Контроллеры и шины. Шины FSB, PCi Express, PCI

Введение
1. Контроллеры и шины как средства интеграции устройств
1.1. Понятие о шинах и контроллерах
1.1.1. Отличие последовательных и параллельных шин
1.1.2. Функциональное назначение шин
1.2. Системные и локальные шины
2. Изучение шин FSB, PCI, PCi Express
2.1. Front Side Bus (FSB)
2.1.1. Принципы работы шины FSB
2.1.2. Развитие процессорной шины
2.2. Шина PCI
2.2.1. Характеристики PCI шины
2.2.2. Эволюция шины PCI
2.3. Шина PCI Express
Заключение
Список литературы

Развитие информационных технологий и проникновение их во все сферы жизни общества диктует необходимость развития, а, следовательно, и изучения аппаратных устройств и механизмов их работы.
Важнейшей частью, а также и основой работы любого компьютерного оборудования являются не столько сами компоненты, а системы и технологии их взаимодействия. В таких условиях, изучение проблематики связанной с принципами работы и эволюцией контроллеров и шин является особо актуальной задачей.

1.1. Понятие о шинах и контроллерах
Под контроллером может пониматься электронное устройство, которое предназначено для подключения к магистрали передачи данных периферийных устройств, различающихся по интерфейсам и конструктивному исполнению. В отличие от адаптера контроллер способен на самостоятельную деятельность, которая определяется обслуживающей его программой. Современный контроллер построен на принципе специализированной ЭВМ и в его состав могут входить следующие компоненты:
- микропроцессор;
- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство);
- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);
- регистры внешних устройств для взаимодействия с центральным процессором;
- согласующие схемы [1].
Компьютерная шина - это соединения сигнальных линий, объединенных по своему функциональному назначению и обладающие определенными характеристиками и протоколами передачи информации.
К основным характеристикам шины относят:
- тактовую частоту;
- разрядность шины;
- пропускную способность [2].
...

1.1.1. Отличие последовательных и параллельных шин
По способу передачи сигнала все шины можно разделить на последовательные и параллельные.
Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. К параллельным шинам относятся объединения сигнальных линий по назначению и обладающих определёнными характеристиками и протоколами передачи информации. По другому они называются шинами.
Проблема параллельных шин в том, что каждая линия такой шины имеет свою длину, свою паразитную ёмкость и индуктивность, а также взамоиндуктивность. При параллельной передаче байты мешают друг другу вследствие наличия взаимоиндуктивности, поэтому вероятность ошибок увеличивается, чем ограничивается частота шины.
В последовательных шинах используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно.
...

1.2. Системные и локальные шины
К системным относят шины, которые используются для устройств ввода/вывода. В компьютерах они используются в таких стандартах, как ISA, EISA или MCA. С целью сохранения баланса быстродействия и производительности была разработана двухуровневая организация шин на основе локальной. Например, шина ISA используется для синхронизации взаимодействия процессора и шины, обладающих разными тактовыми частотами.
Локальной шиной - это шина, выводы которой подведены к контактам микропроцессора. Она соединяет такие элементы, как процессор, память, схемы буферизации, а также ряд второстепенных схем. Она используется для прямого доступа процессора к внешним устройствам [5].
В настоящее время выделяют три основных стандарта локальных шин - VLB, PCI и AGP.
Шина VLB была разработана в 1992 году ассоциацией стан­дартов видеоэлектроники, поэтому чаще всего ее шиной VESA.
...

2.1.1. Принципы работы шины FSB
Процессоры, построенные на основе архитектуры x86CPU, оснащены процессорной шиной, которая служит для обеспечения взаимодействия процессора и остальных устройств, включая память, видеокарту, жесткие диски и т.п.
Классический способ организации внешнего интерфейса процессора, используемый, например, компанией Intel в процессорах архитектуры х86, определяет соединение процессора и контроллера, который обеспечивает доступ к оперативной памяти и внешним устройствам на основе мультиплексированная процессорная шины FSB (Front Side Bus).
Как уже отмечалось, указанный контроллер называют северным мостом, и он является частью системной логики или chipset.
На сегодняшний день современная шина FSB – QPB, или Quad-Pumped Bus, передает до четырех блоков данных за такт, используя два адреса в передаче. Фактически, определенный такт синхронизации шины предполагает передачу полной команды или четырех блоков данных.
Ширина шины FSB – QPB составляет 64 бита.
...

2.1.2. Развитие процессорной шины
Отметим, что для обеспечения межмостового соединения на плате, используются шины QBP фирмы Intel, V-Link фирмы VIA, MuTIOL фирмы SiS и HyperTransport фирмы AMD
В фирме Intel в последнее время применяется эволюция технологии FSB – Quad-Pumped Bus, которая может осуществлять передачу четыре блока данных и два адреса за один такт.
В процессорах фирмы AMD64 применена новая технология для его интерфейса - в нем создано несколько различных шин. Обычно одна из шин (реже - две) используется для связи процессора с памятью, а процессорная шина заменена на высокоскоростную HyperTransport (см. рисунок 2). Одним из плюсов такой схемы стало уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти.
Главным ее преимуществом является отсутствие асинхронности, которое проявляется в обеспечении синхронности работы процессора, ОЗу и шины HyperTransport, рабочие частоты которых связаны с опорной частотой тактового генератора.
...

2.2.1. Характеристики PCI шины
PCI (Peripheral Component Interconnect) local bus - шина соединения периферийных компонентов. Она разрабатывалась в расчете на шинный интерфейс процессоров Pentium. В архитектуре ЭВМ эта шина стала центральной, через которую процессор взаимодействует со всеми остальными шинами. Первая версия стандарта шины PCI 1.0 появилась в 1992 г., PCI 2.1 - в 1995 г (см. рисунок 4)

.
Рисунок 4 - Внешний вид шины PCI

Шина PCI является синхронной шиной, в которой фиксация всех сигналов выполняется по нарастающему фронту сигнала синхронизации. Номинальное значение частоты синхронизации равно 33 МГц. Начиная с версии 2.1 допускается повышение частоты до 66 МГц.
Шина PCI относится к мультиплексированным шинам, в которой для передачи адреса и данных (последовательно во времени) используются одни и те же линии. Номинальная разрядность - 32 бита, возможно увеличение их разрядности до 64 бит.
...

2.2.2. Эволюция шины PCI
Современные 64-разрядные шины PCI обладают пропускной способностью 266 Мбайт/с с частотой 33 МГц и 533 Мбайт/с с частотой 66 МГц. Однако в последних разработках плат шина PCI стала основной шиной расширения, которая используется для подключения периферийных устройств.
Следующий шаг в росте пропускной способности обеспечивает 64-разрядная шина PCI-Х, обладающая обратной совместимостью с 32- и 64-разрядной PCI. При тактовой частоте 133 МГц ее пропускная способность составляет 1066 Мбайт/с. В обновленной спецификации PCI-X 2.0 увеличение пропускной способности до 2100 и 4200 Мбайт/с происходит благодаря передаче, соответственно, двух и четырех битов за такт. Она была принята в 2002 году. В настоящее время шины этого стандарта практически не используются, поскольку в этом же году PCI-SIG начала разработку принципиально нового стандарта шины PCI – PCI Express [7].

2.3.
...