Внутренние интерфейсы персонального компьютера. Слоты расширения

Как вы уже знаете, слоты расширения – это разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, увеличивающие возможности вашего компьютера: видеоплата, аудиоплата и сетевая плата.

Когда вы вставляете плату расширения в слот расширения (то есть подключаете видео-, аудио-, сетевую плату к материнской плате), происходит передача данных между оперативной памятью и платой, которую вы вставили. Эти данные передаются по специальной электронной магистрали – шине.

На современных компьютерах обычно стоят две из трех шин:

PCI (Peripheral Component Interconnect) – до недавнего времени самая распространенная 32-битная шина, разработанная компанией Intel, позволяет подключать к материнской плате до 10 плат расширения (но обычно на системной плате вы найдете не более четырех PCI-слотов);

AGP (Accelerated Graphic Port) – была разработана для того, чтобы снизить нагрузку на шину PCI – по шине AGP передаются только видеоданные; к слоту AGP можно подключить только AGP-видеокарту;

PCI Express – новое поколение шины PCI.

На современных материнских платах можно встретить разъемы (слоты) двух типов: или AGP и PCI, или PCI и PCI Express. Внешне отличить эти разъемы очень просто – по цвету:

белый слот – шина PCI;

коричневый слот – шина AGP;

черный слот – шина PCI Express.

Поговорим подробнее о PCI Express, поскольку это шина будущего.

Стоит отдельно сказать о единицах измерения информации. Базовая единица измерения информации – один бит. Бит может содержать одно из двух значений – или 0 или 1. Восемь битов формируют байт. Этого количества битов достаточно, чтобы с помощью ноликов и единичек закодировать один символ. То есть в одном байте помещается один символ информации – буква, цифра и т. д. 1024байта– это один килобайт (Кб), а 1024 килобайта– это 1 мегабайт (Мб). 1024 мегабайта – это 1 гигабайт (Гб), а 1024гигабайта– это 1 терабайт (Тб). Обратите внимание, именно 1024, а не 1000. Почему было выбрано значение 1024? Потому что в компьютере используется двоичная система счисления (есть только два значения– 0 и 1). 2 в 10-й степени – это и есть 1024.

Не всегда, но часто большая буква «Б» при указании единицы измерения информации означает «байт», а маленькая – «бит». Например, 528 Мб – это 528 мегабит, если перевести эту величину в мегабайты (просто разделите на 8), то получится 66 мегабайтов (66 Мб).

Первое поколение PCI Express – PCI Express 1х. Пропускная способность этой шины составляет 0,5 Гб/с. Потом были выпущены спецификации PCI Express 1х, 2х, 4х, 8х, 12х, 16х, 32х. Узнать пропускную способность каждой спецификации просто – нужно «множитель» (например, 2х) умножить на 0,5 Гб/с. Так, пропускная способность шины PCI Express 4х составляет 2 Гб/с, а 32х – 16 Гб/с.

Отличить шины PCI Express друг от друга сложно. Легко вычислить только спецификацию PCI Express 1х – слот данной шины примерно в два раза короче, чем слот шин 2х-32х. На рис. 9 изображены три слота расширения: белый – это PCI, черный короткий – это PCI Express 1х, черный длинный– PCI Express 4х.

Рис. 9. Слоты расширения PCI, PCI Express 1х, PCI Express 4х.

А как же различить другие слоты? Об этом не нужно заботиться. Все платы PCI Express совместимы между собой, главное, чтобы плата физически устанавливалась в слот расширения. У вас может быть слот расширения 32х, а устанавливаемая плата рассчитана на4х, но вы можете смело ее устанавливать – она будет работать на своих 4х. Если же материнская плата поддерживает только PCI Express 4х, а вы хотите установить более новую плату PCI Express 16х, то она тоже будет работать, правда, на скорости 4х – тут скорость будет «зажата» возможностями шины.

В октябре 2006 года была разработана вторая версия PCI Express – PCI Express 2.0. Пока данная шина особо не распространена, но сообщается, что она полностью совместима с первой версией и в базовом варианте обеспечивает пропускную способность до 5 Гб/с.

При смене одной только видеокарты обязательно нужно учитывать, что новые модели могут просто не подходить к вашей материнской плате, так как существует не просто несколько разных типов слотов расширения, но и несколько разных их версий (применительно и к AGP, и к PCI Express). Если вы не уверены в своих знаниях по этой теме, внимательно ознакомьтесь с разделом.

Как мы уже отметили выше, видеокарта вставляется в специальный разъем расширения на системной плате компьютера, через этот слот видеочип обменивается информацией с центральным процессором системы. На системных платах чаще всего есть слоты расширения одного-двух разных типов, отличающихся пропускной способностью, параметрами электропитания и другими характеристиками, и не все из них подходят для установки видеокарт. Важно знать имеющиеся в системе разъемы и покупать только ту видеокарту, которая им соответствует. Разные разъемы расширения несовместимы физически и логически, и видеокарта, предназначенная для одного типа, в другой не вставится и работать не будет.

