Что такое системная шина pci (3 видео)

Итак, переходим к самому интересному. Что же находится на сегодняшний день внутри большинства наших компьютеров? Естественно, шина PCI. Другой вопрос, почему именно эта шина. Попробуем разобраться.

Итак, разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась «с нуля», а не была попыткой установки новых «заплат» на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0). Разработчики Intel отказались от использования шины процессора и ввели еще одну «антресольную» (mezzanine) шину.

Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация. Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка шины процессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу по совершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1), и в этом, пожалуй, вторая половина ответа на вопрос «почему PCI?»

Основные возможности шины следующие.

Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей

132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый «linear burst» (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) «одним куском», то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие «Землю» — архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space — «конфигурационное пространство».

Конфигурационное пространство состоит из трех регионов:

заголовка, независимого от устройства (device-independent header region);
региона, определяемого типом устройства (header-type region);
региона, определяемого пользователем (user-defined region).

В заголовке содержится информация о производителе и типе устройства — поле Class Code (сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т.д.) и прочая служебная информация.

Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода/вывода, которые позволяют динамически выделять устройству область системной памяти и адресного пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств производится либо BIOS (при выполнении POST — power-on self test), либо программно. Базовый регистр expansion ROM аналогично позволяет отображать ROM устройства в системную память. Поле CIS (Card Information Structure) pointer используется картами cardbus (PCMCIA R3.0). С Subsystem vendor/Subsystem ID все понятно, а последние 4 байта региона используются для определения прерывания и времени запроса/владения.

Содержание

Шина PCI
Особенности шины PCI
История PCI — на пути к светлому будущему накопителей
Шина PCI
История создания
Основные сведения
Конфигурирование
💡 Видео

Видео:Системная шина персонального компьютера pci expressСкачать

Шина PCI

PCI – параллельная шина ввода-вывода материнской платы для установки дополнительного аппаратного обеспечения. Главным преимуществом стандарта, в свое время, стало то, что разработчик (Intel — PCI Special Interest Group) объявил шину PCI открытым интерфейсом. Данное решение позволило значительно увеличить ассортимент аппаратных устройств ПК, так как производителям не нужно было лицензировать свой продукт для шины PCI.

Видео:Системная шина персонального компьютера PCIСкачать

Особенности шины PCI

Так как шина PCI разрабатывалась с нуля, а не была попыткой апгрейда одного из существующих интерфейсов, разработчики Intel отказались от использования шины процессором, что позволило создать локальную процессоронезависимую шину. Теперь данные между процессором и оперативной памятью, равно как, и между устройствами самой шины PCI передавались независимо друг от друга.

Работа шины PCI полностью основывалась на принципе Plug & Play и управлялась базовой системой ввода-вывода (BIOS), таким образом, при старте компьютера происходило распределение аппаратных ресурсов между устройствами шины PCI.

Особенностью шины также стала её децентрализация, то есть, любое из устройств могло стать главным инициатором транзакций и затребовать столько ресурсов, сколько было необходимо для осуществления текущих операций. При этом использовалась система арбитража и отдельно стоящей логики арбитра. Новые транзакции инициировались в процессе предыдущих запущенных транзакций. Данные и адреса между устройствами шины PCI передавались циклическим методом и использовали «обычную», «пакетную» и «расщеплённую» типы транзакций.

«Обычная» транзакция состояла из одного либо двух циклов адреса.

«Пакетная» транзакция со множеством циклов чтения/записи использовала один цикл адреса на несколько, а не на каждый цикл данных. Транзакция могла быть временно приостановлена обоими устройствами из-за опустошения или переполнения буфера данных.

Принцип «расщеплённая» транзакция заключался в том, что целевое устройство отвечало состоянием «в процессе» и инициатор освобождал шину для других устройств, захватить её снова через арбитраж и повторив транзакцию. Так продолжалось, пока целевое устройство не отвечало «сделано». Данный метод использовался для сопряжения шин с разными скоростями (PCI и FSB-шина процессора) и для предотвращения тупиковых ситуаций в сценарии взаимодействия со многими межшинными мостами.

Что касается параметров, шина PCI работала на частоте 33,33/66,66 МГц и имела разрядность 32/64 бита, а данные и адрес передавались по одним и тем же линиям. Пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта составляла 133 Мбайт/с при частоте 33,33 МГц.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

История PCI — на пути к светлому будущему накопителей

Современная революция систем хранения данных невозможна без развития интерфейсов, с помощью которых диски подключаются к системе. Одним из главных «героев» этого фронта сейчас является шина PCI Express. Скоростные накопители в наше время работают с интерфейсом PCIe Gen2 x4, обеспечивая скорость до 20 Гб/с, но так было далеко не всегда.

Началом современных «шин» в персональных компьютерах стоит считать 1982 год. В недрах IBM был рожден новый компьютер, одной из отличительных особенностей которого была открытость его архитектуры. Компьютер получил название PC, а общался с внешним миром он по совершенно новому интерфейсу, который был назван Industry Standard Architecture или ISA. Данная шина умела работать с 8-битными данными на частоте 4.77 МГц, позже появились 16 и 32 битные варианты, работающие с еще более высокой частотой. Очень простая схема этого интерфейса дала толчок развитию массы внешних плат расширения, и, можно сказать, что именно открытый протокол внешней шины стал одной из главных причин успеха новой на тот момент архитектуры.

Неудивительно, что ISA очень долго сохраняла свою популярность, и даже сейчас, за весьма большие деньги продаются материнские платы с поддержкой этой шины — по ней подключается слишком много незаменимых устройств.

