Комп’ютерні шини сутність, види, призначення

1. Внутрішні шини

1.1.1 PCI Express 1.0

1.1.2 PCI Express 2.0

1.1.3 PCI Express 3.0

2.3.1 SATA Revision 2.x

2.3.2 SATA Revision 3.x

2.4.2 Нові функції SAS 2.0

Список інформаційних джерел

Комп'ютерна шина (від англ. computer bus, bidirectional universal switch - двонаправлений універсальний комутатор) - в архітектурі комп'ютера, підсистема, яка передає дані між функціональними блоками комп'ютера. Зазвичай шина керується драйвером. На відміну від зв'язку, точка-точка, до шини можна підключити кілька пристроїв по одному набору провідників. Кожна шина визначає свій набір конекторів (з'єднань) для фізичного підключення пристроїв, карт та кабелів.

Ранні комп'ютерні шини були паралельними електричними шинами з кількома підключеннями, але зараз даний термін використовується для будь-яких фізичних механізмів, що надають таку ж логічну функціональність, як паралельні комп'ютерні шини.

Комп'ютерна шина служить передачі даних між окремими функціональними блоками комп'ютера і є сукупність сигнальних ліній, які мають певні електричні характеристики і протоколи передачі. Шини можуть відрізнятися розрядністю, способом передачі сигналу (послідовні або паралельні, синхронні або асинхронні), пропускною здатністю, кількістю та типами пристроїв, що підтримуються, протоколом роботи, призначенням (внутрішня або інтерфейсна).

1.1.1 PCI Express 1.0

PCI Express – комп'ютерна шина, що використовує програмну модель шини PCI та високопродуктивний фізичний протокол, заснований на послідовній передачі даних.

Послідовна шина PCI Express, розроблена Intel та її партнерами, покликана замінити паралельну шину PCI та її розширений та спеціалізований варіант AGP.

Для підключення пристрою PCI Express використовується двонаправлене послідовне з'єднання типу точка-точка, що називається lane; це різко відрізняється від PCI, в якій всі пристрої підключаються до загальної 32-розрядної паралельної двонаправленої шини.

З'єднання між двома пристроями PCI Express називається link, і складається з одного (званого 1x) або декількох (2x, 4x, 8x, 12x, 16x та 32x) з'єднань lane. Кожен пристрій має підтримувати з'єднання 1x.

На електричному рівні кожне з'єднання використовує низьковольтну диференціальну передачу сигналу (LVDS), прийом і передача інформації проводиться кожним пристроєм PCI Express по окремих двох провідників, таким чином, у найпростішому випадку, пристрій підключається до комутатора PCI Express лише чотирма провідниками.

Використання такого підходу має такі переваги:

картка PCI Express міститься і коректно працює в будь-якому слоті тієї ж чи більшої пропускної спроможності (наприклад, карта x1 працюватиме в слотах x4 та x16);
слот більшого фізичного розміру може використовувати не всі lane'и (наприклад, до слоту 16x можна підвести лінії передачі інформації, що відповідають 1x або 8x, і все це буде нормально функціонувати; однак, при цьому необхідно підключити всі лінії «живлення» та «земля») для слота 16x).

В обох випадках, на шині PCI Express буде використовувати максимальну кількість lane'ів, доступних як для карти, так і для слота. Однак це не дозволяє пристрою працювати в слоті, призначеному для карток з меншою пропускною здатністюшини PCI Express (наприклад, карта x4 фізично не поміститься в слот x1, незважаючи на те, що вона могла б працювати в гніздо x4 з використанням тільки одного lane).

PCI Express пересилає всю інформацію, що управляє, включаючи переривання, через ті ж лінії, що використовуються для передачі даних. Послідовний протокол ніколи не може бути заблокований, таким чином затримки шини PCI Express цілком можна порівняти з такими для шини PCI. У всіх високошвидкісних послідовних протоколах (наприклад, GigabitEthernet), інформація про синхронізацію повинна бути вбудована в сигнал, що передається. На фізичному рівні, PCI Express використовує метод кодування 8B/10B, що став загальноприйнятим (8 біт даних замінюються на 10 біт, що передаються по каналу, таким чином 20% трафіку є надмірними), який дозволяє підняти помехозащищенность.

