Внешние интерфейсы компьютера

II. Внутренние интерфейсы компьютера

Интерфейс PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) - соединение внешних компонентов. «Зачатие» интерфейса PCI происходило весной 1991 года в недрах корпорации Intel. Перспективные процессоры 80486 и Pentium требовали новой организации взаимодействия с периферийными компонентами. Инженеры Intel решили начать «с нуля» и в результате разработали шину, напрямую не связанную с системной. Так удалось обеспечить независимость интерфейса от конкретного типа процессора и его параллельную работу с несколькими устройствами PCI. Новый интерфейс оказался несовместимым ни с одним из предшествующих (ISA, VESA) и потребовал разработки набора системных микросхем. С целью обеспечить поддержку сторонних производителей Intel сделала архитектуру и спецификации PCI открытыми, поэтому вскоре образовалась группа заинтересованных организаций, создавшая и утвердившая спецификацию версии 2.1. Уточненная и усовершенствованная спецификация получила обозначение 2.2. Интерфейс PCI предусматривает тактовую частоту шины 33 МГц (вариант PCI 2.2 - до 66 МГц, PCI-X - до 133 МГц), что обеспечивает пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с (до 1064 Мбайт/с для 64-разрядных данных на частоте 133 МГц).

Конструктивно разъем 32-битной шины PCI (84 контакта) состоит из двух следующих подряд секций. Внутри второй секции имеется поперечная перегородка (ключ) для предотвращения неправильной установки карт. Разъемы и карты  к ним поддерживают уровни сигналов либо 5В, либо 3,3В, либо оба уровня (универсальные). В первых двух случаях карты должны соответствовать уровню сигнала  разъема, универсальные карты ставятся в любой разъем.

Интерфейс обеспечивает поддержку  режима Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате  сгруппированы в сегменты, число  разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются  посредством так называемых мостов (bridge). В настоящее время PCI является самым распространенным интерфейсом. С его помощью подключают к  материнской плате устройства расширения: звуковые карты, контроллеры SCSI, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты  и прочие компоненты.

Длительная популярность PCI объясняется рядом преимуществ, предоставляемых интерфейсом по сравнению с его предшественниками.

Во-первых, поддерживается синхронный обмен данными формата 32 или 64 бит. При этом используется метод мультиплексирования (передача адресов и данных по очереди по одним линиям), что позволило снизить число контактов в разъемах. 
Во-вторых, предусмотрена установка компонентов с уровнями сигналов 5В или 3,3В. «Ключи» (пластмассовые перемычки) на разъемах исключают установку плат в «чужой» слот. Возможно изготовление универсальных плат расширения, поддерживающих оба уровня сигналов (что сейчас и делает большинство производителей).

Комбинация частот шины 33 МГц или 66 МГц с разрядностью данных предоставляет достаточно широкий  диапазон для выбора пропускной способности  шины. Заметим, что при частоте 66 МГц допустим уровень сигнала  только 3,3В (а устройства на 33 МГц  могут выйти из строя на более  высокой частоте).

Спецификация PCI требует  поддержки компонентами режима Multiple Bus Mastering (многостороннее управление шиной). В таком режиме устройства перехватывают  управление шиной и самостоятельно распределяют ее ресурсы. Специальный  таймер, имеющийся на устройстве, определяет максимальное время, в течение которого возможен монопольный доступ.

Один канал контроллера PCI поддерживает до четырех слотов расширения. Для удвоения их числа применяется  мост между парой контроллеров. Метод  передачи данных по шине называют Linear Burst (метод линейных пакетов). То есть, данные при записи-чтении идут единым пакетом, так как адрес для  каждого следующего байта автоматически  увеличивается на единицу. Таким  образом отпадает необходимость  передавать адресный блок. Для ускорения  передачи применяется кэширование: поддерживаются методы отложенной «write-back»  и сквозной «write-through» записи.

Важной особенностью интерфейса PCI является поддержка протокола Plug-and-Play (PnP). Спецификацией 2.2 определены три  типа ресурсов: диапазон памяти, диапазон ввода-вывода и так называемое «пространство  конфигурации». Последний ресурс содержит три региона: заголовок (не зависит  от конкретного типа устройства), блок устройства, пользовательский блок. Заголовок  содержит информацию об изготовителе, классе устройства, другие служебные  сведения.

Содержание блока устройства зависит от его конкретного типа. В зависимости от метода выбранного изготовителем, конфигурация устройства производится либо через BIOS (если в  нем присутствует эта функция), либо программно через драйвер. Поле CardBus CIS Pointer используется для идентификации устройств с интерфейсом PCMCIA. Поле Capability Pointer определяет совместимость с ACPI.

В целом интерфейс PCI справлялся с возложенными на него задачами в  рамках присущих ему ограничений. Те же задачи, которые он не мог решить (например, передача больших массивов графических данных с высокой  скоростью), были ловко переброшены  фирмой Intel на плечи других интерфейсов (например, AGP).

