Referaty
Home
Anglictina
Biologie
Chemie
Dejepis-Historie
Diplom-Projekt
Ekonomie
Filozofie
Finance
Fyzika
Informatika
Literatura
Management
Marketing
Medicina
Nemcina
Ostatni
Politika
Pravo
Psychologie
Public-relations
Sociologie
Technologie
Zemepis-Geografie
Zivotopisy

loading...



Téma, Esej na téma, Referátu, Referát, Referaty Semestrální práce:

Rozvoj sběrnic a rozhraní

 

Rozvoj sběrnic a rozhraní

„Sběrnice je sestava vodičů používaných k přenosu dat mezi komponenty počítačového systému. Sběrnice je vlastně společná cesta, která spojuje různé části systému a umožňuje jim přenášet informace.“ (Microsoft Press: Slovník výpočetní techniky. Praha, 1993. Plus, spol. s r.o.). Pomocí sběrnic můžeme k hlavním částem počítače, jako je základní deska, paměti či procesor, připojit další přídavná zařízení, například diskové mechaniky, grafické, zvukové či síťové karty, modemy a mnohá jiná. Sběrnice je nejčastěji řešena slotem, do kterého se příslušné zařízení zasouvá.



Anglický název bus, který se v tomto tvaru používá často i v češtině, pochází z označení sběrnice prvního modelu PC z roku 1981 – omnibus connector. Od té doby došlo v oblasti sběrnic k velkému vývoji a vzniku mnoha často nekompatibilních a proti sobě jdoucích standardů. Před vlastním popisem vývoje sběrnic je třeba vymezit několik základních pojmů, které budou potřeba při rozboru vlastností jednotlivých typů a rozdílů mezi nimi.

 

Vymezení základních pojmů

DMA
Direct Memory Access Channel – kanál přímý přístup do paměti. Způsob rychlého přenosu dat mezi systémovou pamětí RAM a přídavnými deskami.

IRQ
Interrupt Request. Hadrwarové přerušení, díky nim si přídavné desky v případě potřeby vyžádají pozornost procesoru.

Bus mastering
Sdílené řízení sběrnice. Způsob, jak si přídavbé desky předávají informace mezi sebou, aniž by musely využívat hlavní systémovou paměť.

 

Vývoj sběrnic a rozhraní

PC Bus

PC Bus je sběrnice používaná v prvních počítačích řady PC XT s procesorem 8088. Přídavné desky se zasunovaly do jejího slotu se 62 linkami. Měla osmibitovou přenosovou šířku, neboli pro přenos dat sloužilo 8 pinů. To bylo pro tehdejší procesor plně dostačující, neboť ten měl též osmibitovou šířku přenosu. Šest vodičů bylo určeno pro zasílání požadavků na hardwarová přerušení (IRQ2 až IRQ7) a další tři pro přímý přístup do paměti (DMA1 až DMA3). 20 linek zajišťovalo adresování paměti. Mohlo se jimi jednoznačně určit 220 paměťových míst (neboli bytů jakožto nejmenší adresovatelné jednotky), což představuje přibližně 1 MB paměťového prostoru (pro procesor 8088 též naprosto vyhovující). Kromě paměti se pomocí těchto pinů adresovaly též adresy vstupu a výstupu a na jejich rozlišení bylo vyhrazeno několik dalších vodičů. Zbývající linky zajišťovaly elektrické napájení, resetování, obnovování informací v paměti či zasílání hodinových signálů. Sběrnice běžela na stejné frekvenci jako procesor (to jest 4,77 MHz resp. u rychlejších verzí XT 7,16 MHz).

 

ISA

Sběrnice ISA vychází z předchozí PC Bus. Byla vyvinuta pro implementaci v počítačích PC AT s procesorem 80286 (proto byla ze začátku nazývána Bus AT). Ten měl 16bitovou šířku přenosu a tudíž pro něj byl osmibitový PC Bus nevyhovující. Nicméně
z důvodů možnosti využití i starších přídavných karet bylo nutné zachovat zpětnou kompatibilitu nové sběrnice s původním PC Bus. Tyto podmínky ISA splňovala. Zmíněné kompatibility dosáhli vývojáři tím, že zachovali původní 62linkový slot a za něj přidali dalších 36 pinů, takže ISA sestává celkem z 98 vodičů.

