Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
Zbernice Zbernica je množina liniek (vodičov), ktorá navzájom prepája všetky prvky na danej štruktúrnej úrovni. Umožňuje spojenie každého s každým, ale v danom okamihu môže údaje na zbernicu vysielať iba jediné zariadenie. Ostatné zariadenia, schopné vysielať údaje na zbernicu, musia byť vtedy od zbernice odpojené. Zbernica počítača navzájom prepája procesor, pamäť, vstupné a výstupné zariadenia.
Delenie počítačových zberníc •
•
•
•
Podľa umiestnenia: – Vnútorné – prepájajú vnútorné komponenty počítača na matičnej doske (CPU, RAM, grafická karta, ...) – Vonkajšie – prepájajú periférie s vnútornými komponentmi na matičnej doske, zakončene konektormi, slotmi (videokamery, tlačiareň, scanner ...) Podľa množstva prenášaných dát – Sériové – v jednom časovom okamihu sa prenáša len jeden bit – Paralelné – v jednom časovom okamihu sa prenáša viac bitov súčasne Podľa typu prenášaného signálu: – Adresová – prenášajú sa po nej adresy zariadení alebo pamäťových buniek – Dátová – prenášajú sa po nej informácie medzi komponentmi – Riadiaca – prenášajú sa po nej riadiace signály (príkazy) Podľa spôsobu synchronizácie: – Synchrónne – hodinový signál sa prenáša po zvláštnom vodiči – Asynchrónne – hodinový signál je zlúčený s dátami
Príklad vnútorných zberníc • Paralelné: – ISA, EISA – PCI – AGP
• Sériové: – I2C – PCI Express – FireWire
Príklad vonkajších zberníc • Paralelné: – ATA (PATA) – PC card (PCMCIA) – SCSI
• Sériové: – USB – SATA – CAN Bus 1
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
Prenosová rýchlosť zbernice udáva množstvo údajov, ktoré je možné preniesť po zbernici za jednotku času. Obyčajne sa udáva v MB.s-1. V jednom cykle zbernice sa vykoná prenos jediného údaja po zbernici (napr. aj je šírka údajovej zbernice 16 bitov, potom sa v jednom cykle prenesie jedno slovo, t.j. 16 bitov). Pracovná frekvencia zbernice (v Hz) je prevrátená hodnota doby trvania jedného cyklu zbernice (udáva sa v s).
Systémová zbernica (FSB
- Front Side Bus)
Jej prostredníctvom komunikuje procesor s najbližším okolím (operačnou pamäťou, grafickou kartou), prúdia cez ňu dáta také k ostatným prvkom (častiam) PC. Zbernica je umiestnená na základnej doske a prostredníctvom pätice procesoru spojená s procesorom. Jej konštrukcia je závislá na výrobcovi základnej dosky, ktorý musí zachovať kompatibilitu s procesorom. Preto sú ku každému novému procesoru navrhnuté chipsety (obvody na základnej doske, prepájajúce všetky prvky dosky tak, aby sa s nimi procesor dohovoril). Dnes existujú dva základné komunikační modely, kedy: a) komunikácia prebieha prostredníctvom severného (north) a južného (south) mostu (bridge) chipsetu – tento model sa používa už dlho b) severní most v chipsetu chybí a je nahradený integrovaným pamäťovým radičom a zbernicou HyperTransport Základným spojovacím článkom medzi procesorom a okolím je chipset základní dosky, ktorý sa skladá z dvoch častí: a) North Bridge (severný most) – nazýva sa také System Controller – je zbernicou FBS pripojený k procesoru a zaisťuje presuny dát medzi základnými prvkami počítače. Spojuje zbernice PCIe (AGP), ktorých rýchlosť je odvodená od FSB, ďalej pripojuje pamäťovú zbernicu, ktorej rýchlosť je násobkom FSB. Cez North Bridge prechádzajú dáta ku spodnej časti chipsetu – South Bridge. b) South Bridge (južný most) – Peripheral Bus Controller – stará sa o pripojenie periférii k základní doske. Zo South Bridge vychádza zbernica PCI, ďalej je sem pripojený kompletný diskový subsystém, zvukový subsystém, stará se také o USB, sériové a paralelní porty, býva v ňom integrované sieťové rozhranie a zaisťuje služby BIOSu. Nevýhodou tohto modelu je „úzke“ miesto medzi severným mostom a procesorom, musia tade prechádzať všetky dáta.
