Внешнее устройство шиной pci (5 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

История PCI — на пути к светлому будущему накопителей
Шина pci
Шина PCI
Особенности шины PCI
📸 Видео

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:Другие устройства в диспетчере устройств как убрать Windows 11.Неизвестное устройство.PCI-контроллерСкачать

Шина pci

В такой системе ввода-вывода различные ПУ подключались к разным шинам. Медленные — к ISA, а высокоскоростные — к РСI. С появление шины РСI стало целесообразным использовать высокоскоростные параллельные и последовательные интерфейсы ПУ (SCSI, ATA, USB). На этом этапе системной стали называть шину МП, через которую он взаимодействовал с ОЗУ. Шина РСI и ISA и подобные другие назвали шинами ввода-вывода или шинами расширения. Действительно, эти шины как бы расширяли число устройств, работающих с ЦП, и их основной функцией стало обеспечение процессов ввода и вывода информации.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами.

Мост – устройство, применяемое для объединения шин, использующих разные или одинаковые протоколы обмена. Мост – это сложное устройство, которое осуществляет не только коммутацию каналов передачи данных, но и производит управление соответствующими шинами.

Разрядность шины данных: 32, 64;

Частота шины: 33 МГц, 66 МГц;

Максимальная пропускная способность: 533 МБ/с;

Поддержка технологии Plug&Play.

Важной особенностью шины PCIявляется то, что в ней реализован новый принцип управления шиной, который состоит в том, что внешнее устройство может пересылать по шине PCI данные без участия процессора (Bus Mastering). То есть во время передачи данных устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным, вследствии чего процессор освобождается для выполнения других задач на время передачи данных

Особенностями шины PCI, обеспечивающими ее широкое распространение, являются:

Используется новый способ передачи данных, называемый «способом рукопожатия», который заключается в том, что при передаче определяются передающее устройство (Iniciator) и принимающее устройство (Target). Передающее устройство выставляет данные на шине данных и передает сигнал готовности к передаче (Iniciator Ready); получив такой сигнал, принимающее устройство записывает данные и передает сигнал Target Ready, подтвержающий прием текущих данных и готовность к приему следующих.

Шина PCI использует принцип мультиплексирования, то есть для передачи логических сигналов данных и адресов используются одни и те же физические линии в разные моменты времени, в зависимости от управляющих сигналов на шине PCI.

Видео:ОБЪЯСНЯЕМ PCI Express 4.0Скачать

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:Линии PCIe - сколько их реально нужно и чем линии CPU отличаются от линий MB?Скачать

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.