Стандартные слоты и карты PCI. Руководство покупателя игровой видеокарты

Стандарт PCI Express является одной из основ современных компьютеров. Слоты PCI Express уже давно занимают прочное место на любой материнской плате декстопного компьютера, вытесняя другие стандарты, например, такие как PCI. Но даже стандарт PCI Express имеет свои разновидности и отличающийся друг от друга характер подключения. На новых материнских платах, начиная примерно с 2010 года, можно увидеть на одной материнской плате целую россыпь портов, обозначенных как PCIE или PCI-E , которые могут отличаться по количеству линий: одной x1 или нескольких x2, x4, x8, x12, x16 и x32.

Итак, давайте выясним почему такая путаница среди казалось бы простого периферийного порта PCI Express. И какое предназначение у каждого стандарта PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32?

Что такое шина PCI Express?

В далеких 2000-х, когда состоялся переход с устаревающего стандарта PCI (расш. - взаимосвязь периферийных компонентов) на PCI Express, у последнего было одно огромное преимущество: вместо последовательной шины, которой и была PCI, использовалась двухточечная шина доступа. Это означало, что каждый отдельный порт PCI и установленные в него карты, могли в полной мере использовать максимальную пропускную способность не мешая друг другу, как это происходило при подключении к PCI. В те времена количество периферийных устройств, вставляемых в карты расширения, было предостаточно. Сетевые карты, аудио карты, ТВ-тюнеры и так далее - все требовали достаточное количество ресурсов ПК. Но в отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, если рассматривать в общем, является пакетной сетью с топологией типа звезда.

PCI Express x16, PCI Express x1 и PCI на одной плате

С точки зрения непрофессионала, представьте свой настольный ПК в качестве небольшого магазина с одним, двумя продавцами. Старый стандарт PCI был как гастроном: все ожидали в одной очереди, чтобы их обслужили, испытывая проблемы со скоростью обслуживания с ограничением в лице одного продавца за прилавком. PCI-E больше похож на гипермаркет: каждый покупатель движется за продуктами по своему индивидуальному маршруту, а на кассе сразу несколько кассиров принимают заказ.

Очевидно, что гипермаркет по скорости обслуживания выигрывает в несколько раз у обычного магазина, благодаря тому, что магазин не может себе позволить пропускную способность больше чем один продавец с одной кассой.

Также и с выделенными полосами передачи данных для каждой карты расширения или встроенными компонентами материнской платы.

Влияние количества линий на пропускную способность

Теперь, чтобы расширить нашу метафору с магазином и гипермаркетом, представьте, что каждый отдел гипремаркета имеет своих кассиров, зарезервированных только для них. Вот тут-то и возникает идея нескольких полос передачи данных.

PCI-E прошел множество изменений со времени своего создания. В настоящее время новые материнские платы обычно используют уже 3 версию стандарта, причем более быстрая 4 версия становится все более распространенной, а версия 5 ожидается в 2019 году. Но разные версии используют одни и те же физические соединения, и эти соединения могут быть выполнены в четырех основных размерах: x1, x4, x8 и x16. (x32-порты существуют, но крайне редко встречаются на материнских платах обычных компьютерах).

Различные физические размеры портов PCI-Express позволяют четко разделить их по количеству одновременных соединений с материнской платой: чем больше порт физически, тем больше максимальных подключений он способен передать на карту или обратно. Эти соединения еще называют линиями . Одну линию можно представить как дорожку, состоящею из двух сигнальных пар: одна для отправки данных, а другая для приема.

Различные версии стандарта PCI-E позволяют использовать разные скорости на каждой полосе. Но, вообще говоря, чем больше полос находится на одном PCI-E-порту, тем быстрее данные могут перетекать между периферийной и остальной частью компьютера.

Возвращаясь к нашей метафоре: если речь идёт об одном продавце в магазине, то полоса x1 и будет этим единственным продавцом, обслуживающим одного клиента. У магазина с 4-мя кассирами - уже 4 линии х4 . И так далее можно расписать кассиров по количеству линий, умножая на 2.

