VNITŘNÍ SBĚRNICE PC

Úvod

Sběrnice počítače slouží k přenosu informací uvnitř počítače. Přenos na těchto sběrnicích řídí řadič (master). Ostatní části sběrnice jsou mu podřízené (slaves).Pokud na sběrnici je připojeno více řadičů (multiprocesorové systémy, DMA) je nutné jejich činnost koordinovat. Tuto funkci zastává arbiter sběrnice. Tento arbiter je buď centralizovaný- soustředěný do jednoho  modulu, nebo distribuovaný tj každý řadič má část arbitrážní logiky. Distribuovaný řadič může být hierarchický, s jedním hlavním řadičem a několika řadiči vedlejšími, nebo alternativně demokratický, kdy jsou řadiče rovnocenné. Arbiter vyřizuje žádosti o přidělení sběrnice podle priorit.

Pro obsluhu přerušení slouží řadič přerušení.

Druhy sběrnic

·      podle uspořádání

·      sériové

·      sérioparalelní

·      paralelní

·      podle směru přenosu

·      jednosměrné

·      obousměrné

·      podle funkce

·      datové

·      adresové

·      řídící

·      podle provozu

·      synchronní

·      asynchronní

Technické parametry

·      max. délka

·      max. počet přípojných míst

·      rozteče konektorů

·      rozměry desek

·      impedance

·      buzení

·      zatížitelnost

·      rychlost (kapacita)

 Historie.

 1981  IBM PC debutuje s 8-mi bitovou sběrnicí s taktem 4.77MHz

 1984  ISA (Industry Standard Architecture). Tato sběrnice rozšířena na 16 bitů s taktem 6MHz. Uvedena na trh současně s PC/AT.(80286). Později vylepšena na 8MHz.

 1987  MCA (Micro Channel Architecture) není kompatibilní s ISA. Používá se u zčásti u řady IBM PS/2. Šířka 16 a 32 bitů. Takt 33MB/s (8MHz). Nověji 10MHz.

 1988  EISA (Extended Industry Standard Architecture) je 32-bitová sběrnice s taktem 33MB/s tj asi 8MHz. Konektor (slot) zůstává stejný jako je u ISA, ale je hlubší, aby v něm mohla být umístěna druhá řada konektorů. Konektor ISA dosáhne pouze 1. řady kontaktů, a tedy je plně kompatibilní s ISA. Existuje paralelně s ISA. Je dražší. Používá se pro Novell a UNIX a je vhodný pro víceprocesorové systémy.

 1992  VESA VL-Bus ( local bus) uveden asociací VESA (Video Electronics Standard Association) - pokus o překonání chaosu ve sběrnicích. Pouze tyto sběrnice jsou použity u grafických adaptérů firmy DELL XPS. Jinak u počítačů existují paralelně k ISA nebo EISA. Nyní je 32 bitová, ale očekává se 64 bitová.

1993  PCI ( Standard Peripheral Component Interconnect) - propojení periferních zařízení je 32 a 64 bitová sběrnice s rychlostí přenosu 132MB/s, resp. 264MB/s, což je 33MHz. Netvoří přímo sběrnici procesoru, ale je spojujícím článek mezi procesorovou sběrnicí a periferiemi. Použití u Pentia, který ji dovede využít.

Systémové sběrnice

 ISA

ISA (Industry Standard Architecture) je jednoduchá synchronní sběrnice s paritou a  hranovým přerušením. V PC-AT byl zabudován generátor čekacích stavů prodlužující sběrnicový cyklus. Pro 16bitovou funkci slouží signály M16# a I/O16#. Pokud nejsou aktivní, je přenos 16bitového slova prováděn na dvakrát po 8 bitech.

 Parametry:

 - 16 bit DB (pro XT - 8)

 - 24 bit AB (pro XT - 20)

-  při 8MHz má 2 B na 1 takt ~ 5MB/s (pro XT 2MB/s, 4.77MHz)

-    kmitočet je dnes i nad 10MHz

 -  decentralizovaný arbiter

- synchronní

 - nevhodná pro UNIX

 - nerozezná karty v 8-mi a 16-ti bitových konektorech

 - omezený počet přerušení (15) v kaskádě 8259A. Nejvyšší prioritu(0) má časovač,na 7 připojen druhý řadič přerušení.

 - propojuje periferie

 - DMA omezuje na 64kB nebo 128kB bloky

 - konektor pro XT má 2x31 špiček

 - " " AT má konektor XT a rozšiřující 2x19 špiček

 

 EISA

umožňuje pracovat s Bus Master a tím i víceprocesorovými systémy.

