Курсовая работа: Анализ состояния и перспективы развития в области создания компьютерных шин

Основные возможности шины следующие:

• синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными (64разрядная шина в настоящее время используется только в Alphaсистемах и серверах на базе процессоров IntelXeon). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям;

• частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима);

• полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине);

• спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео, звук и так далее).

Рисунок 1. Архитектуры шин PCI(1) b PCX(2)

Рисунок 2.Типы PCI-разъёмов

компьютерная шина

PCI-X

PCI-X не только увеличивает скорость PCI-шины, но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине РС1-слоты работают на 33 МГц, а один слот может работать при 66 МГц. PCI-X удваивает производительность стандарта PCI, поддерживая один 64-битовый слот на частоте 133 МГц, а общую производительность увеличивает до 1 Гбайт/с.

Новая спецификация также предлагает расширенный протокол для увеличения эффективности передачи данных и снизить требования к электропитанию.

PCI Express (PCX) PCI Express 1.0

PCI Express -- компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Последовательная шина, разработанная фирмой Intel и ее партнерами. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group. PCI Express призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

*карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

*слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

Частота, на которой работает шина PCI Express - 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек для каждого устройства PCIExpressx1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCIExpress является двунаправленной шиной (Табл.2).

Табл.1 Таблица пропускной способности PCI.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;

• гарантированная полоса пропускания (QoS);

• управление энергопотреблением;

• контроль целостности передаваемых данных.

PCI Express 2.0

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность -- спецификация PCIExpress 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.

• Динамическое управление скоростью -- для управления скоростью работы связи.

• Оповещение о пропускной способности -- для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.

• Расширения структуры возможностей -- расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом.

• Службы управления доступом -- опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.

PCI Express 3.0

PCI-SIG в середине августа 2010 года представила версию 0.9 спецификации PCI Express 3.0.

Для пользователей основное отличие между PCI Express 2.0 и PCI Express 3.0 будет заключаться в значительном увеличении максимальной пропускной способности. У PCI Express 2.0 сигнальная скорость передачи составляет 5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), то есть пропускная способность равняется 500 Мбайт/сдля каждой линии. Таким образом, основной графический слот PCI Express 2.0, который обычно использует 16 линий, обеспечивает двунаправленную пропускную способность до 8 Гбайт/с.

У PCI Express 3.0 мы получим удвоение этих показателей. PCI Express 3.0 использует сигнальную скорость 8 ГТ/с, что даёт пропускную способность 1 Гбайт/с на линию. Таким образом, основной слот для видеокарты получит пропускную способность до 16 Гбайт/с.

Предполагается также, что PCI Express в дальнейшем сможет заменить в чипсетах контроллер внешних устройств «Southbridge», но это не повлияет на функции контроллера оперативной памяти «Northbridge».

Рисунок 3.Различия топологий PCI и PCI-Express

AGP

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) разработана компанией Intel в 1997 году специально для работы с видеокартой, при частоте 66 Мгц имеет 32-разрядную шину данных. В настоящее время вытеснена шиной PCI-E. Шина позволяет использовать конвейеризацию обращений, то есть посылать данные в виде непрерывных пакетов. В шине PCI посылается предыдущее данное и адрес для следующего данного, после чего происходят временные задержки, а в шине AGP посылаются несколько адресов и несколько данных один за другим, что уменьшает задержки. Имеется возможность постановки в очередь до 256 запросов, и поддерживать две очереди для операций чтения/записи с высоким и низким приоритетом. Сдвоенная передача, то есть передача за один такт двух данных вместо одного, позволяет иметь пропускную способность при частоте 66 Мгц до 528 Мбайт/сек. Позволяет работать на частоте до 100 Мгц и выше с более высокой пропускной способностью. Учетверенная передача позволяет передавать до 1 056 Мбайт/сек.

Для шины AGP существует несколько стандартов: AGP 1Х, 2Х, 4Х, Pro и 8Х. Большинство карт работает со стандартом 4Х и 8Х. В оперативной памяти хранятся не только части изображения, но и графические текстуры. Чтобы видеосистема могла обращаться только к тем областям памяти, которые ее касаются, используется специальная таблица GART (GraphicsAddressRemappingTable - графическая таблица переадресации адресов), которая определяет эти области памяти.