К счастью, за прошедшее время успели кануть в лету не только слоты расширения ISA и VESA Local Bus (которые интересны лишь будущим археологам) и соответствующие им видеокарты, но практически исчезли и видеокарты для слотов PCI, а все AGP-модели безнадежно устарели. И все современные графические процессоры используют только один тип интерфейса — PCI Express. Ранее был широко распространён стандарт AGP, эти интерфейсы значительно отличаются друг от друга, в том числе пропускной способностью, предоставляемыми возможностями для питания видеокарты, а также другими менее важными характеристиками.

Лишь очень малая часть современных системных плат не имеет слотов PCI Express, и если ваша система настолько древняя, что использует AGP видеокарту, то заняться её апгрейдом не получится — нужно менять всю систему. Рассмотрим эти интерфейсы подробнее, именно эти слоты вам нужно искать на своих системных платах. Смотрите фотографии и сравнивайте.

AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) — это высокоскоростной интерфейс, основанный на спецификации PCI, но созданный специально для соединения видеокарт и системных плат. Шина AGP хотя и лучше подходит для видеоадаптеров по сравнению с PCI (не Express!), предоставляет прямую связь между центральным процессором и видеочипом, а также некоторые другие возможности, увеличивающие производительность в некоторых случаях, например, GART — возможность чтения текстур напрямую из оперативной памяти, без их копирования в видеопамять; более высокую тактовую частоту, упрощенные протоколы передачи данных и др., но этот тип слотов безнадёжно устарел и новых изделий с ним давно не выпускают.

Но всё же, для порядка упомянем и об этом типе. Спецификации AGP появились в 1997 году, тогда Intel выпустил первую версию описания, включающую две скорости: 1x и 2x. Во второй версии (2.0) появился AGP 4x, а в 3.0 — 8x. Рассмотрим все варианты подробнее:
AGP 1x — это 32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI (133 Мбайт/с, 33 МГц и 32 бит).
AGP 2x — 32-битный канал, работающий с удвоенной пропускной способностью 533 Мбайт/с на той же частоте 66 МГц за счет передачи данных по двум фронтам, аналогично DDR памяти (только для направления «к видеокарте»).
AGP 4x — такой же 32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная «эффективная» частота 266 МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с.
AGP 8x — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить пропускную способность уже до 2,1 ГБ/с.

Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1,5 В, не работают в слотах 3,3 В, и наоборот. Впрочем, существуют и универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. Видеокарты, рассчитанные на морально и физически устаревший слот AGP, давно не рассматриваются, поэтому чтобы узнать о старых AGP-системах, лучше будет ознакомиться со статьей:

PCI Express (PCIe или PCI-E, не путать с PCI-X), ранее известная как Arapahoe или 3GIO, отличается от PCI и AGP тем, что это последовательный, а не параллельный интерфейс, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность. PCIe — это лишь один из примеров перехода от параллельных шин к последовательным, вот другие примеры этого движения: HyperTransport, Serial ATA, USB и FireWire. Важное преимущество PCI Express в том, что он позволяет складывать несколько одиночных линий в один канал для увеличения пропускной способности. Многоканальность последовательного дизайна увеличивает гибкость, медленным устройствам можно выделять меньшее количество линий с малым числом контактов, а быстрым — большее.

Интерфейс PCIe 1.0 пропускает данные на скорости 250 Мбайт/с на одну линию, что почти вдвое превышает возможности обычных слотов PCI. Максимально поддерживаемое слотами PCI Express 1.0 количество линий — 32, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с. А слот PCI e с восемью рабочими линиями примерно сопоставим по этому параметру с быстрейшей из версий AGP — 8x. Что еще больше впечатляет при учете возможности одновременной передачи в обоих направлениях на высокой скорости. Наиболее распространенные слоты PCI Express x1 дают пропускную способность одной линии (250 Мбайт/с) в каждом направлении, а PCI Express x16, который применяется для видеокарт и в котором сочетается 16 линий, обеспечивает пропускную способность до 4 ГБ/с в каждом направлении.

Несмотря на то, что соединение между двумя PCIe-устройствами иногда собирается из нескольких линий, все устройства поддерживают одиночную линию, как минимум, но опционально могут работать с большим их количеством. Физически, карты расширения PCIe входят и работают нормально в любых слотах с равным или большим количеством линий, так, карта PCI Express x1 будет спокойно работать в разъемах x4 и x16. Также, слот физически большего размера может работать с логически меньшим количеством линий (например, на вид обычный разъем x16, но разведены лишь 8 линий). В любом из приведенных вариантов PCIe сам выберет максимально возможный режим, и будет нормально работать.