Přidaný konektor zvyšuje přenosovou šířku na 16 bitů, která byla požadována pro plné využití možností procesoru 80286. Zároveň jsou další čtyři piny určeny pro adresování paměti, díky čemuž lze adresovat 224 adresovatelných jednotek, tedy přibližně 16 MB paměti. Počet kanálů pro přímý přístup do paměti vzrostl na sedm (DMA1 až DMA7), také počet linek pro hardwarová přerušení se zvýšil o pět (IRQ 10, 11, 12, 14, 15).

ISA, stejně jako PC Bus, běžela na stejné frekvenci jako procesor (u prvních AT 6 MHz, později 8 MHz), což bylo nepraktické, neboť přídavné desky vyrobené pro jednu rychlost často nefungovaly na frekvencích ostatních. Proto firma Compaq, když zaváděla počítač s rychlostí procesoru 12 MHz, oddělila hlavní systémové hodiny od hodin sběrnice, která už provždy zůstala běžet na svých 8 MHz.

 

EISA

V roce 1987 uvedla IBM na trh úplně novou sběrnici MCA (Micro Channel Architecture), která s sebou přinesla plno důležitých nových prvků, jako byl bus mastering nebo programové nastavování přídavné desky bez nutnosti fyzického přenastavování jumperů. Nevýhodou však byla skutečnost, že MCA nebyla vůbec kompatibilní s ISA a navíc IBM vyžadovala za používání technologie MCA licenční poplatky.

Proto v roce 1989 přišla skupina Watchzone (jejímiž členy byly firmy jako Compaq, Hewlett-Packard či Olivetti) se svou vlastní sběrnicí EISA – Extended ISA. Ta zaručovala zpětnou kompatibilitu s ISA a potažmo tedy i s PC Bus. Podporuje 32bitovou šířku toku dat (což byl také jeden z důvodů, proč byla EISA vůbec vyvinuta; Compaq již v roce 1986 uvedl počítače s procesorem 80386DX, který pracoval s přenosovou šířkou 32 bitů). EISA může adresovat až 4GB paměti, 64 vstupně-výstupních adres, podporuje softwarovou konfiguraci desek i bus mastering. Na druhou stranu se již nezvýšil počet IRQ ani DMA kanálů a především frekvence sběrnice zůstala na svých 8 MHz.

 

VL-Bus (VESA Local Bus)

Local busy byly navrhovány kvůli potřebě rychlé sběrnice (především pro paměťové desky a grafivké karty), kterou nemohla ISA, a tudíž ani EISA, se svými 8 MHz uspokojit. Většinou se jednalo o proprietární, vzájemně nekompatibilní řešení jednotlivých výrobců, proto byl vyhlášen standard VESA (Video Electronic Standards Association). Tato sběrnice byla po dlouhá léta využívána především grafickými kartami. Má 32bitovou šířku toku dat, pracuje na frekvenci CPU, maximálně do 33 MHz (pozdější verze až 66 MHz). Nepodporuje softwarovou konfiguraci ani bus mastering.

 

PCI

Sběrnici PCI (Peripheral Component Interconnect) vyvinula firma Intel. Řadí se též mezi Local busy. Narozdíl od VL-Bus má bus mastering i programové nastavení desek, zahrnuje standard Plug and Play. Je relativně nezávislá na typu CPU, neboť s ním nekomunikuje přímo, ale pomocí přemosťovacího obvodu (bridge circuit). Podporuje 64bitovou šířku toku dat s tím, že u starších počítačů umožňuje 32bitovou šířku. Běží do frekvence 33 MHz, tudíž teoretická propustnost činí až 264 MB/s. Sběrnice PCI může být snadno implementována na jedné základní desce společně se sloty ISA resp. EISA. Před příchodem AGP byla často používána místo archaické VL-Bus grafickými kartami, ale také spoustou jiných přídavných zařízení.