Различные карты PCI Express

Типы устройств, использующих PCI Express x2, x4, x8, x12, x16 и x32

Для версии PCI Express 3.0 общая максимальная скорость передачи данных составляет 8 ГТ/с, В реальности же скорость для версии PCI-E 3 чуть меньше одного гигабайта в секунду на одну полосу.

Таким образом, устройство, использующее порт PCI-E x1, например, маломощная звуковая карта или Wi-Fi-антенна смогут передавать данные с максимальной скоростью в 1 Гбит/с.

Карта, которая физически подходит в более крупный слот - x4 или x8 , например, карта расширения USB 3.0, сможет передавать данные в четыре или восемь раз быстрее соответственно.

Скорость передачи портов PCI-E x16 теоретически ограничивается максимальной полосой пропуская в размере около 15 Гбит/с. Этого более чем достаточно в 2017 года для всех современных графических видеокарт, разработанных NVIDIA и AMD.

Большинство дискретных видеокарт используют слот PCI-E x16

Протокол PCI Express 4.0 позволяет использовать уже 16 ГТ/с, а PCI Express 5.0 будет задействовать 32 ГТ/с.

Но в настоящее время не существует компонентов, которые смогли бы использовать такое количество полос с максимальной пропускной способностью. Современные топовые графические карты обычно используют x16 стандарта PCI Express 3.0. Нет смысла использовать те же полосы и для сетевой карты, которая на порту x16 будет использовать только одну линию, так как порт Ethernet способен передавать данные только до одного гигабита в секунду (что, около одной восьмой пропускной способности одной PCI-E полосы - помните: восемь бит в одном байте).

На рынке можно найти твердотельные накопители PCI-E, которые поддерживают порт x4, но они, похоже, скоро будут вытеснены быстро развивающимся новым стандартом M.2. для твердотельных накопителей, которые также могут использовать шину PCI-E. Высококачественные сетевые карты и оборудование для энтузиастов, такие как RAID-контроллеры, используют сочетание форматов x4 и x8.

Размеры портов и линий PCI-E могут различаться

Это одна из наиболее запутанных задач по PCI-E: порт может быть выполнен размером в форм-факторе x16, но иметь недостаточное количество полос для пропуска данных, например, всего например x4. Это связано с тем, что даже если PCI-E может нести на себе неограниченное количество отдельных соединений, все же существует практический предел пропускной способности полосы пропускания чипсета. Более дешевые материнские платы с более бюджетными чипсетами могут иметь только один слот x8, даже если этот слот может физически разместить карту форм-фактора x16.

Кроме того, материнские платы, ориентированные на геймеров, включают до четырех полных слотов PCI-E с x16 и столько же линий для максимальной пропускной способности.

Очевидно, это может вызывать проблемы. Если материнская плата имеет два слота размером x16, но один из них имеет только полосы x4, то подключение новой графической карты снизит производительность первой аж на 75%. Это, конечно, только теоретический результат. Архитектура материнских плат такова, что Вы не увидите резкого снижения производительности.

Правильная конфигурация двух графических видео карт должна задействовать именно два слота x16, если Вы хотите максимального комфорта от тандема двух видеокарт. Выяснить сколько линий на Вашей материнской плате имеет тот или иной слот поможет руководство на оф. сайте производителя.

Иногда производители даже помечают на текстолите материнской платы рядом со слотом количество линий

Нужно знать, что более короткая карта x1 или x4 может физически вписаться в более длинный слот x8 или x16. Конфигурация контактов электрических контактов делает это возможным. Естественно, если карта физически больше, чем слот, то вставить ее не получится.

Поэтому помните, при покупке карт расширения или обновления текущих необходимо всегда помнить как размер слота PCI Express, так и количество необходимых полос.

AGP-слот с защёлкой для графической карты.

