Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru

В начале 80-х годов прошлого столетия, когда очень остро стоял вопрос о том, какая из целого рада появившихся в то время архитектур займет лидирующие позиции в мире персональных компьютеров, победа, как мы все хорошо знаем, досталась решению, предложенному корпорацией IBM. И теми китами, на которых покоилась архитектура компьютера, которой ни сейчас, ни в обозримом будущем не предвидится никакой реальной замены, были принцип открытости этой самой архитектуры и шинная организация взаимодействия всех его основных компонентов. Вот об этих шинах мы сегодня и поговорим. Современная системная шина - это не просто большое количество медных проводников, расположенных рядом и соединяющие отдельные устройства. Это, прежде всего, протокол, с помощью которого происходит обмен данными, и на сегодняшний день в наших системах присутствуют следующие типы шин:

• ISA (Industry Standard Architecture) - умирающая шина, которая, по задумкам Intel и Microsoft, должна была закончить свое существование еще 3 года назад, но до сих пор, благодаря огромному количеству самых разнообразных внешних устройств, использующих ее, сдает свои позиции совсем не так быстро, как того хотелось бы грандам индустрии;
  
• PCI (Peripheral Component Interconnect) - разработана фирмой Intel для использования в системах с процессорами типа Pentium и в течение 10 лет является стандартом де-факто среди компьютерных шин общего назначения;
  
• AGP (Accelerated Graphics Port) - ускоренный графический порт, внедренный все той же фирмой Intel, являющийся расширением шины PCI и призванный увеличить пропускную способность шины, связывающей видеокарту с процессором и памятью.

Расположение слотов расширения на материнской плате (сверху вниз):
- коричневый - AGP Pro
- 5 белых - PCI
- черный - ISA

ISA

8-битную шину ISA разработала компания IBM в 1981 году для использования в компьютерах серии PC/XT. В 1984 году, при создании архитектуры АТ, разрядность этой шины была расширена до 16 бит, и в таком виде она и дожила до нынешних времен, в течение 15 лет являясь отраслевым стандартом. Шина представляла собой синхронную 16-битную шину с раздельными линиями адреса и данных, работающую на частоте 8,33 Мгц, с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания по переднему или заднему фронтам сигнала на линии соответствующего IRQ. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Основной особенностью шины ISA является простота ее реализации и, как ни странно это звучит, низкая рабочая частота, что позволяет до сих пор использовать ее при создании нестандартных периферийных устройств самого различного назначения. До самого последнего времени шина ISA была единственной, для которой изготовлялись внутренние модемы с аппаратной реализацией управляющих схем, да и многие недорогие SCSI-сканеры комплектовались интерфейсными картами, рассчитанными именно под эту шину. Но, тем не менее, в настоящий момент шина ISA практически закончила существование, передав свои функции более современным шинам: параллельной PCI и последовательной USB.

PCI

Появившаяся в 1992 году шина PCI имела несколько особенностей, позволивших ей за короткое время занять господствующее положение в наших ПК, оттеснив многочисленных конкурентов. Главными из них были ее открытая, доступная всем и каждому, архитектура и независимость от процессорной шины. Шина PCI является синхронной 32-х разрядной (кроме этого, существуют ее 64-разрядные версии, которые мы рассматривать не будем, так как из-за своей высокой стоимости они используются исключительно в дорогих рабочих станциях и серверах) и работает на частоте 33 Мгц, обеспечивая пропускную способность (с использованием пакетного режима пересылки данных) 133 Мб/с. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI. Важной особенностью шины является реализация принципа Bus-master, что позволяет картам расширения производить обмен данными с памятью без обращения к процессору. Для уменьшения количества проводников в шине PCI используется принцип мультиплексирования данных, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же физическим линиям поочередно. PCI-устройства оборудованы таймером, определяющим максимальный период времени, когда устройство может занимать шину.

Автоконфигурирование устройств PCI (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы в соответствие со стандартом Plug&Play. Действующая в настоящее время спецификация PCI 2.2 обеспечивает поддержку плат расширения с напряжениями питания как 3,3, так и 5 вольт, причем тип платы определяется расположением ключей в разъеме. Если у карты PCI есть две ключевые выемки, то она поддерживает любой из вариантов слота, если же на ней только одна выемка ближе к передней части платы, то эта карта только на 3,3 вольта. При расположении выемки ближе к задней части - карта пятивольтовая.