 

 

 

Porovnání ISA, EISA, VL-BUS, PCI

 
ISA
EISA
VL-Bus
PCI
Šířka toku dat
8/16
32
32/64
32/64
Frekvence (MHz)
5.33/8.33
8.33
33/50
33
Propustnost (MB/s)
5.33/8.33
33
132/264
132/264
Max. počet slotů
8
8
2
4
Bus mastering
Ne
Ano
Ne
Ano

 

AGP

AGP (Accelerated Graphics Port) je sběrnice vyvinutá speciálně pro grafické karty. Ty jsou totiž velice náročné na rychlost přístupu do paměti i rychlost sběrnice jako takové. U grafických karet pro PCI se musí textury před svým vykreslením přenést z hlavní paměti počítače do lokální paměti grafické karty, která většinou nebývá moc velká a navíc je tento přenos přes již tak vytíženou PCI (např. řadičem disků, zvukovou kartou či síťovým adaptérem) relativně pomalý. Díky AGP má grafická karta svůj vlastní bus, který je o mnoho rychlejší než PCI – jeho propustnost činí u verze AGP 4x až 1 GB/s. Druhou výhodou použití AGP je fakt, že si grafické karty nekopírují textury do své paměti, ale využívají přímo hlavní operační paměť systému, která je jim dynamicky přidělována. Tím odpadá režie na zkopírování i paměťové omezení karty. AGP je, podobně jako PCI, nezávislá na CPU díky přemosťovacímu obvodu. Základní sběrnice AGP má podle původního standardu přenosovou rychlost 264 MB/s. Postupem času vznikaly další verze jako násobky původní rychlosti: dnes nejrozšířenější AGP 2x (528 MB/s) a sběrnice budoucnosti AGP 4x (1 GB/s). Pro využití těchto vyšších rychlostí však musí být podporovány základní deskou.

 

USB

USB (Universal Serial Bus) je dnes považováno za sběrnici budoucnosti. Bylo navrženo v roce 1995 skupinou společností, jako např. Intel, Compaq, IBM či Microsoft. Je určeno především pro připojení externích zařízení, mělo by nahradit paralelní i sériový port. Dnes je integrováno snad ve všech vyráběných čipsetech, do starších počítačů jej lze přidat pomocí rozšiřující PCI karty. Přenosová rychlost se liší podle kabelu: 1,5 Mb/s u nestíněného a 12 Mb/s u stíněného. Lze k němu systémem hubů připojit až 127 zařízení, a to za chodu počítače, přičemž operační systém si sám automaticky natáhne potřebné ovladače. Ačkoliv jeho rychlost je desetkrát větší než rychlost paralelního a stokrát větší než rychlost sériového portu, přesto zůstávají oblasti, kde je i USB pomalé: pevné disky (řešením je SCSI) či grafika (AGP).

 

AMR

AMR (Audio/Modem Riser) je ze všech popisovaných sběrnic nejmladší. Reaguje na tendenci výrobců základních desek integrovat na své výrobky i různé analogové části
(modem, zvuková karta apod.). Vychází ze standardu Audio Codec 97. Striktně odděluje analogové části od digitálních a umísťuje je na speciální přídavnou kartu zasunutou právě do slotu AMR. Tím se řeší zdržení uvedení základní desky na trh kvůli homologaci – deska se uvede na trh bez analogové karty a po homologaci se do ní karta zasune. Na kartě jsou skutečně jen linkové, analogové části, vlastní potřebnou činnost provádí deska a procesor. AMR je tedy určena především pro softmodemy.

 

SCSI

SCSI (čte se jako „skazi“) je zkratka z anglického výrazu Small Computer System Interface. Toto osmibitové paralelní rozhraní bylo vyvinuto v první polovině 80. let jako univerzální počítačové rozhraní pro různá zařízení, například HDD, CD-ROM, skenery či magnetopáskové jednotky. Zařízení SCSI má řadič integrovaný přímo v sobě, tudíž deska v počítači už není řadič, ale pouze skupinový adaptér, host adapter, zasunutý nejčastěji do slotu ISA či PCI, ale lze jej samozřejmě najít i v VL-Bus, PCMCIA či dokonce integrovaný do základní desky (Macintoshe, Unixové pracovní stanice). K němu lze připojit až osm SCSI zařízení, interních i externích, každé má svůj jedinečný identifikátor. Maximální počet s pozdějšími verzemi SCSI roste. Řetěz zařízení musí být zakončen na obou stranách terminací.

