Шинные интерфейсы материнской платы
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.
ISA.Историческим достижением компьютеров платформы IBM PC стало вне- дрение почти двадцать лет назад архитектуры, получившей статус промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture). Она не только позволила связать встсреоуйства системного блока между собой, но и обеспечила простое подклю- чение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способ- ность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет до 5,5 Мбайт/c, но, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина еще может использоваться в некоторых компьютерах для подключения сравнительно «медленных» внешних устройств, например звуковых карт и модемов.
EISA.Расширением стандарта ISA стал стандарт EISA (Extended ISA), от- личающийся увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/c). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим. После 2000 года выпуск материнских плат с разъемами ISA/EISA и устройств, подключаемых к ним, практически прекращен.
VLB.Название интерфейса переводится как локальная шина стандарта VESA (VESA Local Bus). Понятие «локальной шины» впервые появилось в конце 80-х годов. Оно связано тем, что при внедрении процессоров третьего и четвертого по- колений (Intel 80386 и Intel 80486) частоты основной шины (в качестве основной
использовалась шина ISA/EISA) стало недостаточно для обмена между процес- сором и оперативной памятью. Локальная шина, имеющая повышенную частоту, связала между собой процессор и память в обход основной шины. Впоследствии в эту шину «врезали» интерфейс для подключения видеоадаптера, который тоже торвеыбшуетннпой пропускной способности, — так появился стандарт VLB, кото- рый позволил поднять тактовую частоту локальной шины до 50 МГц и обеспечил пиковую пропускную способность до 130 Мбайт/c.
Основным недостатком интерфейса VLB стало то, что предельная частота локальной шины и, соответственно, ее пропускная способность зависят от числа устройств, подключенных к шине. Так, например, при частоте 50 МГц к шине может быть подключено только одно устройство (видеокарта). Для сравнения скажем, что при частоте 40 МГц возможно подключение двух, а при частоте 33 МГц — трех устройств. Активное использование шины VLB продолжалось очень недолго, она была вскоре вытеснена шиной PCI.
PCI.Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect — стандарт подключе- ния внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах во времена процессора 80486 и первых версий Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую вре- заазнъеымры для подключения внешних устройств. Для связи с основной шиной компьютера (ISA/EISA) используются специальные интерфейсные преобразова- тели — мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета).
Днтаенрнфыеййси поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает про-
пуосокбннуоюстсь 132 Мбайт/c. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-раз- рядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.
Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышлен- ный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI про- исходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате
кстортойрсотгвооу автоматически получает номер используемого прерывания,
адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.
Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номерами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызывают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса PCI и оформлением стандарта plug-and- play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью автоматических программных средств — эти функции во многом были возложены на операционную систему.
FSB.нШа и PCIя, пвоившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium
как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памя- тью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro, используется специальная шина, получившая
название Front Side Bus (FSB). Эта шина работает на частоте 100–200 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров — именно он и указывается в спецификации материнской платы. Современные типы памяти (DDR SDRAM, RDRAM) способны передавать несколько сигналов за один такт шины FSB, что повышает скорость обмена данными с оперативной памятью.
AGP.Видеоадаптер — устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, «врезаемым» в новую шину. Когда параметры шины PCI перестали соответствовать требовани- ям видеоадаптеров, для них была разработана отдельная шина, получившая на- звание AGP (Advanced Graphic Port — усовершенствованный графический порт).
Частота этой шины соответствует частоте шины PCIц(33 МГ или 66 МГц), но она
имеет много более высокую пропускную способность за счет передачи нескольких сигналов за один такт. Число сигналов, передаваемых за один такт, указывается в виде множителя, например AGP 4× (в этом режиме скорость передачи достигает 1066 Мбайт/с). Последняя версия шины AGP имеет кратность 8×.
PCI Express.Эта шина пришла на смену шинам PCI и AGP и используется в современных компьютерах. Отличительной особенностью PCI Express является применение последовательного протокола передачи данных, который позволил достигнуть весьма высоких показателей производительности. Так, пропускная способность шины достигает 64 Гбайт/c. Существуют различные варианты PCI Express, которые различаются количеством соединений. Так, низкоскоростные устройства (такие, как модемы) могут использовать PCI Express X1ск(нпаряопу способность «одинарной» линии составляет 0,5 Гбайт/c). Современные видеокарты обычно используют PCI Express X16.
PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association — стан- дарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных ком- пьютерах.
USB(Universal Serial Bus — универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последователь- ный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Изначально производительность шины USB была относительно невелика, но ее вполне хватало для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик, принтер и т. п. Современные варианты USB поддерживают высокие скорости передачи данных, что делает ее универсальной шиной для подключения к ПК любых внешних устройств.
Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства вго«рячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального обо- рудования и программного обеспечения.
Функции микропроцессорного комплекта (чипсета)
Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени опре- деляют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, исторически получивших название «северный мост» и «южный мост».
«Северный мост» обычно управляет взаимосвязью процессора, оперативной памяти и порта AGP.
«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции контроллера шины PCI, моста ISA — PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.
У предыдущих поколений материнских плат связь между северным и южным месопсетчоимвоалба шина PCI, контроллер которой располагался в северном мо- сте. У современных материнских плат мосты соединены новой шиной повышенной производительности, а контроллер шины PCI находится в южном мосте вместе с контроллерами всех прочих устройств.