Чаще всего для видеоадаптеров используются разъемы x16, но есть платы и с разъемами x1. А большая часть системных плат с двумя слотами PCI Express x16 работает в режиме x8 для создания SLI- и CrossFire-систем. Физически другие варианты слотов, такие как x4, для видеокарт не используются. Напоминаю, что всё это относится только к физическому уровню, попадаются и системные платы с физическими разъемами PCI-E x16, но в реальности с разведенными 8, 4 или даже 1 каналами. И любые видеокарты, рассчитанные на 16 каналов, работать в таких слотах будут, но с меньшей производительностью. Кстати, на фотографии выше показаны слоты x16, x4 и x1, а для сравнения оставлен и PCI (снизу).

Хотя разница в играх получается не такой уж и большой. Вот, например, обзор двух системных плат на нашем сайте, в котором исследуется разница в скорости трехмерных игр на двух системных платах, пара тестовых видеокарт в которых работает в режимах 8 каналов и 1 канала соответственно:

Интересующее нас сравнение — в конце статьи, обратите внимание на две последние таблицы. Как видите, разница при средних настройках весьма небольшая, но в тяжелых режимах начинает увеличиваться, причем, большая разница отмечена в случае менее мощной видеоплаты. Примите это к сведению.

PCI Express отличается не только пропускной способностью, но и новыми возможностями по энергопотреблению. Эта необходимость возникла потому, что по слоту AGP 8x (версия 3.0) можно передать лишь не более 40 с небольшим ватт суммарно, чего уже не хватало видеокартам тогдашних поколений, рассчитанных для AGP, на которых устанавливали по одному или двум стандартным четырехконтактным разъемам питания. По разъему PCI Express можно передавать до 75 Вт, а дополнительные 75 Вт получают по стандартному шестиконтактному разъему питания (см. последний раздел этой части). В последнее время появились видеокарты с двумя такими разъемами, что в сумме даёт до 225 Вт.

В дальнейшем группа PCI-SIG, которая занимается разработкой соответствующих стандартов, представила основные спецификации PCI Express 2.0. Вторая версия PCIe вдвое увеличила стандартную пропускную способность, с 2,5 Гбит/с до 5 Гбит/с, так что разъем x16 позволяет передавать данные на скорости до 8 ГБ/с в каждом направлении. При этом PCIe 2.0 совместим с PCIe 1.1, старые карты расширения обычно нормально работают в новых системных платах.

Спецификация PCIe 2.0 поддерживает скорости передачи как 2,5 Гбит/с, так и 5 Гбит/с, это сделано для обеспечения обратной совместимости с существующими решениями PCIe 1.0 и 1.1. Обратная совместимость PCI Express 2.0 позволяет использовать устаревшие решения с 2,5 Гбит/с в слотах 5,0 Гбит/с, которые просто будут в таком случае работать на меньшей скорости. А устройства, разработанные по спецификациям версии 2.0, могут поддерживать скорости 2,5 Гбит/с и/или 5 Гбит/с.

Хотя основное нововведение в PCI Express 2.0 — это удвоенная до 5 Гбит/с скорость, но это не единственное изменение, есть и другие модификации для увеличения гибкости, новые механизмы для программного управления скоростью соединений и т. п. Нас больше всего интересуют изменения, связанные с электропитанием устройств, так как требования видеокарт к питанию неуклонно растут. В PCI-SIG разработали новую спецификацию для обеспечения увеличивающегося энергопотребления графических карт, она расширяет текущие возможности энергоснабжения до 225/300 Вт на видеокарту. Для поддержки этой спецификации используется новый 2×4-штырьковый разъем питания, предназначенный для обеспечения питанием топовых моделей видеокарт.

Видеокарты и системные платы с поддержкой PCI Express 2.0 появились в широкой продаже уже в 2007 году, а теперь на рынке других и не встретить. Оба основных производителя видеочипов, AMD и NVIDIA, выпустили новые линейки GPU и видеокарт на их основе, поддерживающие увеличенную пропускную способность второй версии PCI Express и пользующиеся новыми возможностями по электрическому питанию для карт расширения. Все они обратно совместимы с системными платами, имеющими на борту слоты PCI Express 1.x, хотя в некоторых редких случаях наблюдается несовместимость, так что нужно быть осторожным.

Собственно, появление третьей версии PCIe было очевидным событием. В ноябре 2010 года спецификации третьей версии PCI Express окончательно утвердили. Хотя этот интерфейс обладает скоростью передачи 8 гигатранзакций/с вместо 5 Гт/с у версии 2.0, его пропускная способность снова возросла ровно вдвое по сравнению со стандартом PCI Express 2.0. Для этого применили иную схему кодирования пересылаемых по шине данных, но совместимость с предыдущими версиями PCI Express при этом сохранилась. Первые продукты версии PCI Express 3.0 были представлены летом 2011-го, а реальные устройства только-только начали появляться на рынке.