 Parametry:

 - 32 bit DB

 - 32 bit AB

 - při 8.33MHz má pro 4B na 1 takt ~ 33MB/s

 - vhodná pro UNIX a servery

 - omezený počet přerušení

 - propojuje periferie

 - lze používat i ISA karty

-  90 pin konektor

 - DMA v modu BURST 33MB/s

 

EISA

EISA je vytvářenen sadou obvodů:

82385 řadič Cache

82352 EBB - EISA Bus Buffer

82358 EBC EISA Bus Controler

82357 ISP Integrated System periferial Chip

82355 BIMIC Bus Master Interface Controler

 Parametry:

·      32 bit DB

·      32 bit AB

·      při 8.33MHz má pro 4B na 1 takt ~ 33MB/s

·      90 pin konektor

·      vhodná pro UNIX a servery

·      omezený počet přerušení

·      propojuje periferie

·      lze používat i ISA karty

Konektory EISA mají kontakty ve dvou řadách, horní odpovídá ISA a dolní řada kontaktů má rozšiřující funkce pro EISA.

 

 MCA

Micro channel je sběrnice IBM

 Parametry:

 - 32 bit DB

 - 32 bit AB

 - 10MHz

 - IBM

 - Nekompatibilní s ISA

 - >2000 přerušení

 - drahá

 - jednořadový konektor

 

 Local bus

je tvořen přímo výstupem z procesoru a tedy existuje u všech počítačů. Jeho rychlost je řízena taktem procesoru. Jeho šířka je také dána šířkou výstupní datové a adresové sběrnice procesoru. Je určen k přenosu dat mezi procesorem, koprocesorem a pamětí.

 Na sběrnicích ISA - tj. rozšiřující sběrnice je takt pouze 8MHz.

 Rozdíl mezi VL-busem a PCI je ve způsobu konverze dat. Signály z procesoru musí být elektricky odděleny a posíleny pro vybuzení připojených karet. Dalším důležitým rozdílem je, že u VESA  je OP napojena přímo na PCU sběrnici, kdežto u PCI je OP připojena na CPU/PCI bridge, a tedy procesor se dostane k paměti i v době, kdy PCI provádí přenos s periferiemi.

 Pro vysoké frekvence je nebezpečí vznikajícího elmag. záření. Hlavním zdrojem tohoto záření jsou konektory. Proto u lokálních busů je počet konektorů omezen obvykle na 3.

 VESA local bus

umožňuje přístup k přídavným kartám plnou rychlostí Local Busu. Obvykle se přidává na karty paralelně ke sběrnicím ISA a EISA. Tato výkonná sběrnice není ale kompatibilní ode všech výrobců. Proto karty VL-Bus nemusí fungovat na všech počítačích. Používá se u 486, pro možnost zvýšení výkonů bez zvýšení nákladů. Používá se pro grafické akcelerátory a pevné disky. Pro 486DX2 má takt již poloviční. Podporuje max. 3 komponenty. VL sběrnice se napojuje přímo na procesor pře posilovací obvody.

 VESA 2.0 z r. 1993 má zvýšenou frekvenci na 50MHz, rozšíření na multiplexovanou 64bitů sběrnici s možností ukládání dat do vyrovnávací paměti

 U motherboardů se třemi a více sloty pro VL-Bus bývá předepsána pozice pro některou periferii (např. videokontrolér co nejblíže procesoru). Je to dáno jednak měrným zpožděním na vodičích, je znak fyzikálními jevy jako kapacita, indukčnost vodiče a také zkušenostmi na základě testů

 Výrobci: ATI, Orchild

PowerPlusVME

PowerPlusVME [4] architektura je implementována Motorolou na Power60x procesorech.

·      144bit (128+ECCbits)

·      400B/s

·      2 cestný interlieving přes paměť

 

 PCI LOCAL BUS

 

 Technologie PCI má potenciální schopnost zabránit přenosovým kolizím na sběrnici a může změnit celkový pohled na sběrnice počítačů. Vysoká účinnost, srozumitelnost pro uživatele a možnost dalšího rozšiřování dělá ze sběrnice sběrnici budoucnosti. Počítač pracuje s periferiemi stejně jako s operační pamětí - vysoká datová propustnost Tato sběrnice je vhodná pro HDTV, Multimedia i 3-D TV.