Шина PCI працює на частоті 33 або 66 МГц і забезпечує пропускну здатність 133 або 266 Мб/сек, але це пропускна здатність ділиться між усіма пристроями PCI. Частота, на якій працює шина PCI Express – 2.5 ГГц, що дає пропускну здатність 2500 МГц/10*8=250*8 Мбіт/сек=250 Мб/сек для кожного пристрою PCI Express x1 в одному напрямку. За наявності кількох ліній для обчислення пропускної спроможності величину 250 Мб/сек треба помножити число ліній і на 2, т.к. PCI Express є двонаправленою шиною (табл.1).

Табл.1 таблиця пропускної спроможності PCI.

Крім того, шиною PCI Express підтримується:

гаряча заміна карток;
гарантована смуга пропускання (QoS);
контроль цілісності переданих даних.

1.1.2 PCI Express 2.0

Збільшена пропускна здатність - специфікація PCI Express 2.0 визначає максимальну пропускну здатність одногоз'єднання lane як 5 Гбіт/с. Внесено вдосконалення протокол передачі між пристроями та програмну модель.
Динамічне керування швидкістю - для керування швидкістю роботи зв'язку.
Оповіщення про пропускну здатність - для оповіщення ПЗ (операційної системи, драйверів пристроїв тощо) про зміни швидкості та ширини шини.
Розширення структури можливостей — розширення регістрів, що управляють, для кращого управління пристроями, слотами та інтерконнектом.
Служби керування доступом – опціональні можливості керування транзакціями точка-точка.

1.1.3 PCI Express 3.0

Для користувачів основна відмінність між PCI Express 2.0 та PCI Express 3.0 полягатиме у значному збільшенні максимальної пропускної спроможності. У PCI Express 2.0 сигнальна швидкість передачі становить 5 ГТ/с (гігантзакцій в секунду), тобто пропускна здатність дорівнює 500 Мбайт/с для кожної лінії. Таким чином, основний графічний слот PCI Express 2.0, який зазвичай використовує 16 ліній, забезпечує двонаправлену пропускну здатність до 8 Гбайт/с.

На перший погляд, збільшення сигнальної швидкості з 5 ГТ/с до 8 ГТ/с не здається подвоєнням. Однак PCI Express 2.0 використовує схему кодування 8B/10B.

PCI Express 3.0 переходить на більш ефективну схему кодування 128B/130B, усуваючи 20% надмірність. Тому 8 ГТ/с – це не "теоретична" швидкість; це фактична швидкість, порівнянна за продуктивністю із сигнальною швидкістю 10 ГТ/с, якби використовувався принцип кодування 8b/10b.

Шина HyperTransport (HT) - це двонаправлена послідовно-паралельна комп'ютерна шина з високою пропускною здатністю та малими затримками.

HyperTransport працює на частотах від 200МГц до 3,2 ГГц (у шини PCI - 33 та 66 МГц). Крім того, вона використовує DDR, що означає, що дані надсилаються як по передньому, так і по заднім фронтах сигналу синхронізації, що дозволяє здійснювати до 5200 мільйонів посилок на секунду за частоти сигналу синхронізації 2,6 ГГц; частота синхронізації налаштовується автоматично.

Пакети HyperTransport передаються послідовно по шині. Збільшення пропускної спроможності спричиняє збільшення ширини шини. HyperTransport може використовуватися для передачі службових повідомлень системи, передачі переривань, конфігурування пристроїв, підключених до шини і передачі даних.

Шина HyperTransport знайшла широке застосування як процесорна шина. Вона має оригінальну топологію (Рис.1) на основі лінків, тунелів, ланцюгів та мостів, що дозволяє цій архітектурі легко масштабуватись. HyperTransport покликана спростити внутрішньосистемні повідомлення за допомогою заміни існуючого фізичного рівня передачі існуючих шин та мостів, а також знизити кількість вузьких місць та затримок. При всіх цих перевагах HyperTransport характеризується також малою кількістю висновків (low pin counts) та низькою вартістю впровадження. HyperTransport підтримує автоматичне визначення ширини шини, допускаючи ширину від 2 до 32 біт у кожному напрямку (Таблиця 2), крім того, вона дозволяє передавати асиметричні потоки даних до периферійних пристроїв та від них.