До недавнего времени  шина PCI использовалась не только для  карт расширения, но и соединяла  мосты системного чипсета. Однако существенные ограничения по пиковой пропускной способности стали тормозить  рост производительности компьютерной системы. В частности, появление  жестких дисков спецификации ATА-100, сетевых карт Gigabyte Ethernet, адаптеров SCSI спецификации Ultra 160, требовало увеличения пропускной способности шины PCI в  несколько раз. Попытки усовершенствовать  шину вылились в принятие спецификации PCI-X.

64-разрядные слоты интерфейса  спецификации PCI-X (поддерживающего  тактовую частоту до 133 МГц и  передачу данных по протоколам DDR и QDR) пока встречаются только  на высокопроизводительных серверах  и рабочих станциях, так как  увеличение ширины шины (150 контактов  в разъеме!) и ее рабочих частот  привело к значительному (в  несколько раз!) удорожанию системной  платы. Вместе с тем сам принцип  параллельной разделяемой шины  себя уже изжил.

В настоящее время производителями  системной логики принято компромиссное  решение: для соединения мостов (хабов) чипсета используются специализированные шины (Intel Hub Architecture, V-Link, Hyper Transport, MuTIOL) , для карт расширения - шина PCI, которая  будет существовать до принятия нового интерфейса.

Таким образом, срок жизни  шины PCI на платформе PC постепенно истекает. Ничего необычного в этом нет - похожая  история произошла с шиной ISA, которую уже не встретишь на современных  системных платах. Очевидно, что  переход на новую локальную шину будет происходить постепенно и  сравнительно безболезненно для  обычного пользователя. Какая именно шина станет новым стандартом, пока неясно. В настоящее время основными  претендентами являются интерфейс PCI Express (3GIO), разработанный корпорацией Intel, и шина HyperTransport, предлагаемая фирмой AMD. Причем HyperTransport уже поддерживается многими наборами системной логики (Nvidia nForce, AMD 8000, SiS 765).

Пока при конфигурировании современной компьютерной системы  приходится учитывать имеющиеся  ограничения PCI. Например, производительность дисковых подсистем RAID с контроллерами на картах расширения РСI спецификаций Ultra320 SCSI и ATA-100 будет практически одинакова (при существенной разнице в цене).

Интерфейс PCI Express (3GIO)

Аббревиатура 3GIO расшифровывается как «3-е поколение шины ввода-вывода»(Third Generation Input/Output Interconnection). По физической сути архитектура шины 3GIO мало чем отличается от рассмотренной выше HyperTransport, хотя и является синхронной. В ней также используется концепция связи «точка - точка». Полноценным каналом считаются как минимум две низковольтные высокочастотные дифференциальные линии шириной от 1 до 32 бит. Система адресации полностью совместима со спецификацией PC/, что позволяет подключать устройства PCI к новой шине. Точно так же остался практически без изменений механизм автоматического конфигурирования устройств (Plug-and-Play). Данные пересылаются пакетами по 8 или 10 бит (в последнем случае два бита предназначены для поддержки механизма контроля четности и исправления ошибок). Значения снимаются по фронту и спаду сигналов, что обеспечивает удвоение физической тактовой частоты. На аппаратном уровне шина PCI Express управляется контроллером Host Bridge, предназначенным главным образом для взаимодействия с процессором, оперативной памятью и графической подсистемой компьютера. Все остальные устройства могут подключаться через специальный коммутатор, который позволяет им взаимодействовать между собой без обращения к Host Bridge и, тем более, процессору. Конечно, при обращении к памяти или графической подсистеме линия связи 3GIO проходит через коммутатор к Host Bridge. О времени начала производства реальных систем с архитектурой PCI Express пока ничего определенного сказать нельзя. Видимо, внедрение нового интерфейса начнут с серверов и рабочих станций в 2004-2005 годах, а в сферу массовых ПК он придет не скоро. Корпорация Intel взяла на себя роль неформального лидера в рабочей группе по созданию архитектуры интерфейса ввода-вывода третьего поколения. В рабочую группу вошли не менее известные фирмы Microsoft, IBM, Dell, Compaq и пр. Благодаря влиянию этих гигантов в организации PCI-SIG (Special Group for Interesting PCI Interface) в 2001 году принято предварительное решение о внедрении архитектуры 3GIO в массовые компьютерные системы для замены шины PCI и других внутренних интерфейсов. Пока реальных устройств 3GIO на рынке не существует, и появление систем с этим интерфейсом ожидается не ранее второй половины 2004 года. Тем самым Intel, не имея в руках реального продукта, пытается в очередной раз обойти AMD, хотя еще в 2001 году появились первые компьютерные системы с поддержкой интерфейса HyperTransport.