Большинство графических карт в пользовательских ПК используют интерфейс Accelerated Graphics Port (AGP). У самых старых систем для той же цели применяется интерфейс PCI. Впрочем, на замену обоим интерфейсам призван PCI Express (PCIe). Несмотря на название, PCI Express является последовательной шиной, а PCI (без суффикса Express) - параллельной. В общем, шины PCI и PCI Express не имеют ничего общего, помимо названия.

Графическая карта AGP (сверху) и графическая карта PCI Express (снизу).

Материнские платы для рабочих станций используют слот AGP Pro, который обеспечивает дополнительное питание для прожорливых карт OpenGL. Впрочем, в него можно устанавливать и обычные графические карты. Однако AGP Pro так и не получил широкое признание. Обычно прожорливые графические карты комплектуются дополнительным гнездом питания - для той же вилки Molex, к примеру.

Дополнительное питание для графической карты: 4- или 6-контактное гнездо.

Дополнительное питание для графической карты: гнедо Molex.

Стандарт AGP пережил несколько обновлений.

Если вы любите копаться в "железе", то следует помнить о двух уровнях напряжения интерфейса. Стандарты AGP 1X и 2X работают на 3,3 В, в то время как AGP 4X и 8X требуют всего 1,5 В. Кроме того, существуют карты типа Universal AGP, которые подходят для разъёма любого типа. Чтобы предотвратить ошибочную установку карт, слоты AGP используют специальные выступы. А карты - прорези.

У верхней карты есть прорезь для AGP 3,3 В. В середине: универсальная карта с двумя вырезами (один для AGP 3,3 В, второй - для AGP 1,5 В). Снизу показана карта с вырезом справа для AGP 1,5 В.

Слоты расширения материнской платы: PCI Express x16 линий (сверху) и 2 PCI Express x1 линия (снизу).

Два слота PCI Express для установки двух графических карт nVidia SLi. Между ними можно заметить маленький слот PCI Express x1.

PCI Express является последовательным интерфейсом, и его не следует путать с шинами PCI-X или PCI, которые используют параллельную передачу сигналов.

PCI Express (PCIe) является самым современным интерфейсом для графических карт. В то же время, он подходит и для установки других карт расширения, хотя на рынке пока их очень мало. PCIe x16 обеспечивает в два раза большую пропускную способность, чем AGP 8x. Но на практике это преимущество так себя и не проявило.

Графическая карта AGP (сверху) в сравнении с графической картой PCI Express (снизу).

Сверху вниз: PCI Express x16 (последовательный), два интерфейса параллельной PCI и PCI Express x1 (последовательный).

PCI является стандартной шиной для подключения периферийных устройств. Среди них можно отметить сетевые карты, модемы, звуковые карты и платы захвата видео.

Среди материнских плат для широкого рынка больше всего распространена шина PCI стандарта 2.1, работающая на частоте 33 МГц и имеющая ширину 32 бита. Она обладает пропускной способностью до 133 Мбит/с. Производители так широко и не приняли шины PCI 2.3 с частотой до 66 МГц. Именно поэтому карт данного стандарта очень мало. Но некоторые материнские платы этот стандарт поддерживают.

Ещё одна разработка в мире параллельной шины PCI известна как PCI-X. Данные слоты чаще всего встречаются на материнских платах для серверов и рабочих станций, поскольку PCI-X обеспечивает более высокую пропускную способность для RAID-контроллеров или сетевых карт. К примеру, шина PCI-X 1.0 предлагает пропускную способность до 1 Гбит/с с частотой шины 133 МГц и разрядностью 64 бита.

Спецификация PCI 2.1 сегодня предусматривает напряжение питания 3,3 В. Левый вырез/выступ предотвращает установку старых 5-В карт, которые показаны на иллюстрации.

Карта с вырезом, а также PCI-слот с ключом.

RAID-контроллер для 64-битного слота PCI-X.

Классический 32-битный слот PCI сверху, а три 64-битных слота PCI-X снизу. Зелёный слот поддерживает ZCR (Zero Channel RAID).