2
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
Periférne zbernice ISA ISA (Industry Standard Architecture) bola celkovo prvou zbernicou rozširujúcich kariet určenou pre IBM PC XT, samozrejme v 8 bitovom prevedení. 16 bitové rozšírenie prišlo v dobách 286-kovej rady PC v roku 1984. Bola navrhnutá tak, aby sa dali do nej zasunúť aj staršie 8 bitové karty, teda spätná kompatibilita. Na starších počítačoch ju môžeme vidieť ešte aj dnes, no v moderných zostavách ju už nenájdeme. Má čiernu farbu a má celkom 98 kontaktov, z čoho 62 (31 na jednej strane) je v prednej (pôvodnej) 8 bitovej časti (dlhšia) a zvyšných 36 (18 na jednej strane) je v zadnej rozširujúcej časti. Pracovala na frekvencii 8.33 MHz, z čoho vyplýva maximálna prenosová rýchlosť 8 MB/s. V reálnej prevádzka však bola táto rýchlosť sotva polovičná. Využívala sa pre všetky dnes existujúce karty a pre súčasti, ktoré sú v dnešnej dobe integrované na základnej doske. V prvom rade sa jedná o radič - doska radiča obsahovala konektor FDD (disketová mechanika), 1-2 konektory IDE (MFM - starší typ HDD štandardu), kontakty I/O portov (COM1/2 (A/B), LPT, GAME port) na doske sa tiež nachádzali konfiguračné spony - tzv. JUMPRE, ktorými sa podľa predtlačenej konfiguračnej tabuľky zapínali/vypínali jednotlivé konektory a prideľovali adresy alebo prerušenia. Ďalej sa do ISA vkladali grafické karty, zvukové karty, faxmodemy alebo sieťové karty. Na všetkých týchto kartách sa nachádzali konfiguračné spony.
8 bitový konektor ISA 16 bitový konektor ISA
EISA V rokoch 1988 a 1989 sa objavila EISA (Extended ISA) zbernica, konštrukčne veľmi podobná zbernici ISA, len s tým rozdielom, že bola 32 bitová. Vzhľadom na to sa zvýšila prenosová rýchlosť na 33 MB/s. Kvôli spätnej kompatibilite so staršou zbernicou ISA ostala pracovná frekvencia zbernice 8,33 MHz. Konektor bol dvojposchodový, kde vrchné poschodie kontaktov sa zhodovalo s ISA a spodné malo EISA rozšírenie. Cena tohto štandardu bola neporovnateľne vyššia oproti ISA. Aj z tohto dôvodu sa tento štandard veľmi nerozšíril a bol nahradený zbernicou PCI.
Konektor EISA - 198 kontaktov
3
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
MCA Micro Channel architecture (používa sa skratka MCA) bola vyhotovená ako 16 alebo 32bitová paralelná počítačová zbernica pre IBM v roku1980, pre ich nové počítače typu PS/2. Nejakú dobu sme mohli MCA nájsť okrem PS/2 aj v RS/6000, AS/400 a dokonca v niektorých typoch System/370 - strediskových počítačoch. Ale časom ju nahradila najrozšírenejšia zbernica všetkých čias - PCI zbernica, a MCA sa už nepoužíva. Zvýšenie množstva údajov prenesených v čase bolo dosiahnuté zvýšením rýchlosti zbernice z 8 MHz u ISA na 10 MHz, pričom zbernica už nebola riadená procesorom a preto reálna priepustnosť bola štvornásobne zvýšená, približne na 40 MB/s ( teoreticky 66 MB/s). Zariadenie v zbernici – karta, komunikovala so zbernicou priamo - nezávisle na CPU. Toto by mohlo spôsobovať problémy, keď sa viac ako jedna karta pokúšala komunikovať so zbernicou, preto mala zbernica MCA schopnosť korekcie týchto situácií. Totiž na dobu plných 12 milisekúnd poverila riadením zbernice jedno pripojené zariadenie – kartu (tzv. monolitný režim riadenia zbernice). Takýto spôsob riadenia zbernice sa nazýva BusMastering. Podpora viacnásobného busmasteringu znamená, že niekoľko rôznych nastavení môže súčasne koexistovať a podieľať sa na riadení systémovej zbernice. MCA bola hlavne 32-bitová zbernica, ale bola spätne kompatibilná so16 bitovou zbernicou, pričom tento spôsob mal podstatne znížiť cenu počítačov PS/2. Nebolo jednoduché podporovať naraz 32-bitový a 16 bitový režim a preto existovalo niekoľko ďalších prídavných zariadení - redukcie, prepojenia ... čo malo za následok obrovský počet fyzicky nezlučiteľných kariet. Aj z toho dôvodu sa MCA zbernica nestala dlhodobým štandardom. Na vrchnej časti mal MCA konektor posunuté kontakty, ktoré mali minimalizovať rušenie signálu.