Спецификация интерфейса PCI Express предусматривает несколько  уровней взаимодействия и протоколов:

• физический;
• данных (Data Link);
• транзакций (транспортный);
• приложений и драйверов;
• конфигурационный.

Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные  дифференциальные линии связи, по одной  паре для передачи и приема данных. Масштабируемость шины достигается  кратным (1, 2, 4, 8, 16, 32) увеличением числа  линий. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается  выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации  канала. Здесь же происходит представление  данных в формате 8 или 10 бит. При  необходимости 2 бита используются для  контроля за целостностью данных. Тем  самым реализуется концепция  обмена данными «точка - точка». Теоретически полоса пропускания самого узкого канала достигает 2,5 Гбит/с в каждом направлении. С внедрением в микросхемы технологии медных соединений ожидается увеличение пиковой пропускной способности  до 10 Гбит/с. На уровне данных формируются  пакеты для передачи по выделенному  каналу и добавляется контрольная  сумма. На уровне транзакций определяется готовность буфера принимающего устройства, адресуется и пересылается пакет, проверяется  его получение и происходит повтор при обнаружении сбоя. Система  адресации и команд включает три  стандартных поля, совместимых с  интерфейсом РСI (область памяти, адрес ввода-вывода, инициализации  и конфигурирования), а также дополнительное поле сообщений (Message). В данном поле размещаются команды, требующие  немедленного выполнения: приоритетного  выделения канала, прерывания, сброса и пр. На уровне драйверов и приложений архитектура PCI Express полностью совместима с интерфейсом PCI и потому является «прозрачной для любой операционной системы, поддерживающей PCI. Тем самым  обеспечена поддержка спецификаций ACPI и Plug-and-Play без какой-либо доработки  общих программных компонентов. Помимо оконечных устройств архитектурой интерфейса предусмотрено наличие  контроллеров (Host), мостов (Bridge) и коммутаторов (Switch), что позволяет организовать сложную топологию каналов и  обеспечить совместимость с другими  интерфейсами.

Интерфейс AGP

Фирма Intel, обнаружив, что  дальнейшее повышение производительности персонального компьютера «упирается»  в видеоподсистему, уже сравнительно давно предложила выделить для передачи потока видеоданных отдельную интерфейсную шину - AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Буквально за год этот стандарт вытеснил существовавшие ранее интерфейсы, использовавшиеся видеокартами: ISA, VLB и PCI. Главным преимуществом новой шины стала ее высокая пропускная способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5,5 Мбайт/с, VLB -до 130 Мбайт/с (однако при этом чрезмерно загружала центральный процессор), а PCI до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет пиковую пропускную способность до 2132 Мбайт/с (в режиме передачи 32-разрядных слов).

Компания Intel разрабатывала  интерфейс AGP для решения двух основных проблем, связанных с особенностями  обработки ЗD-графики на персональном компьютере.

Во-первых, трехмерная графика  требует выделять как можно больше памяти для хранения данных текстур  и Z-буфера. Чем больше текстурных карт доступно для ЗD-приложений, тем лучше  выглядит картинка на экране монитора. Обычно для Z-буфера используют ту же память, что и для текстур. Разработчики видеоконтроллеров и раньше имели  возможность использовать обычную  оперативную память для хранения информации о текстурах и Z-буфере, но серьезным ограничением здесь  выступала пропускная способность  шины РСI. Ширина полосы пропускания PCI оказалась мала для обработки  графики в режиме реального времени. Эту проблему компания Intel решила путем  внедрения стандарта шины AGP. 
Во-вторых, интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Таким образом, выполняются требования вывода ЗD-графики в режиме реального времени и, кроме того, более эффективно используется память буфера кадра (frame buffer), тем самым увеличивается скорость обработки 2D-графики. В действительности шина AGP соединяет графическую подсистему с контроллером системной памяти, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP возможно подключение единственного типа устройств - графических плат. При этом видеоконтроллеры, встроенные в материнскую плату и использующие интерфейс AGP, не подлежат модернизации. Для контроллера AGP конкретный физический адрес, по которому информация хранится в оперативной памяти, не имеет значения. Это является ключевым решением новой технологии, обеспечивая доступ к графическим данным как к единому блоку памяти.

Спецификация AGP фактически базируется на стандарте PCI версии 2.1, но отличается от него следующими основными  особенностями, коренным образом влияющими  на производительность:

• шина способна передавать два (AGP2x), четыре (AGP4x) или восемь (AGP8x) блоков данных за один цикл;
• устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления материнских плат адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
• конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP работает в двух основных режимах: DIME (Direct Memory Execute) и DMA (Direct Memory Access). В режиме DMA основной памятью считается память на карте. Текстуры могут храниться в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Таким образом, интерфейс AGP действует в качестве «подносчика патронов» (текстур) к огневой позиции (в локальную память). Обмен ведется большими последовательными пакетами данных.