Словарик

• PCI = Peripheral Component Interconnect

Практически все современные материнские платы на текущий момент оснащены слотом расширения PCI-E x16. В этом нет ничего удивительного: в него устанавливается дискретный графический акселератор, без которого создание производительного персонального компьютера вообще невозможно. Именно о его предыстории появления, технических спецификациях и возможных режимах работы пойдет в дальнейшем речь.

Предыстория появления слота расширения

В начале 2000-х годов со слотом расширения AGP, который на тот момент использовался для установки сложилась такая ситуация, когда максимальный уровень быстродействия достигнут и его возможностей уже недостаточно. В результате этого был создан консорциум PCI-SIG, который приступил к разработке программной и аппаратной составляющих будущего слота для установки графических ускорителей. Плодом его творчества и стала в 2002 году первая спецификация PCI Express 16х 1.0.

Некоторые компании для обеспечения совместимости двух существовавших на тот момент времени портов установки дискретных графических адаптеров разрабатывали специальные устройства, которые позволяли устанавливать устаревшие графические решения в новый слот расширения. На языке профессионалов такая разработка имела свое название - переходник PCI-E x16/AGP. Основное его назначение - это минимизация затрат на модернизацию ПК за счет использования комплектующих с предыдущей конфигурации системного блока. Но такая практика не получила большого распространения по той причине, что видеоплаты начального уровня на новом интерфейсе имели стоимость практически равную цене переходника.

Параллельно с этим были созданы и более простые модификации этого слота расширения для внешних контроллеров, которые пришли на смену привычным на то время портам PCI. Несмотря на внешнюю схожесть, эти устройства существенно различались. Если AGP и PCI могли похвастаться параллельной передачей информации, то вот PCI Express был последовательным интерфейсом. Его более высокое быстродействие обеспечивалось значительно увеличенной скоростью передачи данных в дуплексном режиме (информация в этом случае могла передаваться сразу по двум направлениям).

Скорость передачи и метод шифрования

В обозначении интерфейса PCI-E x16цифра указывает на количество задействованных полос для передачи данных. В данном случае их 16. Каждая из них, в свою очередь, состоит из 2 пар проводов для передачи информации. Как было отмечено, более высокая скорость обеспечивается тем, что эти пары работают в дуплексном режиме. То есть передача информации может идти сразу в двух направлениях.

Для защиты от возможных потерь или искажения передаваемых данных применяется в этом интерфейсе специальная система защиты информации, которая называется 8В/10В. Это обозначение расшифровывается следующим образом: для правильной и корректной передачи 8 бит данных необходимо их дополнить 2 служебными битами для выполнения проверки правильности. В этом случае система вынуждена передавать 20 процентов служебной информации, которая для пользователя компьютера не несет полезной нагрузки. Но это плата за надежную и стабильную работу графической подсистемы персонального компьютера, и без этого уж точно никак не обойтись.

Версии PCI-E

Разъем PCI-E x16 внешне одинаковый на всех системных платах. Только вот скорость передачи информации в каждом случае может существенно отличаться. Как результат, быстродействие устройства тоже разное. А модификации у этого графического интерфейса такие:

• 1-я модификация PCI - Express х16 v. 1.0 имела теоретическую пропускную способность в 8 Гб/с.
• 2-е поколение PCI - Express х16 v. 2.0 уже могло похвастаться увеличенным вдвое значением пропускной способности - 16 Гб/с.
• Аналогичная тенденция сохранилась уже и для третьей версии данного интерфейса. В этом случае этот показатель был установлен на отметке 64 Гб/с.

Визуально отличить по расположению контактов невозможно. При этом они совместимы между собой. Например, если в слот версии 3.0 установить плату графического адаптера, которая соответствует на физическом уровне спецификациям 2.0, то вся система обработки автоматически переключится в наименее скоростной режим (то есть 2.0) и будет уже в дальнейшем функционировать именно с пропускной способностью в 64 Гб/с.