Среди производителей системных плат разгорелась целая война за право первым представить продукт с поддержкой PCI Express 3.0 (в основном, на базе чипсета Intel Z68), и соответствующие пресс-релизы представили сразу несколько компаний. Хотя на момент обновления путеводителя видеокарт с такой поддержкой просто нет, так что это просто неинтересно. К тому времени, когда поддержка PCIe 3.0 будет нужна, появятся совершенно иные платы. Скорее всего, это произойдёт не ранее 2012 года.

К слову, можно предполагать, что PCI Express 4.0 будет представлена в течение ещё нескольких следующих лет, и новая версия также будет иметь ещё раз удвоенную пропускную способность, востребованную к тому времени. Но это произойдёт совсем нескоро, и нам пока неинтересно.

External PCI Express

В 2007 году группа PCI-SIG, занимающаяся официальной стандартизацией решений PCI Express, объявила о принятии спецификации PCI Express External Cabling 1.0, описывающей стандарт передачи данных по внешнему интерфейсу PCI Express 1.1. Эта версия позволяет передавать данные со скоростью 2,5 Гбит/с, а следующая должна увеличить пропускную способность до 5 Гбит/с. В рамках стандарта представлены четыре внешних разъема: PCI Express x1, x4, x8 и x16. Старшие разъемы оснащены специальным язычком, облегчающим подключение.

Внешний вариант интерфейса PCI Express может использоваться не только для подключения внешних видеокарт, но и для внешних накопителей и других плат расширения. Максимальная рекомендованная длина кабеля при этом равна 10 метров, но её можно увеличить при помощи соединения кабелей через повторитель.

Теоретически, это могло облегчить жизнь любителей ноутбуков, когда при работе от батарей используется маломощное встроенное видеоядро, а при подключении к настольному монитору — мощная внешняя видеокарта. Значительно облегчается апгрейд подобных видеокарт, не нужно вскрывать корпус ПК. Производители могут делать совершенно новые системы охлаждения, не ограниченные особенностями карт расширения, да и с питанием должно быть меньше проблем — скорее всего, будут использоваться внешние блоки питания, рассчитанные специально на определенную видеокарту, их можно встроить в один внешний корпус с видеокартой, используя одну систему охлаждения. Может облегчиться сборка систем на нескольких видеокартах (SLI/CrossFire), да и с учётом постоянного роста популярности мобильных решений такие внешние PCI Express должны были завоевать определенную популярность.

Должны были, но не завоевали. По состоянию на осень 2011 года внешних вариантов видеокарт на рынке практически нет. Их круг ограничен устаревшими моделями видеочипов и узким выбором совместимых ноутбуков. К сожалению, дело внешних видеокарт дальше не пошло, и потихоньку заглохло. Не слышно уже даже победных рекламных заявлений от производителей ноутбуков… Возможно, мощностей современных мобильных видеокарт просто стало хватать даже для требовательных 3D-приложений, в т. ч. и многих игр.

Остаётся надежда на развитие внешних решений в перспективном интерфейсе для подключения периферийных устройств Thunderbolt, ранее известном как Light Peak. Его разработала корпорация Intel на базе технологии DisplayPort, и первые решения уже выпущены компанией Apple. Thunderbolt объединяет возможности DisplayPort и PCI Express и позволяет подключать внешние устройства. Впрочем, пока таковых просто не существует, хотя кабели уже есть:

В статье мы не трогаем устаревшие интерфейсы, абсолютное большинство современных видеоплат рассчитано на интерфейс PCI Express 2.0, поэтому при выборе видеокарты мы предлагаем рассматривать только его, все данные о AGP приведены лишь для справки. Новые платы используют интерфейс PCI Express 2.0, объединяющий скорость 16 линий PCI Express, что дает пропускную способность до 8 ГБ/с в каждом направлении, это в несколько раз больше по сравнению с той же характеристикой лучшего из AGP. Кроме того, PCI Express работает с такой скоростью в каждом из направлений, в отличие от AGP.

С другой стороны, продукты с поддержкой PCI-E 3.0 ещё толком не вышли, поэтому рассматривать их тоже не имеет особого смысла. Если речь идёт об апгрейде старой или покупке новой платы или одновременной смене системной и видеоплаты, то просто нужно приобретать платы с интерфейсом PCI Express 2.0, который будет вполне достаточен и наиболее распространен еще несколько лет, тем более что продукты разных версий PCI Express совместимы между собой.

Доминирующее положение на рынке ПК занимают системы на основе шины PCI (Peripheral Component Interconnect - Взаимодействие периферийных компонентов). Этотинтерфейс был предложен фирмой Intel в 1992 году (стандартPCI 2.0 - в 1993) в качестве альтернативы локальнойшине VLB/VLB2. Следует отметить, что разработчики этогоинтерфейса позиционируютPCI не как локальную, а как промежуточнуюшину (mezzanine bus), т.к. она не являетсяшиной процессора. Посколькушина PCI не ориентирована на определенный процессор, ее можно использовать для других процессоров.Шина PCI была адаптирована к таким процессорам, как Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC. ИменноPCI сменила NuBus на платформе Apple Macintosh.

