Контроллеры и шины. Шины FSB, PCI Express, PCI

Введение

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.
Компоненты компьютерной техники претерпевают постоянные изменения, так как производители наращивают производительность устройств, находятся в постоянном поиске новых технологий хранения и передачи и обработки данных.
Однако, движение в направлении развития только устройств (процессоров, видеоадаптеров и т.п.) не позволяет достичь ожидаемых результатов в связи с необходимостью налаживания взаимодействия устройств, что значительно снижает их скорость работы.
В таких условиях актуальность изучения локальных шин типа PCI и PCI Express становится очевидной. Тем более что скорость работы всей системы напрямую зависит от частоты основной процессорной шины, связывающей процессор и все остальные устройства.
В данной работе мы познакомимся и рассмотрим существующие контроллеры и шин PCI, PCI Express и FSB.

1. Контроллеры и шины как средства интеграции устройств
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].
Обычно шина включает три составные части:
- данные;
- адреса;
- управление.
Шина данных используется при передачи данных. В компьютерной сфере все вывода делятся по назначению - часть из них используется для передачи информации, вторая часть - для ее приема. Самой важной ее характеристикой является ширина (обычно измеряется в битах). С ее помощью задается то количество данных, которые можно передать за раз.
Адресная шина применяется, в основном, теми устройствами, с помощью которых проводится инициализация сеансов DMA с целью определения физического адреса слова ОЗУ, к которому устройство обращается с целью чтения или записи. Ее основная характеристика - это, как и в шине данных, ее ширина. Она задает объем адресуемой памяти. Каждый адресный бит определяется 1 линией в сети, где осуществляется передача адреса. В случае, когда речь идет о структурной схеме ЭВМ, по адресной шине осуществляется активация работы всех внешних устройств по одной команде, поступающей с микропроцессора.
Шина управления - это шина, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Для данной шины сигнал управления разрешает/запрещает какую из операций (считывания или записи) требуется выполнить, осуществляет синхронизацию процесса обмена информацией и т.п. Структура данной шины не является настолько четкой, как у шин адреса или данных. В ее структуру обычно объединяют те линии, по которым осуществляется передача любых сигналов управления от периферийных устройств к процессору и в обратном направлении. Обычно передаются следующие сигналы:
- чтение;
- запись;
- инициализация устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ);
- инициализация портов;
- готовность;
- сброс.
Помимо этих трех шин существует также шина питания, по которой к устройствам компьютера подаются питающие напряжения (обычно это +5В, +12В,-5В, и –12В), а также общие провода («земля») с нулевым потенциалом [3].

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. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п.
Но в свете последних достижений в «железной» сфере компьютерной индустрии малое количество сигнальных линий и логически более сложный механизм передачи данных последовательных шин оборачиваются для них существенным преимуществом – возможностью практически безболезненного наращивания рабочих частот в таких пределах, каких никогда не достичь громоздким параллельным шинам с их высокочастотными проблемами ожидания доставки каждого бита к месту назначения. Проблема в том, что каждая линия такой шины имеет свою длину, свою паразитную ёмкость и индуктивность и, соответственно, своё время прохождения сигнала от источника к приёмнику, который вынужден выжидать дополнительное время для гарантии получения данных по всем линиям. Так, к примеру, каждый байт, передаваемый через линк шины PCIExpress, для увеличения помехозащищённости «раздувается» до 10 бит, что, однако, не мешает шине передавать до 0,25 ГБ за секунду по одной паре проводов

. Да, ширина последовательной шины на самом деле является количеством одновременно задействованных отдельных последовательных каналов передачи. [5].

1.1.2. Функциональное назначение шин
Шины делятся по своему функциональному назначению на:
- системные;
- память и кэш-память;
- ввод/вывод информации [4].

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. Она представляет собой расширенный вариант внутренней шины МП, используемой для обмена информацией с видеоадаптеро, реже - с твердым диском, сетевым адаптером или платами мультимедиа. Разрядность шины может быть 32 бита (для данных) или 30 (для адреса), реальная скорость передача составляет 80 Мбайт/с, однако в теории может составлять 132 Мбайт/с.
К основным минусам данной шины относится:
- работа только с определенными МП;
- сложная зависимость от тактовой частоты;
- очень низкое количество подключаемых устройств;
- отсутствует контроля шины.
Шина PCI получила самое широкое распространение в настоящее время. Она была создана в 1993 году фирмой Intel. основным преимуществом данной шины является ее универсальность - к ней можно подключить до 10 устройств. Она обладает собственным адаптером, в связи с чем расширен круг МП, с которыми она может работать. Помимо этого, в ней реализована поддержка режимов Bus Mastering, Plug and Play и автоматическая конфигурация адаптера.
С точки зрения конструкции данная шина состоит из двух идущих подряд секций по 64 контакта со своим ключом. Используя данный интерфейс, осуществляется подключение видеокарты, модема и т.п. устройств к материнской плате (обычно на ней имеется несколько ответных разъемов).
Шина PCI создана для выполнения большинства функций шины расширения. Через данную шину подключаются такие шины, как ISA, EISA, MCA. Благодаря этому факту, шина считается независимой от процессора и имеет возможность работы с шиной процессора без запросов. Это приводит к снижению загрузки последней. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. 
Шина AGP — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на базе стандарта PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Внешний вид разъемов шины AGP

Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGP8x — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.
Шина AGP имеет два режима работы: DMAи Execute.В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в данном режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видео-адаптер [6]. 

2. Изучение шин FSB, PCI, PCi Express
2.1. Front Side Bus (FSB)
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. Если, например, принять, что частота FSB шины равна 100 МГц, то для расчета эффективной частоты необходимо удвоить значение, т.е.  оно будет равно 200 МГц. скорость передачи данных в этом случае будет равна 800 Мбайт/сек [7].

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