Первое поколение PCI Express

Как было отмечено ранее, впервые PCI Express был представлен в 2002 году. Его выход ознаменовал появление персональных компьютеров с несколькими графическими адаптерами, которые к тому же могли похвастаться даже с одним установленным акселератором повышенным быстродействием. Стандарт AGP 8Х позволял получить пропускную способность 2,1 Гб/с, а первая ревизия PCI Express - 8 Гб/с.

Конечно, говорить о восьмикратном приросте не приходится. 20 процентов прироста использовалось на передачу служебной информации, которая позволяла находить ошибки.

Вторая модификация PCI-E

На смену первому поколению данного в 2007 году пришел PCI-E 2. 0 x16. Видеокарты 2-го поколения, как было отмечено ранее, физически и программно были совместимы с первой модификацией этого интерфейса. Только в таком случае существенно снижалось быстродействие графической системы до уровня версии интерфейса PCI Express 1.0 16х.

Теоретически предел передачи информации в этом случае был равен 16 Гб/с. Но 20 процентов полученного прироста расходовалось на служебную информацию. В итоге в первом случае реальная передача была равна: 8 Гб/с - (8 Гб/с х 20% : 100%) = 6,4 Гб/с. А для второго исполнения графического интерфейса это значение было уже таким: 16 Гб/с - (16 Гб/с х 20% : 100%) = 12,8 Гб/с. Разделив же 12,8 Гб/с на 6,4 Гб/с, получаем реальный практический прирост быстродействия в 2 раза между 1-м и 2-м исполнением PCI Express.

Третье поколение

Последнее и наиболее актуальное обновление этого интерфейса увидело свет в 2010 году. Пиковая скорость PCI-E x16 в этом случае увеличилась до 64 Гб/с, а максимальная мощность графического адаптера без дополнительного питания в этом случае может быть равна 75 Вт.

Варианты конфигураций с несколькими графическими акселераторами в составе одного ПК. Их плюсы и минусы

Одним из наиболее важных нововведений данного интерфейса является возможность наличия сразу нескольких графических адаптеров в x16. Видеокарты при этом объединяются между собой и образуют, по существу, единое устройство. Их общая производительность суммируется, и это позволяет в разы повысить быстродействие ПК с позиции обработки выводимого изображения. Для решений от NVidia такой режим называется SLI, а для графических процессоров от АМД - CrossFire.

Будущее данного стандарта

Слот PCI-E x16в обозримом будущем уж точно не будет изменяться. Это позволит более производительные видеокарты использовать в составе устаревших ПК и за счет этого осуществлять поэтапный апгрейд компьютерной системы. Сейчас же прорабатываются спецификации уже 4-й версии этого способа передачи данных. Для графических адаптеров в этом случае будет предусмотрена максимальная 128 Гб/с. Это позволит выводить изображение на экран монитора в качестве «4К» и более.

Итоги

Как бы там ни было, а PCI-E x16 на текущий момент является безальтернативным графическим слотом и интерфейсом. Он будет актуальным еще достаточно долгое время. Его параметры позволяют создавать как компьютерные системы начального уровня, так и высокопроизводительные ПК с несколькими акселераторами. Именно за счет такой гибкости и не предвидится существенных изменений в этой нише.

В рамках данной статьи будут рассмотрены наиболее распространенные на сегодняшний день PCI-устройства. Что этотакое, и когда без него не обойтись - ключевые вопросы этого материала. Хотя данный стандарт постепенно уходит в прошлое, но все равно он будет актуальным еще достаточно долгое время. Его, по существу, можно считать прародителем самых современных интерфейсов ЮСБ и PCI-Express, которые пришли ему на смену.

Характеристики шины

Перед тем как получим ответ на вопрос: «PCI-устройства: что это такое и где они используются?», рассмотрим характеристики данной шины. Свое победоносное шествие этот стандарт начал в 1991 году. Первым процессором, который мог с ним полноценно функционировать, был 80486. Чуть позже появились первые «Пентиумы», еще больше раскрывшие его потенциал. Физически за этой аббревиатурой скрывается группа разъемов, распаянных на материнской плате. За организацию их работы отвечает одна из микросхем, установленных на ней. Характеристики у PCI следующие:

• Разрядность - 32/64 бита.
• Частота работы - 33 или 66 МГц.
• Максимальная - 500 Мбайт/с (для 64 бит версии PCI 2.0).
• Напряжение питания - 3,3 В (для 32 бит) или 5 В (для 64 бит).