Шины ISA , EISA или MCA могут управлятьсяшиной PCI с помощью моста сопряжения (рис. 14.3), что позволяет устанавливать в ПК платы устройств ввода-вывода с различными системнымиинтерфейсами . Например, в чипсете Intel Triton использовалась микросхема PIIX 1) , помимо контроллера IDE предоставляющая мост дляшины ISA .

¶Рис. 14.3. Система на основе PCI

Существуют три варианта плат PCI : с уровнями сигналов 3,3 В, с уровнями сигналов 5 В и универсальные. Ключ в разъеме гарантирует, что платы с одним уровнем сигнала и невзаимозаменяемые не будут по ошибке вставлены в разъем с другим уровнем сигнала. Платы с пониженным напряжением питания в основном используются в мобильных компьютерах.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI . В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в 64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы ишина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема.

На шине PCI сигналы адреса и данных мультиплексированы, поэтому для передачи каждых 32 или 64 разрядов требуется два шинных цикла: один - для пересылки адреса, а второй - для пересылки данных. Однако возможен также пакетный режим, при котором вслед за одним циклом передачи адреса разрешается осуществить до четырех циклов передачи данных (до 16 байт в PCI-32). После этого устройство должно подать новый запрос на обслуживание и снова получить управление надшиной (и выполнить адресный цикл). Поэтомушина PCI-32 с тактовой частотой 33 МГц имеет пиковую скорость обычной передачи около 66 Мбайт/с (два шинных цикла для передачи 4 байт) и пиковую скорость пакетной передачи около 105 Мбайт/с.

PCI поддерживает процедуру прямого доступа к памяти ведущего устройства нашине (bus mastering DMA), хотя некоторые реализацииPCI могут и не предоставлять такую возможность для всех разъемовPCI . Процессор может функционировать параллельно с периферийными устройствами, являющимися ведущими нашине .

Кроме того, платы PCI поддерживают:

автоматическую конфигурацию Plug&Play (не требуют назначения адресов расширений BIOS вручную);

совместное использование прерываний (когда один и тот же номер прерывания может использоваться разными устройствами);

контроль четности сигналов шины данных и адресной шины ;

конфигурационную память от 64 до 256 байт (код производителя, код устройства, код класса (функции) устройства и др.).

Персональные компьютеры могут иметь две или больше шин PCI . Каждойшиной управляет свой мостPCI , что позволяет устанавливать в компьютер больше платPCI (вплоть до 16 - ограничение адресации). Если управление второйшиной PCI осуществляется с первойшины , то это называется каскадной или иерархической схемой. В этом случае перваяшина будет также нести нагрузку второйшины . Если управление каждойшиной PCI осуществляется непосредственно сшины процессора, это называется равноправной схемой. Обычно мостPCI выполняет также функции контроллера внешней кэш-памяти, контроллера основной памяти и обеспечивает сопряжение с процессором. В системах на основе Pentium II/III эти функции распределены между двумя мостами: "северным" (North Bridge) и "южным" (South Bridge), что связано с наличием дополнительного высокоскоростного системногоинтерфейса для подключения видеокарты (AGP ).

В 1995 году был выпущена улучшенная версия интерфейса -PCI 2.1, которая предоставила следующие возможности:

поддержка тактовой частоты шины 66 МГц;

таймер обработки множественных запросов MTT (Multi-Transaction Timer) позволяет устройствам, осуществляющим прямой доступ к памяти, удерживать шину для "прерывистой" передачи пакетов, при этом не требуется повторно добиваться права управления шиной , что особенно полезно при передаче видеоданных;

пассивное разъединение (Passive Release) позволяет устройствам, осуществляющим прямой доступ к памяти по шине PCI , передавать данные в то время, когда ведется передача данных по шине ISA (обычно это приводило к блокированию передачи по шине PCI , поскольку она использовалась для подключения центрального процессора к шине ISA );

задержанные транзакции PCI позволяют передаваемым данным ведущего устройства на шине PCI получать приоритет над ожидающими в очереди данными для передачи с PCI на ISA (которые будут переданы позже);

повышение производительности записи благодаря оснащению PCI-чипсета буферами большего объема, поэтому транзакции могут выстраиваться в очередь, когда шина PCI занята, и происходит сбор байтов, слов и двойных слов, которые могут объединяться в единую 8-байтную операцию записи.

C 2005 года в ПК на основе Pentium 4 вместо PCI используют новый системныйинтерфейс -PCI Express .