AGP

В результате широкого распространения 3D-графики и поддерживающих ее видеокарт, нагрузка на шину PCI достигла предельных для нее значений, превратив участок процессор - PCI-видеокарта в очередное "узкое место" системы. Для разрешения возникшей проблемы с наименьшими затратами специалистами Intel была предложена новая спецификация шины, ориентированной исключительно для обмена данными с видеоадаптером: AGP 1.0, являющейся, по сути дела, расширением старой доброй шины PCI. С целью ускорения обмена данными была устранена мультиплексированность линий адреса и данных (напомню, что в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям), удвоена тактовая частота и реализована (в режиме AGP 2x) схема DDR, когда по шине передается 2 блока данных за один цикл. В результате предельная пропускная способность шины составила 533 Мбайт/с. Но очень скоро и этого стало не хватать, поэтому в новой спецификации AGP 2.0 (режим 4x), благодаря снижению напряжения питания видеокарт с 5 до 3,3 V, а, значит, и амплитуды сигналов в шине, появилась возможность осуществлять не 2, а 4 транзакции (пересылки блока данных) за один такт, что удвоило пропускную способность шины, доведя ее до 1066 Мбайт/с. Для автоматического распознавания видеокарт разных спецификаций используются различные конфигурации их разъемов:

Разъем AGP 2x


Разъем AGP 4x

Шина AGP имеет два основных режима работы: DIME и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты, используя механизм, аналогичный Bus-master на шине PCI. В режиме DIME (DIrect Memory Execute - непосредственное выполнение в памяти, иногда используется другой термин - AGP-текстурирование) локальная и системная память для видеокарты логически равноправны, что позволяет использовать часть системной памяти для хранения текстур. В спецификации AGP 2.0 появилась поддержка нового режима передачи данных Fast Writes. Он позволяет процессору напрямую, не обращаясь к системной памяти, передавать данные ускорителю со скоростью 4х. Следует упомянуть, что далеко не все системные чипсеты и видеокарты поддерживают режимы DIME и Fast Writes, и в первую очередь это относится к все еще достаточно распространенным видеокартам на чипах 3dfx.

Для полупрофессиональных и профессиональных видеоакселераторов, отличающихся повышенным потреблением электроэнергии (впрочем, этим грешат и некоторые игровые видеокарты - вспомним последних монстров 3dfx Voodoo 5 и т.п.), предназначается еще одна разновидность стандарта AGP - AGP Pro, которая отличается лишь наличием в разъеме дополнительных линий питания. Эти контакты расположены в небольшой секции, добавленной к передней части стандартного разъема AGP и обеспечивают работоспособность видеокарт, потребляющих до 110W. Но в настоящее время, в связи с переходом ведущих производителей видеочипов в своих изделиях на все более тонкие техпроцессы, насущной необходимости применения разъема AGP Pro нет, поэтому их использование служит лишь целям маркетинга, символизируя максимальную степень "навороченности" данной конкретной материнской платы.

Примерно тоже можно сказать и о планируемом в середине этого года, после появления чипсетов нового поколения, таких как i854G/E от Intel, P4X333 и КТ333А от VIA, а также SiS655 и SiS755 от SiS, массовом внедрении новой спецификации AGP версии 3.0, обеспечивающий режим работы AGP 8x. Эта спецификация будет последней, базирующейся на стандарте шины PCI. Несложно подсчитать, что предельная пропускная способность шины составит в этом случае уже 2133 Мбайт/с. Но ведь тенденция, наметившаяся в последние годы, свидетельствует о том, что современные видеопроцессоры берут на себя все большую часть вычислений, необходимых для формирования сложных объемных изображений, да и объем локальной памяти на видеокартах неуклонно растет, что ведет к уменьшению потока данных от процессора к видеокарте. Так что я сильно сомневаюсь, что такая полоса пропускания будет реально востребована в ближайшее, а может быть, и не только, время. Похоже, и в данном случае отделы маркетинга ведущих фирм-производителей компьютерного "железа", в погоне за кошельками доверчивых потребителей, изо всех сил толкают "локомотив прогресса" вперед, к своему светлому будущему.

Перспективные шины

Ну хорошо, все это мы имеем сегодня, но что же нас ждет в ближайшем будущем? Ведь шина PCI уже сегодня становится "бутылочным горлышком" при передаче данных между системными компонентами, а завтра именно ее пропускная способность может существенно ограничить производительность перспективных компьютеров. Поэтому в настоящее время создаются несколько новых стандартов системных шин. Но, естественно, самое пристальное внимание приковано к разработкам двух извечных конкурентов - Intel и AMD, каждый их которых создает свой собственных проект системной шины будущего. Эти технологии, Arapahoe и HyperTransport, призваны заменить системную шину PCI, поэтому приз в этой гонке новых шин достаточно заманчив: определение архитектурного облика компьютеров будущих поколений. Обе фирмы образовали, каждая свою, "группы поддержки". Первую, под названием HyperTransport Technology Consortium (HTTC), возглавляет AMD. Эта группа продвигает на рынок одноименный стандарт под названием HyperTransport. Вторая группа, возглавляемая Intel, имеет название Arapahoe Working Group и стандарт называется, соответственно, Arapahoe.