Еще один важный нюанс, который предопределил будущее этого стандарта. «Интел» сделала его «открытым». То есть каждый разработчик мог при желании разработать любую плату расширения, которая без проблем работала бы с этим стандартом.

Какие устройства могут быть установлены

В слот расширения PCI могут быть установлены различные устройства. Среди них можно выделить:

• Графический адаптер.
• Звуковую карту.
• Тюнер.
• Плату расширения.
• Сетевую карту.

Это список можно продолжать до бесконечности. По существу - это полный аналог современной шины ЮСБ, но только с более низкой скоростью передачи данных. Даже драйвер PCI-устройств инсталлируется аналогичным образом. Многие идеи, которые были реализованы в этой устаревшей шине, получили дальнейшее развитие в более современных стандартах. оказала очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники.

Графические адаптеры

Для вывода графического изображения использовалась PCI-видеокарта. В свое время это позволило значительно увеличить производительность компьютерных систем и полностью раскрыть потенциал процессоров 80486 и первых «Пентиумов».

Но время не стоит на месте. То, что тогда стало революционным решением, на сегодняшний день устарело как морально, так и физически. До 1997 года у таких графических ускорителей не было аналогов. Поэтому их можно было встретить на каждом персональном компьютере. И лишь только с появлением на материнской плате такие адаптеры уступили новым графическим решениям пальму первенства по производительности.

Сейчас PCI-видеокарта - большая редкость. Ее можно встретить только на очень старых персональных компьютерах. Можно сказать, что это уже анахронизм. Их производительности достаточно только для решения наиболее простых задач - набора текста, работы с и просмотра картинок. А вот с более сложными приложениями обязательно возникнут проблемы, и в таком случае их лучше не запускать.

Звуковая плата

Звуковая плата - это тоже одна из разновидностей PCI-устройства. Что этотакое? Ответ на этот вопрос достаточно прост. До 1997 года на материнских платах не было интегрированных звуковых адаптеров. Поэтому для организации акустической системы использовались именно такие приспособления. С одной стороны такая плата оснащалась «классическим» разъемом для установки в слот расширения. Интерфейсная ее панель выводилась на тыльную сторону системного блока.

Для фиксации внутри компьютера использовался один болт. Качество звучания их оставляло желать лучшего. Но все равно это был прорыв, который нельзя недооценивать. Именно установка таких устройств позволяла раньше любой компьютер превратить в настоящий мультимедийный центр. Можно было на такой ЭВМ и музыку послушать, и фильм посмотреть, и в игру поиграть.

Тюнеры

Еще один важный тип устройств для данной шины - это тюнер. Такой PCI-контроллер позволяет просматривать телевизионные передачи и прослушивать радио. Для обеспечения работоспособности такой платы к ней нужно в обязательном порядке подключить внешнюю антенну. Иначе качество принимаемого сигнала будет далеким от идеала.

Кроме того, в комплекте с тюнером в обязательном порядке шел пуль дистанционного управления. Это позволяло превратить компьютер в настоящий телевизор. Большого распространения подобная практика не получила, но все равно бывали случаи, когда без такого ноу-хау было не обойтись. Например, занятому человеку такое решение позволяло постоянно быть в курсе событий.

Модем

Важный атрибут старых компьютеров - это модем. С его помощью можно было раньше подключаться к Интернету. Большая часть таких устройств была внутреннего исполнения, то есть устанавливалась в слот PCI. Сейчас их с этого сегмента благополучно вытеснили Хотя еще остались сферы, где им нет альтернативы. Одна из них - это система «Клиент-Банк», которая часто встречается в бухгалтерии. С ее помощью бухгалтер может контролировать состояние счетов компании и при необходимости делать платежи.