На основании ISA был разработан ряд производных интерфейсов, начиная с PCMCIA и заканчивая ATA (по сути — упрощенное подмножество интерфейса ISA). Разрабатывались ускоренные варианты шины: EISA (32 бита, 8 МГц) и VESA Local Bus (использовалась для подключения видоадаптера).

Со временем, IBM утратили лидирующую роль в разработке PC, поэтому над следующим поколением интерфейсов уже работали инженеры компании Intel. В самом начале 90-х гг… был разработан новый стандарт, получивший название Peripheral Component Interconnect или PCI. В 1992 году свет увидел первый стандарт PCI, тогда же была создана PCI Special Interest Group — организация, занимающаяся разработкой и продвижением данного стандарта. Стандарт был объявлен открытым, поэтому любой желающий мог разрабатывать PCI-устройства без выплаты отчислений.

Первая версия шины поддерживала 32 и 64 бита, работала на частоте 33 мегагерца и в теории обеспечивала скорость до 133 Мб/с (на практике около 80 Мб/с).

Начав свое победное шествие с рынка серверов, новый стандарт не сразу завоевал настольные ПК. Одним из пионеров его использования была компания Apple, отказавшаяся от интерфейса NuBus в своих продуктах 95-96 годах.

Максимальная популярность к новому интерфейсу пришла в 1995 году с появлением версии 2.1 (так же названной «параллельная шина PCI»). Данная ревизия подразумевала работу с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта). Появились реализации PCI для платформ с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.

Кстати, одним из главных нововведений PCI стала возможность автоматического конфигурирования параметров устройства, эту технологию в Intel назвали Plug-n-Play, а благодаря «стабильной» реализации ее программной поддержки в продуктах Microsoft, эта технология стала объектом множества шуток и анекдотов.

Попыткой экстенсивного развития технологии можно считать шину PCI-X, в основном использовавшуюся в серверах. Первая версия данного стандарта работала с частотой 100 и 133 МГц, а также вводила механизм раздельных транзакций для оптимизации работы нескольких карт. Сейчас иногда используется шина PCI-X 2.0, обеспечивающая работу на частотах в 266 и 533 МГц.

В 2004 году свет увидел новый стандарт, в котором были учтены все проблемы PCI. Новая шина получила название PCI Express или просто PCIe (главное — не путать ее с PCI-X). Новая технология предложила массу интересных решений.

— для передаваемых данных осуществляется контроль целостности
— QoS обеспечивает для подключенных устройств гарантированную полосу пропускания
— есть управление питанием подключенных устройств и возможность их горячей замены

Главное же отличие состоит в том, что PCIe использует не «шинную» топологию а «звезду», то есть каждое устройство связанно с коммутатором отдельной линией.

Пропускная способность односвязной PCIe первой версии составляла 4 Гбит/с в обе стороны. Максимальная скорость в стандарте PCIe 4 версии (находится в разработке и планируется к выходу в 2015 году) достигает 1024 Гбит/с. Как видите, по этому параметру PCIe обладает хорошим запасом, хотя расслабляться не приходится, конкуренты не дремлют.

Недавно Джереми Вернер (Jeremy Werner), один из старших директоров подразделения флэш-технологий (SandForce) в LSI дал очень интересное интервью, касающееся PCIe и SSD. В полном виде вы можете ознакомиться с ним на английском, я же вкратце перескажу одну мысль, которая мне показалась особенно интересной:

Максимальная скорость современного интерфейса SATA составляет 6 Гбит/с, при этом SATA является полудуплексным, то есть не умеет одновременно передавать и принимать данные. Не так редко встречающийся PCIe 2 поколения с 4 линиями передачи данных обеспечивает скорость до 20 ГБит/с в полнодуплексном режиме. Фактически, PCIe получается где-то в 7 раз быстрее. Но традиционные жесткие диски просто не нуждаются в таких скоростях передачи данных. Только SSD сейчас могут обеспечивать скорость, достаточную для полноценного использования высокоскоростных интерфейсов.

Сочетание интерфейсов типа M.2 и высокоскоростных флэш-накопителей, похоже, приближает будущее, в котором дисковая подсистема перестанет быть самым узким местом в ПК. Ярким примером могут послужить компьютеры Apple — компания как игрок премиум сегмента может себе позволить эксперименты с новыми решениями, и они оказываются очень удачны с точки зрения производительности. Но в силу дешевизны, традиционные жесткие диски и SATA-интерфейс еще не думают сдаваться так просто, поэтому тотального наступления светлого будущего придется немного подождать.

Видео:Системная шина персонального компьютера PCIСкачать

Шина PCI

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.

Видео:Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать

История создания

Весной 1991 года компания 486, Pentium Pro. Кроме того, было необходимо учесть ошибки допущенные VLB (электрическая нагрузка не позволяла подключать более 3 плат расширения), а также реализовать автоконфигурирование устройств по примеру протокола 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/с, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/с.

В середине 1993 года 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

В 1995 году 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 Мбайт/с (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, SPARC и др.

В 1997 году, в связи с развитием компьютерной графики и разработкой шины видеокартам и перестала использоваться для установки видеокарт. Смысла приобретать PCI-видеокарту нет уже более 10 лет.

В настоящее время интерфейс PCI постепенно вытесняется интерфейсами PCI Express и 2008 год) устанавливается всего лишь 2-3 разъёма PCI вместо 5-6, устанавливавшихся ранее.

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

Основные сведения

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 «взрывной» (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.

«Взрывная» транзакция может быть временно приостановлена обеими 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 с 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.
prefetcing — 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.

Видео:Шина PCI Express: эволюция от поколения к поколениюСкачать

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 пространстве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI.

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

Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличие от шины IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.