В настоящий момент оба эти стандарта позиционируются как открытые, но, как мы не раз убеждались, в будущем может многое измениться. Открытый стандарт может превратиться в закрытый, а это повлечет за собой лицензионные отчисления каждого производителя компонентов, который будет использовать этот стандарт.

Arapahoe

Шина Arapahoe, на начальной стадии разработки известная как 3GIO (3D Generation Input/Output) и призванная заменить не только устаревающую PCI, но и так и не получившую особо широкого распространения шину PCI-X, должна обеспечить высокоскоростное соединение между компонентами компьютера, а также между компьютером и другими устройствами. Разработчики обещают совместимость с существующими шинами, такими как InfiniBand, IEEE 1394b (FireWire), USB 2.0, Serial ATA и 1/10 Ethernet. Шина Arapahoe представляет собой симметричную двунаправленную шину, обеспечивающую передачу данных по одной линии со скоростью вплоть до 2.5 Гбит/с. В отличие от PCI, шина Arapahoe будет достаточно гибкой с точки зрения обеспечения максимальной пропускной способности, определяемой количеством используемых линий приема/передачи данных, задействованных разработчиком системы в зависимости от его потребностей в каждом конкретном случае. Например, в случае реализации 32 линий интерфейса, пропускная способность шины составит величину порядка 10 Гбайт/с, что почти в 20 раз быстрее скорости работы нашей старой знакомой - 32-битной 33-мегагерцовой шины PCI. Как и шина PCI, Arapahoe использует технологию подключения периферийных устройств с помощью моста, но дополненную переключателями оконечных точек, позволяющими направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя сам мост, то есть, позволяя осуществить подключение по схеме "peer-to-peer". Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных. Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и QDR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.

HyperTransport

Так же как и Arapahoe, системная шина HyperTransport, ранее известная как LDT (Lightning Data Transport) - это peer-to-peer шина, позволяющая обмениваться информацией между периферийными устройствами, не задействуя процессор и память. Протокол новой шины использует пакетированную передачу данных, когда за передачу данных между устройствами отвечает контроллер шины. Обе конкурирующие технологии, и Arapahoe, и HyperTransport имеют много общего, так, например, обе они позволяют производителям аппаратного обеспечения изменять количество сигнальных линий, что влечет за собой изменение количества выводов на плате, если, конечно, этого требует реализация, а также изменение потребляемой мощности, так как дополнительные линии требуют соответствующего питания. Но, в отличие от симметричной Arapahoe, пропускная способность которой одинакова во всех направлениях, асимметричная шина HyperTransport позволяет подключенным устройствам обмениваться пакетами информации, пропускаемыми в разных направлениях с разной скоростью. Такое решение способствует максимальному использованию возможностей системы в тех случаях, когда информационные потоки в разных направлениях имеют сильно отличающуюся интенсивность, например, в устройствах вывода видеоинформации. Шина позволяет передавать данные с частотой в 800 МГц по переднему и заднему фронтам тактового импульса, так что суммарная скорость работы шины получается около 12.8 Гбайт/с при передаче 16-разрядного слова за один такт.

В отличие от Arapahoe, находящейся в процессе разработки и время которой наступит не ранее следующего года, шина HyperTransport имеет определенные преимущества, так как уже сейчас начинает практически использоваться в компьютерных устройствах. Так, например, в чипсетах серии nForce компании nVIDIA эта шина используется для связи северного и южного мостов IGP и MCP в следующей конфигурации: 8-битный 200-мегагерцовый канал в одну сторону и такой же в обратную, что обеспечивает суммарную пропускную способность 800 Мбайт/с против 266 Мбайт/с у современных чипсетов, имеющих хабовую архитектуру. Но еще более интересное решение представляет разрабатываемый AMD новый 32/64-разрядный процессор Hammer, который должен появиться к концу этого года и имеющий в своем составе интегрированный контроллер шины HyperTransport.

Таким образом, на новом витке конкурентной борьбы между двумя процессорными гигантами, захватившей теперь уже и саму основу современного компьютера - системные шины, не исключено возникновение ситуации, которая может привести к окончательному расколу ранее единой архитектуры IA на два не совместимых друг с другом направления, что, конечно же, будет крайне прискорбно для всех нас.