Плата расширения

Нередко в можно встретить следующее устройство: «PCI контроллер simple communications». За этим словосочетанием скрывается плата расширения. Она позволяет увеличить количество портов для подключения или жестких дисков. То есть подобное приспособление устанавливается в слот расширения материнской платы, а с внешней стороны оно оснащено разъемами ЮСБ, КОМ или ЛПТ. Лет 5 назад это позволяло существенно увеличить количество подключенных периферийных устройств. Сейчас же количество портов на материнской плате выросло в разы, и потребность в установке подобных контроллеров просто отпала.

Итоги

В данном материале был дан ответ на вопрос: «PCI-устройства - что это такое и где они используются?»

Как видим, это достаточно широкая гамма устройств, которая позволяет превратить ваш компьютер в настоящий центр для развлечений. По крайней мере, это утверждение было справедливо до недавних пор. Сейчас ситуация немного изменилась. Все больше компонентов интегрируются непосредственно в сам процессор или на материнскую плату. Поэтому и потребность в них отпадает. Можно встретить и прочее устройство моста PCI, например, сетевая карточка, которая позволяет объединить компьютеры в локальную вычислительную сеть. Единственное устройство, которое пока не имеет достойной альтернативы, - это тюнер для приема телепередач и прослушивания радио. Но уже и в этом сегменте начали появляться компактные ЮСБ-аналоги. В общем, стандарт PCI постепенно уходит в прошлое, но он все равно будет продолжительное время присутствовать на рынке.

Шина ISA

Стандарты шинного интерфейса

По мере увеличения разрядности шины и увеличения тактовой частоты в компьютере, изменялись и стандарты шинного интерфейса. В настоящее время в компьютерах используются следующие основные стандарты шинного интерфейса:

· шина ISA;

· шина PCI;

Другие стандарты, такие как МСА (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная стандартная промышленная архитектура) и VESA, обычно называемый локальной шиной, VL-шиной и разработанный ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association – ассоциация стандартов видеоэлектроники), в настоящее время не используются.

Первый распространенный стандарт шинного интерфейса – шина ISA (Industry Standard Architecture – стандартная промышленная архитектура) была разработана фирмой IBM при создании компьютера IBM PC AT (1984 г.). Эта 16-битовая шина с тактовой частотой 8,33 МГц допускает установку как 8-битовых, так и 16-битовых плат расширения (с пропускной способностью соответственно 8,33 и 16,6 Мбайт/с).

Обмен данными между высокоскоростными внешними устройствами и оперативной памятью выполняется при участии процессора, что в некоторых случаях может привести к снижению производительности компьютера. В режиме прямого доступа, введенном в шине ISA, периферийное устройство связано с оперативной памятью напрямую через каналы DMA (Direct Memory Access – прямой доступ в память). Наиболее эффективным такой режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с жесткого диска).

Для организации прямого доступа в память используется контроллер DMA, встроенный в одну из микросхем на материнской плате. Устройство, требующее прямой дос­туп к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к кон­троллеру, сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, на­чальный адрес блока данных и объем данных. Инициализация обмена происходит с участием процессора, но собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а не процессора.

Шина ISA отсутствует в современных материнских платах, и сохранилась только в старых компьютерах.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимосвязь периферийных компонент) была разработана фирмой Intel с участием ряда других фирм в 1993 г. для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium.

В настоящее время все стандарты PCI разрабатываются и поддерживаются организацией PCI-SIG (PCI – Special Interest Group) (PCI – Группа специальных интересов).

Последний стандарт PCI – PCI 3.0, принятый в 2004 году, определяет как 32-разрядную шину с тактовой частотой 33 МГц и пиковой пропускной способностью 133 Мбайта/с, так и 64-разрядные шины с тактовыми частотами 33 и 66 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 266 и 533 Мбайта/с.