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);

электрические параметры (например, напряжения);

логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине);

Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

История создания

Весной 1991 г. компания Intel завершает разработку первой макетной версии шины PCI. Перед инженерами была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволило бы реализовать возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. Кроме того, было необходимо учесть ошибки допущенные VESA при проектировании шины VLB (электрическая нагрузка не позволяла подключать более 3 плат расширения), а также реализовать автоконфигурирование устройств по примеру протокола Autoconfig для компьютеров Amiga.

В 1992 году появляется первая версия шины PCI, Intel объявляет, что стандарт шины будет открытым и создаёт PCI Special Interest Group. Благодаря этому, любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, могла быть 32 или 64 битной, а устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически, пропускная способность шины 133 Мбайт/сек, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/сек.

В середине 1993 г., компания Intel выходит из ассоциации VESA и начинает предпринимать активные шаги по продвижению шины PCI на рынке. Ответом на критику со стороны специалистов из конференций Usenet и конкурирующих компаний (характеристики шины были во многом аналогичны, например Zorro III, публиковались статьи об ошибочном дизайне шины) стала PCI 2.0.

В 1995 г., появляется версия PCI 2.1 (ещё одно название - «параллельная шина PCI», которая обеспечила передачу данных по шине с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 МБ/сек (для 64 битного варианта с частотой 66 МГц). Кроме того, эта шина уже была поддержана на уровне ОС Windows 95 (технология Plug and Play), что позволило пользователям IBM PC больше не чувствовать себя ущемлёнными по отношению к другим платформам. Версия шины PCI 2.1 оказалась настолько популярной, что вскоре уже она была перенесена на платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и др.

В 1997 г., в связи с развитием компьютерной графики и разработкой шины AGP, шина PCI перестала удовлетворять новым, повышенным требованием к видеокартам и перестала использоваться для установки видеокарт. Смысла приобретать PCI-видеокарту нет уже более 10 лет.

Конфигурирование

PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (plug and play). После старта компьютера, системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине и распределяет ресурсы. Каждое устройство может затребовать до семи диапазонов в адресном прострастве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI. Кроме того, устройства могут иметь ПЗУ, содержащее исполняемый код для процессоров x86 или PA-RISC, Open Firmware (системное ПО компьютеров на базе SPARC) или драйвер EFI.

Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличие от шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.

Спецификация шины PCI

частота шины - 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная;

разрядность шины - 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц - 133 МБ в секунду;

адресное пространство памяти - 32 бита (4 байта);

адресное пространство портов ввода-вывода - 32 бита (4 байта);

конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт;

напряжение 3,3 или 5 вольт.

Стандартные модификации PCI

PCI 2.0 - первая версия базового стандарта, получившая широкое распространение, использовались как карты, так и слоты с сигнальным напряжением только 5В. Пиковая пропускная способность - 133 МБ/с;

PCI 2.1-3.0 - отличались от 2.0 возможностью одновременной работы нескольких bus-master устройств (т. н. конкурентный режим), а также появлением универсальных карт расширения, способных работать как в 5В, так и в 3.3В слотах (с частотой 33 и 66 МГц соответственно). Пиковая пропускная способность для 33 МГц - 133 МБ/с, а для 66 МГц - 266 МБ/с;

Версия 2.1 - работа с 3.3 В картами и наличие соответствующих линий питания являлась опциональной;

Версия 2.2 - сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный разъём и способны работать практически во всех более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах 2.1;

Версия 2.3 - несовместима с картами PCI 5 В, несмотря на продолжающееся использование 32-битных слотов с 5В-ключом. Карты расширения имеют универсальный разъём, но не способны работать в 5 В-слотах ранних версий (до 2.1 включительно);

Версия 3.0 - завершает переход на карты PCI 3.3 В, карты PCI 5 В больше не поддерживаются.

PCI 64 - расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность. Cлот PCI64 является удлинённой версией обычного PCI-слота. Формально совместимость 32-битных карт с 64-битным слотами (при условии наличия общего поддерживаемого сигнального напряжения) полная, а совместимость 64-битной карты с 32-битным слотами является ограниченной (в любом случае произойдёт потеря производительности). Работает на тактовой частоте 33 МГц. Пиковая пропускная способность - 266 МБ/с;

Версия 1 - использует слот PCI 64-бита 5В;

Версия 2 - использует слот PCI 64-бита 3.3В;

PCI 66 - это PCI 64 работающий на тактовой частоте 66 МГц, использует 3.3В-слоты, карты имеют универсальный, либо 3.3В форм-фактор. Пиковая пропускная способность - 533 МБ/с;

PCI 64/66 - комбинация PCI 64 и PCI 66, позволяет учетверить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI, и использует 64-битные 3.3В слоты, совместимые только с универсальными и 3.3В 32-битными картами расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют универсальный (имеющий ограниченную совместимость с 32-битными слотами) либо 3.3В форм-фактор (последний вариант принципиально не совместим с 32-битными 33МГц слотами популярных стандартов). Пиковая пропускная способность - 533 МБ/с;