 Počítá se se zavedením tzv. shared slot , který by umožňoval zasunutí karet jak ISA, EISA, mikrokanal tak PCI.

 Sběrnice se připojuje k procesoru přes vysoce integrovaný řadič fy. Intel (jak pro 486 tak i pro Pentium). Tím se stává nezávislá na typu procesoru. Řadič umožňuje automatickou konfiguraci periferních zařízení, tzn přiřadí IRQ, kanály DMA a adresy. Součástí PCI je také urychlovací čip, který uchovává data ve své vyrovnávací paměti, a tím umožňuje současné čtení dat z paměti a jejich zasílání do periferií. Při sdružování dat se nastavuje adresa již při předchozím čtení dat. Dalším zrychlením je zasílání daty po volné adresové sběrnici (multiplexování).

 Na sběrnici lze napojit 6 periferií.

 Sběrnice PCI je vhodná pro výkonné servery s diskovými poli, pro multitasking, NT a pracovní grafické stanice. Dnes PCI je schopna bez omezení přenést veškerý výkon i nejvýkonnějších procesorů.

U serverů se mohou zapojit 2 nebo 3 sběrnice PCI. Jedna z nich pak slouží pro pomalé periferie a nazývá se periferial bus XE "periferial bus"  XE "bus:periferial"  neboli sekundární sběrnice XE "sběrnice:sekundární" . Ostatní sběrnice PCI se nazývají primárni sběrnice XE "sběrnice:primární"

 Sběrnice PCI pro 3.3V architekturu postavená na technologii 0.6 um se nazývá Neptun. Tato sběrnice vyhovuje systému Energy Star a počítače jsou tímto symbolem označeny. Základová deska je osazena řadičem sběrnice 82434NX nebo 82433NX. Písmena NX značí, že se jedná o 3.3V sběrnici Neptun. Pro 5V sběrnici označovanou Mercury jsou čipy označeny písmeny LX. Takto se značí i většina čipů připojených na tyto sběrnice. Další sadou čípů je Triton Data Path s 32bitovým řadičem  82438FX. Pro širší sběrnice se řadič zdvojuje. Pro procesor Alpha21164 byl vyvinut řadič 64bitové sběrnice PCI. [6]

Starší typy PCI  sběrnic nemají do slotů zavedeny přerušení pro disky (Int14). Pozdější verze mají vestavěný Int14, ale buď na určité pozici nebo přístupný přes jumper propojující speciální Interrupt pro každý slot jiný (IntA,B,C,D). Teprve verze 2,0 plně podporuje IDE řadiče se 2 interupty a to 14 a 15.

PCI verse 2.0 umožňuje nezávislou činnost jak na PCI sběrnici, tak i na CPU sběrnici, dále podporuje DUAL PROCESSING např s pentiem P54CT a P54C s CPU sběrnicí 66MHz, 2MB cache. Od r. 1996 je 64-bitová PCI sběrnice s extended konektorem a podporující i 64 bitovou adresu. Její plné využití u PC bude pravděpodobně až po roce 2000. Do té doby se počítá s AB o šířce do 40 bitů, ale uP Alpha mají již 64 bitovou AB. Obdobně bude rozšířena i VESA sběrnice. První plná PCI sběrnice bude v r. 1994 využita u DEC Alfa, na jaře 1995 u pentia 100 a 133MHz. PCI sběrnice jsou využívány u grafických karet, zejména při animovaných snímcích, které přenáší až 30 obr/s.

Nekompatibilita čipových sad PCI od různých výrobců způsobuje snížení proklamované rychlosti 132MB/s na pouhých 20MB/s. Proto  Intel chce v r. 1996 zavést procesor P55C, který bude mít integrovaný řadič PCI.

PCI má vlastní BIOS, který dovede identifikovat SCSI zařízení  a jeho konfiguraci zapsat do  FLEX ware setup PCI.  [1]

PCI od konce r. 1996 začala nahrazovat NuBus u Macintoshů. Tato PCI  má upravenou normu, takže není stejná jako pro PC.

EPCI

je standard Extended PCI

·      kmitočet 66MHz

·      64bit

·      534MB/s

Compact PCI

standard pro 32/64 bit sběrnice

rozvod pro 8 slotů pro rychlosti 132/264 MB/s tj. 33MHz.