Для ускорения передачи данных в шине PCI используется пакетный режим (burst mode). В этом режиме данные, расположенные по какому-либо адресу, передаются не по одному, а сразу целым набором.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами. Важной особенностью шины PCI является и то, что в ней вместо каналов DMA реализован более эффективный режим управления шиной (Bus Mastering), который позволяет внешнему устройству управлять шиной без участия процессора. Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобож­дается для выполнения других задач, пока происходит передача данных. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных сис­тем типа Windows и Unix.

Разъемы для карты PCI на материнской плате приведен на рис. ?????.

Рис. ?????. Разъемы для карты PCI на материнской плате:

а) 32-разрядный разъем; б) 64-разрядный разъем

Дополнением к стандарту PCI является стандарт PCI Hot Plug v1.0. Устройства PCI, удовлетворяющие этому стандарту, можно вставлять в разъем или вынимать из разъема во время работы компьютера – так называемое «горячее» подключение (hot plug).

Шины стандарта PCI используются в современных компьютерах для подключения внутренних устройств системного блока, таких как звуковая карта или модем. Однако для графических устройств эти шины имеют недостаточную скорость передачи данных, поэтому PCI-SIG был разработан новый стандарт – PCI-X (символ X означает eXtended – расширенный) с тактовыми частотами 66, 133, 266 и 533 МГц и пиковыми пропускными способностями соответственно 533, 1066, 2132 и 4264 Мбайт/с. Этот стандарт обратно совместим со стандартом PCI 3.0, т.е. в компьютере можно использовать и карты PCI 3.0 и карты PCI-X.

Последняя версия стандарта PCI-X – PCI-X 2.0 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.

Стандарт PCI Express, называемый также PCI-E или PCe, предполагает замену параллельной разделяемой структуры, используемой шиной PCI и PCI-X, последовательным соединением устройств с использованием коммутаторов (switches). Старое название этого стандарта – 3GIO (3 rd Generation Input/Output – третье поколение ввода/вывода).

Последним действующим стандартом PCI Express является стандарт PCI Express Base 2.0, принятый в 2006 году.

В отличие от стандарта PCI, в котором все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине, в PCI Express для подключения устройства используется одно или несколько двунаправленных последовательных соединений типа точка-точка, реализованных на медной витой паре.

При обмене данными по витой паре используется метод низковольтной дифференциальной передачи сигналов – LVDS (Low-Voltage Differential Signaling). Данные в LVDS передаются последовательно, бит за битом. При этом для передачи одного сигнала используется дифференциальная пара, т.е. что передающая сторона подаёт на проводники пары различные уровни напряжения, которые сравниваются на приёмной стороне. Для кодирования информации используется разница напряжений на проводниках пары. Небольшая амплитуда сигнала, а также незначительное электромагнитное влияние проводов пары друг на друга позволяют уменьшить шумы в линии и передавать данные на высоких частотах, т.е. с большой скоростью. Для повышения скорости передачи данных можно использовать несколько соединений (витых пар), по которым биты передаются параллельно, т.е. одновременно.

В PCI Express для передачи данных могут использоваться одно или несколько соединений. Количество соединений для устройства задается с помощью числа, за которым (или перед которым) указывается буква x. В настоящее время в спецификации определены соединения 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x. Для каждого из этих соединений шины PCI Express (за исключением соединения 32x, который пока не используется) определен свой вид разъема. На рис. ???? приведены наиболее распространенные разъемы PCI Express: 1x, 2x, 4x, 8x и 16x.

Рис. ?????. Наиболее распространенные разъемы PCI Express: а) слот 1x; б) слот 4x;

в) слот 8x; г) слот 16x;

Пропускная способность в шине PCI Express по одному соединению в настоящее время составляет 2,5 Гбит/с с перспективой увеличения до 10 Гбит/с. Стандарт PCI Express должен заменить стандарты PCI и PCI-X, а также рассматриваемый в следующем разделе стандарт AGP. Однако стандарт PCI Express совместим с этими стандартами и, видимо долго будет использоваться с ними совместно, поскольку в настоящее время выпущено и продолжает выпускаться много карт по стандартам PCI и AGP.