PCI-X - расширение PCI64, для всех вариантов шины существуют следующие ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66МГц - 4, 100МГц - 2, 133МГц - 1 (или 2 если одно или оба устройства не находятся на платах расширения, а уже интегрированы на одну плату вместе с контроллером), 266, 533 МГц и выше - 1;

Версия 1.0 - введено две новые рабочие частоты: 100 и 133 МГц, а также механизм раздельных транзакций для улучшения производительности при одновременной работе нескольких устройств. Как правило, обратно совместима со всеми 3.3 В и универсальными PCI-картами. Карты обычно выполняются в 64-битном 3.3 В формате и имеют ограниченную обратную совместимость со слотами PCI64/66, а некоторые - в универсальном формате и способны работать (хотя практической ценности это почти не имеет) в обычном PCI 2.2/2.3. Пиковая пропускная способность - 1024 МБ/с;

Версия 2.0 - введено две новые рабочие частоты: 266 и 533 МГц, а также коррекция ошибок чётности при передаче данных (ECC). Расширяет конфигурационное пространство PCI до 4096 байт и допускает расщепление на 4 независимых 16-битных шины, что применяется исключительно во встраиваемых и промышленных системах, сигнальное напряжение снижено до 1.5 В, но сохранена обратная совместимость разъёмов со всеми картами, использующими сигнальное напряжение 3.3 В. Пиковая пропускная способность - 4096 МБ/с;

Mini PCI - новый форм-фактор PCI 2.2 для использования в основном в ноутбуках;

Cardbus - PCMCIA форм-фактор для 32-бит, 33 МГц PCI;

CompactPCI - использует модули размера Eurocard, включаемые в PCI backplane;

PC/104-Plus - индустриальная шина, использующая сигнализацию PCI с другим разъёмом;

PMC - PCI mezzanine card, мезонинная шина, соответствует стандарту IEEE P1386.1;

ATCA или AdvancedTCA - шина следующего поколения для телекоммуникационной индустрии.

Стандарт на шину PCI определяет:

• физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);
• электрические параметры (например, напряжения);
• логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине).

Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

Интерфейс широко применялся в бытовых компьютерах в период 1995-2005 год .

История создания

Архитектура

Первоначально 32 проводника адрес/данные на частоте 33 МГц. Позже появились версии с 64 проводниками (используется дополнительная колодка разъема) и частотой 66 МГц.

Шина децентрализована, нет главного устройства, любое устройство может стать инициатором транзакции. Для выбора инициатора используется арбитраж с отдельно стоящей логикой арбитра. Арбитраж «скрытый», не отбирает времени - выбор нового инициатора происходит во время транзакции, исполняемой предыдущим инициатором.

Транзакция состоит из 1 или 2 циклов адреса (2 цикла адреса используются для передачи 64-битных адресов, поддерживаются не всеми устройствами, дают поддержку DMA на памяти более 4 Гб) и одного или многих циклов данных. Транзакция со многими циклами данных называется «пакетной» (burst), понимается как чтение/запись подряд идущих адресов и даёт более высокую скорость - один цикл адреса на несколько, а не на каждый цикл данных, и отсутствие простоев (на «успокоение» проводников) между транзакциями.

Специальные типы транзакций используются для обращений к конфигурационному пространству устройства.

«Пакетная» транзакция может быть временно приостановлена обоими устройствами из-за отсутствия данных в буфере или его переполнения.

Поддерживаются «расщеплённые» транзакции, когда целевое устройство отвечает состоянием «в процессе» и инициатор должен освободить шину для других устройств, захватить её снова через арбитраж и повторить транзакцию. Это делается, пока целевое устройство не ответит «сделано». Используется для сопряжения шин с разными скоростями (сама PCI и frontside процессора) и для предотвращения тупиковых ситуаций в сценарии со многими межшинными мостами.

Богатая поддержка межшинных мостов. Богатая поддержка режимов кэширования, таких, как:

• posted write - данные записи немедленно принимаются мостом, и мост сразу отвечает «сделано», уже после этого пытаясь провести операцию записи на ведомой шине.
• write combining - несколько запросов на posted write, идущих подряд по адресам, соединяются в мосте в одну «взрывную» транзакцию на ведомой шине.
• prefetching - используется при транзакциях чтения, означает выборку сразу большого диапазона адресов одной «взрывной» транзакцией в кеш моста, дальнейшие обращения исполняются самим мостом без операций на ведомой шине.

Прерывания поддерживаются либо как Message Signaled Interrupts (новое), либо классическим способом с использованием проводников INTA-D#. Проводники прерываний работают независимо от всей остальной шины, возможно разделение одного проводника многими устройствами.