В шине имеется возможность для видеопроцессора обращаться непосредственно к участкам оперативной памяти, так же как и к видеопамяти, и обрабатывать там текстуры в режиме DiMe (Direct Memory Execution), при этом адресация одинакова. Шина применяется для процессоров Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и Pentium IV, но может работать и с процессорами Pentium.

Рисунок 4. Шина AGP в компьютере

HyperTransport

Шина HyperTransport (HT)-- это двунаправленная последовательнопараллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками. Фирмой AMD была (процессор Hammer) предложена архитектура ГиперТранспорт (HyperTransport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации многопроцессорных систем и повышения скорости передачи данных более чем в 20 раз.

Рисунок 5. Интерфейс Hyper Transport

В основу шины Hyper Transport - универсальной шины межчипового соединения - положено две концепции: универсальность и масштабируемость. Универсальность шины Hyper Transport заключается в том, что она позволяет связывать между собой не только процессоры, но и другие компоненты материнской платы. Масштабируемость шины состоит в том, что она дает возможность наращивать пропускную способность в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Рисунок 6.Масштабируемость шин PCI и Гипер Транспорт

Устройства, связываемые по шине HyperTransport, соединяются по принципу «точка-точка» (peer-to-peer), что подразумевает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Передача и прием данных могут происходить в асинхронном режиме, причем передача Данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт. Масштабируемость шины HyperTransport обеспечивается посредством магистрали шириной 2.4, 8.16 и 32 бит в каждом направлении. Кроме того, предусматривается возможность работы на различных тактовых частотах (от 200 до 800 МГц). При этом передача данных происходит по обоим фронтам тактового импульса. Таким образом, пропускная способность шины Hyper Transport меняется от 200 Мбайт/с при использовании частоты 200 МГц и двух двухбитовых каналов до 12.8 Гбайт/спри использовании тактовой частоты 800 МГц и двух 32-битовых каналов.

Демонстрирует, насколько разводка для Гипер Транспорта экономичнее, чем для традиционных шин - достаточно сравнить площади, занимаемые на системной плате шиной AGP 8х с пропускной способностью 2 Гбайт/с и Гипер Транспорт (до 6.4 Гбайт/с).

6. Внешние шины

USB

USB (Universal Serial Bus -- универсальная последовательная шина) - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Шина появилась 15 января 1996 года. Интерфейс USB сегодня стал общепринятым стандартом для подключения к системному блоку различных внешних устройств. В старых компьютерах было всего два разъема USB, расположенных на задней панели системного блока. У современных компьютеров их может быть шесть, восемь и более, причем располагаются они как на задней, так и на передней панели системного блока.

В начале своего существования шина USB 1.0 предназначалась для подключения только низкоскоростных устройств с небольшой скоростью передачи данных. В режиме низкой скорости к шине предполагалось подключать клавиатуры, мыши и джойстики; матричные принтеры и дигитайзеры; цифровые модемы для обычных телефонных линий и фотокамеры.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• Максимальная скорость обмена 12 Mбит/с.

• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена ~ 5 м.

• Низкая скорость обмена 1,5 Mбит/с.

• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена ~ 3 м.

• Максимальное количество подключенных устройств -- 127.

• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.

• Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких, как терминаторы для SCSI.

• Напряжение питания для периферийных устройств --5 В.

• Максимальный ток потребления на одно устройство -- 500 мA (не следует думать, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127[500 мA = 63,5 A).

Шина строго ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства». Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов «от хоста». Соединение 2 компьютеров -- или 2 периферийных устройств -- пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки драйверов с обеих сторон.

USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года. USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-speed, 10--1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстика)

• Full-speed, 0,5--12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

• Hi-speed, 25--480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

USB 3.0

Новый стандарт на порядок превосходит предел в 480 Мбит/с для USB 2.0, устанавливая планку теоретической максимальной скорости передачи данных на отметке в 4.8 Гбит/с.

В отличие от предыдущих реализаций интерфейса, в которых поддерживалась лишь одна операция единовременно, USB 3.0 может производить чтение и запись данных в двух направлениях независимо. Это было достигнуто добавлением по паре выделенных Super Speed линий, как для передачи, так и для приема данных. Таким образом, общее число каналов возросло с четырех у USB 2.0 до девяти, если считать отдельную землю USB 3.0.