PCI Express (сверху вниз: x4, x16, x1 и x16), по сравнению с обычным 32-битным разъемом шины PCI (внизу)

Внешние компьютерные шины

Аналогично шинам расширения, внешние шины также развивались, исходя из потребностей пользователей передавать информацию с как можно большей скокростью. Также немаловажными факторами были:

· Возможность «горячего» подключения и отключения устройств

· Упрощение физического уровня шины (уменьшение количества проводников, упрощение и удешевление контроллеров, и т.п.

· Упрощение соединительных кабелей, разъемов, удешевление комплектующих.

· Возможность увеличения количества подключаемых устройств.

Наиболее широко известны следующие внешние шины:

· Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) — шина для подключения дисковой и ленточной переферии.

· SATA, Serial ATA — современный вариант ATA (в отличие от ATA является последовательной шиной с возможностью горяцего подключения).

· PC card, ранее известная как PCMCIA, часто используется в ноутбуках и других портативных компьютерах, но теряет своё значение с появлением USB и встраиванием сетевых карт и модемов

· USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств

· SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых и ленточных накопителей

· Serial Attached SCSI, SAS — современный вариант SCSI