Původní verze SCSI-1 z roku 1980 nebyla přesně definována, což vedlo k nekompatibilitám mezi jednotlivými výrobci. Maximální přenosová rychlost byla 5 MB/s, maximální délka kabelu 6 metrů. Problémy s nekompatibilitou částečně vyřešila přesnější standardizace ve formě SCSI-2, která zároveň přidala podporu některých dalších zařízení zlepšila rychlost přenosu dat. V rámci SCSI-2 byly definovány Fast SCSI, které zdvojnásobuje rychlost přenosu (10 MB/s), Wide SCSI, které díky speciálnímu kabelu zvětšuje šířku toku dat na 16 nebo 32 bitů (rychlost přenosu až 20 MB/s) a nebo Fast-Wide SCSI, díky němuž kombinací obou předchozích lze dosáhnout rychlosti až 40MB/s. To vše však na úkor maximální délky kabelu, která se snížila na 3 metry.

SCSI-3 zvyšuje ve verzi Ultra Wide SCSI počet možných připojených zařízení na 16. Také rozšiřuje množinu možných vodičů a konektorů. Datová sběrnice má standardně šířku 8 bitů (Ultra SCSI – rychlost přenosu 20MB/s) resp. 16 bitů (Ultra Wide SCSI – 40 MB/s). Nicméně se zkracuje maximální možná délka kabelu na 1,5 metru. Standard LVD definuje další generaci: Ultra2 SCSI se 16bitovou šířkou přenosu a maximální rychlostí 80 MB/s, díky odlišné signalizační technice se však maximální délka kabelu prodlužuje na 12 metrů. Zatím nejnovější specifikace Ultra3 SCSI opět zdvojnásobuje rychlost na 160 MB/s, maximální délka kabeláže zůstává na 12 metrech. Zavádí ovšem systém kontrolních součtů, čímž se rapidně zvyšuje bezpečnost přenosu.

 

 
Defin. standard
Takt sběrnice (MHz)
Rychlost (MB/s)
Šířka sběrnice (bity)
Max. délka kabelu (m)
Max. počet zařízení
SCSI
SCSI-1
5
5
8
6
8
Wide SCSI
SCSI-2
5
10
16
6
16
Fast SCSI
SCSI-2
10
10
8
3
8
Fast Wide SCSI
SCSI-2
10
20
16
3
16
Ultra SCSI
SCSI-3
20
20
8
1,5
8
Ultra Wide SCSI
SCSI-3
20
40
16
1,5
16
Ultra2 SCSI
LVD
40
40
8
12
8
Ultra2 Wide SCSI
LVD
40
80
16
12
16
Ultra3 SCSI
LVD
40
160
16
12
16

 



Tabulka částečně převzata z časopisu Computer, č. 2/98 str. 12, č. 11/98 str. 33, 3/99 str. 60

 

IDE, EIDE, ATA

IDE (Integrated Drive Electronics) je rozhraní mezi diskovou jednotkou a řadičem vyvinuté v roce 1986 firmami Western Digital a Compaq. Řadič je umístěn přímo na jednotce, z něj vede typický 40žilový kabel do konektoru na základní desce anebo u starších počítačů do adaptérové desky ve sběrnici.

EIDE (Enhanced IDE) rozšiřuje vlastnosti původního IDE. Podporuje jednotky s možností kódování LBA a tím i velikost jednotky až do 8 GB. Může data přenášet prostřednictvím PIO rychlostí 11,1 MB/s nebo přes DMA maximální teoretickou rychlostí 13,3 MB/s. Podporuje i páskové jednotky a CD-ROM.

Další verze (Fast ATA, Ultra ATA, ...) jsou jen postupná vylepšení původního rozhraní IDE, přičemž se liší většinou v podporovaných protokolech, přenosových rychlostech a módech. V módu PIO (Programmed Input/Output) je přenos řízen procesorem, v módu DMA (Direct Memory Access) resp. DMA Multiword řadič přímo přistupuje do paměti (viz tabulka).

Standard ATA je definován pouze pro pevné disky. ATAPI (ATA Packet Interface) je jeho rozšíření umožňující ke stejnému řadiči připojit např. mechaniku CD-ROM.

 

Mód
Teoretická přenosová
rychlost (MB/s)
Podporováno standardy
DMA 0
2,1
všemi
DMA 1
4,2
všemi
DMA 3
8,3
všemi
DMA Mutliword 0
4,2
všemi
DMA Mutliword 1
13,3
ATA-2, Fast ATA, Fast ATA-2,