Napájení 3,3V , 5V, 12V, -12V, GDN

5 x 68 = 340 kontaktů, rozteč kontaktů = 2 mm

Plug and Play

Vhodný pro průmyslové použití - horko, prach . vibrace, rázy

Konektor ERmet:

·      235pin (5řad po 47) IEC-10764

·      2mm rastr pinů

 

 

 

 

 

 

 

 

                   

 

 

 

UPA

Ultra Port Architecture UPA XE "UPA"  (r. 1995) umožňující komunikaci procesoru SPARC XE "SPARC"  - Stackable Procesor ARChitecture s pamětí rychlostí 1,3GB/s po 288 nebo 576 bitů široké lince metodou switched bus.

 

CardBus

Sběrnice (1996) určená pro PCCards (PCMCIA) se svými parametry rovná PCI (132MB/s, 32 bit), lze na ni připojit 100Base nebo 1Giga  Ethernet.

Lze použít i starší karty PCMCIA. Nové karty PC Cards nelze použít ve starých slotech.

Připojení:

·      16tibitové PC Card16 neboli R2

·      32 bitové  PC Card 32

·      napojení na PCI přes PCI1031 řadič

·      3,3V i 5V

Kontrolér PCI-to-CardBus pracuje situmultáně v obou směrech. Umožňuje přenos 40MB/s z Ultra SCSI a 28MB/s MPEG plné video a  GIGABIT Ethernet. Řadiče jsou automaticky odpojovány, když port není v činnosti.

·       

PICMG

průmyslová sběrnice pro jednodeskové počítače umožňující připojit až 4 karty PCI a  další ISA  karty. [2]

PC-104

průmyslová sběrnice [2].

C-bus II

multiprocesorová sběrnice [3] určená pro multiprocesorové servery IBM. Tato sběrnice má jen jediný slot, pro PCI bridge.

·      50MHz

·      64 bit

·      400MB/s

 

NUBUS

 32-bitová sběrnice určená pro APPLE. Její parametry jsou srovnatelné s EISA. Tato sběrnice umožňuje automatickou konfiguraci zapojených karet ítj. bez switchování adres. prostorů, interruptů, DMA. Rychlost až 350MB/s.

 

 PICA

 (performance Enhanced I/O and CPU Architecture) je 64 - bitový systém pro procesory R4000 s rychlostí 200MB/s. Připojený Ethernet a SCSI pracují rychleji než s EISA.

60x bus

je 72 bitová (64+ECC) sběrnice procesorů Power 60x.

SBUS

SBUS XE "SBUS"  je sběrnice, která je používána u pracovních stanic firmy SUN.

HyperPlane

·      HyperPlane XE "HyperPlane"  je sběrnice pro symetrické multiprocesorové systémy.

·      Vicecestná maticová sběrnice   

·      15,36GB/s

·      současné  zpracování až 8 neblokovaných transakcí mezi CPU.

·      120MHz tj. 960MB/s v každém směru pro každý port

·      obousměrná

·      plně duplexní

·      téměř lineární nárust výkonu s počtem CPU

Crossbarové sběrnice

jsou sběrnice pro multiprocesorové systémy umožňující propojit až 128 procesorů s propustností 20GB/s. Lze ji  sestavovat ve větší celky do kapacity paměti 32GB.

Základním systémem je Hypernode, který vytváří modul propojující až 8 procesorů. Tyto moduly jsou propojovány pomocí CTI - Coherent Toroidal Interconnet - do čtyřcestného okruhu.

IEEE 1394 - Fire Wire

viz  Porty

Nesystémové sběrnice

VMC

VMC - Vesa Media Channel XE "VMC - Vesa Media Channel"  XE "VMC - Vesa Media Channel"  pro přenos dat digitalizovaných obrazů. Je to přídavná sběrnice mezi grafickou kartou a Multimediální kartou, takže nezatěžuje systémovou sběrnici.. Řadič disků musí být vybaven konektorem VMC XE "VMC konektor"  pro tok dat z disku přímo do video paměti. Ušetří moduly RAM na kartách.

VAFC

VAFC - Vesa Advance Feature Conector XE "VAFC - Vesa Advance Feature Conector"  je rozšíření konektoru Future, který slouží k propojení grafiské karty s kartou pro digitalizaci obrazu. VAFC rozšiřuje počet bodů z 640x480 na 1024x768 při 256 barvách. VAFC potřebuje na každé kartě paměť.

 Access Bus

od fy NEC umožňuje ovládat a nastavovat monitory. Lze na ni napojit až 125 přístrojů na vzdálenost 10m. Tím obraz koriguje počítač a odpadá ruční nastavování. Lze na ni napojit i myš, trackball a joystick.