Конфигурирование

PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (Plug and Play). После старта компьютера системное программное обеспечение обследует каждого устройства, подключённого к шине, и распределяет ресурсы.

Каждое устройство может затребовать до шести диапазонов в адресном пространстве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI.

Кроме того, устройства могут иметь ПЗУ , содержащее исполняемый код для процессоров x86 или PA-RISC , Open Firmware (системное ПО компьютеров на базе SPARC и PowerPC) или драйвер EFI .

Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличие от шины ISA , где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ , поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.

Спецификация

Стандартные модификации

PCI 2.0

Первая версия базового стандарта, получившая широкое распространение, использовались как карты, так и слоты с сигнальным напряжением только 5 вольт. Пиковая пропускная способность - 133 Мбайт/с.

PCI 2.1 - 3.0

Отличались от версии 2.0 возможностью одновременной работы нескольких шинных задатчиков (англ. bus-master , т. н. конкурентный режим), а также появлением универсальных карт расширения, способных работать как в слотах, использующих напряжение 5 вольт, так и в слотах, использующих 3,3 вольта (с частотой 33 и 66 МГц соответственно). Пиковая пропускная способность для 33 МГц - 133 Мбайт/с, а для 66 МГц - 266 Мбайт/с.

• Версия 2.1 - работа с картами, рассчитанными на напряжение 3,3 вольта, и наличие соответствующих линий питания являлись опциональными.
• Версия 2.2 - сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный ключ разъёма по питанию и способны работать во многих более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах версии 2.1.
• Версия 2.3 - несовместима с картами PCI, рассчитанными на использование 5 вольт, несмотря на продолжающееся использование 32-битных слотов с 5-вольтовым ключом. Карты расширения имеют универсальный разъём, но не способны работать в 5-вольтовых слотах ранних версий (до 2.1 включительно).
• Версия 3.0 - завершает переход на карты PCI 3,3 вольт, карты PCI 5 вольт больше не поддерживаются.

PCI 64

Расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность. Слот PCI 64 является удлинённой версией обычного PCI-слота. Формально совместимость 32-битных карт с 64-битным слотами (при условии наличия общего поддерживаемого сигнального напряжения) полная, а совместимость 64-битной карты с 32-битным слотами является ограниченной (в любом случае произойдёт потеря производительности). Работает на тактовой частоте 33 МГц. Пиковая пропускная способность - 266 Мбайт/с.

• Версия 1 - использует слот PCI 64-бита и напряжение 5 вольт.
• Версия 2 - использует слот PCI 64-бита и напряжение 3,3 вольта.

PCI 66

Версия PCI 66 является работающим на тактовой частоте 66 МГц развитием PCI 64; использует напряжение 3,3 вольта в слоте; карты имеют универсальный, либо форм-фактор на 3,3 В. Пиковая пропускная способность - 533 Мбайт/с.

PCI 64/66

Комбинация PCI 64 и PCI 66 позволяет вчетверо увеличить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI; использует 64-битные 3,3-вольтовые слоты, совместимые только с универсальными, и 3,3-вольтовые 32-битные карты расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют либо универсальный (но имеющий ограниченную совместимость с 32-битными слотами), либо 3,3-вольтовый форм-фактор (последний вариант принципиально не совместим с 32-битными 33-мегагерцовыми слотами популярных стандартов). Пиковая пропускная способность - 533 Мбайт/с.

PCI-X

Развитие версии PCI 64. Для всех вариантов шины существуют следующие ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66 МГц - 4, 100 МГц - 2, 133 МГц - 1 (или 2, если одно или оба устройства не находятся на платах расширения, а уже интегрированы на одну плату вместе с контроллером), 266, 533 МГц и выше - 1.

Версия 1.0 - введено две новые рабочие частоты: 100 и 133 МГц, а также механизм раздельных транзакций для улучшения производительности при одновременной работе нескольких устройств. Как правило, обратно совместима со всеми 3,3-вольтовыми и универсальными PCI-картами. Карты обычно выполняются в 64-битном формате на 3,3 В и имеют ограниченную обратную совместимость со слотами PCI64/66, а некоторые - в универсальном формате и способны работать (хотя практической ценности это почти не имеет) в обычном PCI 2.2/2.3. Пиковая пропускная способность - 1024 Мбайт/с.

Версия 2.0 - введено две новые рабочие частоты: 266 и 533 МГц, а также коррекция ошибок чётности при передаче данных (ECC). Расширяет конфигурационное пространство PCI до 4096 байт и допускает расщепление на 4 независимых 16-битных шины, что применяется исключительно во встраиваемых и промышленных системах, сигнальное напряжение снижено до 1,5 В, но сохранена обратная совместимость разъёмов со всеми картами, использующими сигнальное напряжение 3,3 В. Пиковая пропускная способность - 4096 Мбайт/с.

Шина следующего поколения для телекоммуникационной индустрии.