 

DDC

DDC - Vesa Display Data Channel XE "DDC - Vesa Display Data Channel"  propojuje monitor  s grafickou kartou.

SDX

propojující Hard disk přímo s CD mechanikou. [chip 7/97]

SDX XE "SDX"  Storage data Acceleration XE "Storage data Acceleration"  je připojení CD disku přímo na Hard disk pomocí 10 (2x5) pinového konektoru. CD je připojen přes vnitřní 133MB buffer (vyhrazená část na Hard disku) na rychlý disk. Pro BIOS je Hard disk zapojen jako master, CD jako rychlý slave.   Na slave pozici tohoto IDE poru ale už nejde napojit jiné zařízení. Připojením přes buffer na rychlý IDE zrychlí i činnost CD u některých programů. Toto je první krok k zastavení nesmyslného zvyšování rychlostí CD, které je od 16ti násobné rychlosti již na úkor spolehlivosti, tichosti zařízení atd.

 

USB

USB - universal Serial Bus XE "USB - universal Serial Bus"  má být nelicenční standard pro 64 (63) jednotek propojující  kartu s monitorem, klávesnicí a odtud pak dál s tiskárnou, skenerem, zvukové karty, modemy a faxy. Propojení bude i s ISDN. Na PC je jen jedno rozhraní. Klávesnice a monitor fungují jako opakovače a rozbočovače. USB řídí výhradně hostitel.

Rychlost přenosu je 12Mb/s, s pakety proměnné délky a proměnnou šířkou pásma (podle zařízení).

Délka vodiče je max. 5m

Kabel má symetrický datový pár na 3.3V a 2 vodiče 5V.

Před odesláním paketu odešle hostitel klíčové symboly (token). Po datech následuje CRC a pak potvrzení příjmu handshakeingem.

Softwarová nejnižší vrstva se zabývá přímo přenosem dat a správou řadiče

 hostitele podle identifikačních čísel rozhoduje kam který paket odeslat a sestavuje fronty paketů.

Vyšší úroveň USB konfiguruje, stanoví nároky jednotlivých zařízení na šířku pásma a realizuje správu USB.Sem také jsou adresovány volání OS na konfiguraci.

Protokol: Serial Bus Protokol Version 2 (SBP-2).

Pro koncová zařízení existuje čip TH6503 umožňující přenos dat do uP. Rychlost je 6MHz při napájení 3,3V. [6]

Pomocné sběrnice

AGP - Akcelerovaný grafický port

 

AGP je - technologie přepínání datových toků mezi procesorem, systémovou sběrnicí. Grafickým akcelerátorem a PCI. Tato technologie byla výsadou Unixových stanic - technologie Ultra Port Architecture.

AGP (akcelerovaný grafický port) je sběrnice, která obchází 133MHz PCI a nabízí spoj 528MHz mezi akcelerátorem a čipovou sadou např Intel řady 440LX AGP.Odděluje tedy grafickou kartu od sběrnice PCI a tím urychluje zpracování grafiky a odlehčuje PCI. Grafická karta pak pracuje přímo s operační pamětí a nemusí ukládat informace do své paměti. Dynamicky vyhrazená paměť v OP je nazývána AGP pamětí. Pro přístup do této paměti slouží řadič GART (Graphics Address Remapping Table), která umožňuje rozkouskovanou texturu vidět jako souvislou oblast. GART také slouží k překladu virtuálních adres na fyzické. Paměť je rozdělena do 4kB stránek. Podle rychlosti PCI zvýší výkon přenosu mezi procesorem a pamětí až 4krát.

Karta je napojena konektorem, který má kromě 32bitové adres/data sběrnice i tzv. postraní 8bitovou sběrnici pro sideband adresování.

Rychlost sběrnice je zvýšena oproti PCI i tím, že podporuje přenos při každé změně hodin, nikoliv jen při změně na high jak je u PCI.

AGP podporuje dva způsoby přístupu k paměti -

·      pipelining (zřetězení) a

·      sideband (postraní) adresování.

AGP může vysílat požadavky do určité hloubky, aniž by u každého čekalo na odpověď, jak to musí dělat PCI: K tomu využívá postranní kanály.

Sběrnice AGP vyžaduje procesor s vysokým výkonem a novou čipovou sadu, kterou je Interl 440LX AGPset.

 

 

Sběrnice AGP bude dodávána pouze s pamětmi SDRAM.

DCI

Pro urychlení komunikace z procesoru s grafickou kartou se nově používá DCI XE "DCI" , který je určen především pro multimediální aplikace.