- 16 bitový konektor MCA - 116 kontaktov
- 32 bitový konektor MCA - 174 kontaktov
4
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
VL-Bus VESA Local Bus je lokálna zbernica definované združením Video Electronics Standards Association, väčšinou používaná v počítačoch založených na mikroprocesoroch 486. VESA Local Bus pracovala s dlhšou ISA zbernicou, čo spôsobilo zrýchlenie mapovania pamäte I/O a DMA, pokiaľ ISA zbernica riadila prerušenia a mapovanie portov I/O. VESA Lokálna zbernica bola navrhnutá ako náhradné riešenie problémov ISA zbernice hraničnou šírkou pásma (16 bit). VESA mala tiež niekoľko obmedzení a to hlavne to, že jej praktická životnosť súvisela so systémom s architektúrou 486 CPU. VESA bola prispôsobená dizajnu 486-kovej pamäťovej zbernice. Preto keď v roku 1995 nastúpil Pentium štandard kde bol vytvorený iný štandard dizajnu s väčšími rozdielmi v dizajne jeho pamäťovej zbernice, VESA bola len ťažko prispôsobiteľná na takéto podmienky, jednoducho sa prestala vyrábať. Niekoľko Pentium základných dosiek s VESA bolo síce vyrobených, ale bolo ich veľmi málo a boli omnoho drahšie. Systém s VESA mal obmedzený počet konektorov. PC používajúci VESA mal jeden alebo dva takéto konektory, naopak 5 alebo 6 ISA konektorov. To je preto, lebo 486-ková pamäťová zbernica, nebola schopná elektricky pokryť naraz viac VESA kariet ako 1 alebo 2 (najviac 3). Taktiež sa v súčasnosti nepoužíva.
Konektor ISA (16 bitový) - čierny a VESA (32 bitové rozšírenie) - hnedé
PCI PCI (Peripheral Component Interconnect) zbernica bola navrhnutá firmou Intel predovšetkým pre systémy s procesormi Pentium. Táto zbernica sa však používa aj v súčasných systémoch. Jej univerzálnosť sa mnohonásobne vrátila. Zbernica v súčasnosti pracuje s napätím 3,3 V ale staršie systémy používali PCI napájanú 5 voltmi. Je oddelená od procesorovej zbernice špeciálnymi obvodmi - mostíkmi ("bridges"). Jej pracovná frekvencia je 33 MHz, šírka údajovej zbernice je 32 bitov s prenosovou rýchlosťou 132 MB/s. Táto zbernica je využiteľná nielen v 32 bitových systémoch, ale aj v 64 bitových systémoch so 64 bitovým rozšírením, čo jej prenosovú rýchlosť zdvojnásobuje, teda 264 MB/s. Viac v tabuľke nižšie. PCI špecifikácie boli dôležitou súčasťou dlhodobého vývoja PCI zbernice, ktoré definovala PCI Sig (PCI zvláštna záujmová skupina), ktorá drží ochrannú ruku nad priemyselným štandardom PCI. PCI Sig uviedla od vzniku PCI tieto špecifikácie: Revízia 1.0 - originálny návrh schválený 22.6.1992. Jediná komponentová úrovňová špecifikácia. Nedefinovaný konektor rozširujúcej karty. 5
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
Revízia 2.0 - schválená 30.4.1993. Definovaný konektor a špecifikácia rozširujúcej karty. Revízia 2.1 - schválená 1.6.1995. Definovaná 66 MHz voľba pracovnej frekvencie a pridané mnohé vysvetlivky k rozšíreniam. Revízia 2.2 - schválená 18.12.1998. Včlenených mnoho menších opráv a ďalšie vysvetlivky. Revízia 2.3 - schválená 20.3.2002 obmedzenie podpory 5 V kariet PCI a úprava konektora rozširujúcej karty s 5 V kľúčom. Revízia 3.0 - schválená 19.4.2004 ukončenie podpory 5 V kariet PCI Toľko k špecifikáciám PCI. Poďme sa pozrieť na tabuľku, ktorá nám prakticky ukáže čo sa vlastne zmenilo: Rok zavedenia PCI 1.0 1992 Revízia
pracovná frekvencia 33 MHz
podpora napätia (V)
PCI 2.0
1993
33 MHz
3.3 V / 5 V
PCI 2.1
1995
33 MHz
3.3 V / 5 V
66 MHz
3.3 V
33 MHz
3.3 V / 5 V
66 MHz
3.3 V
33 MHz
3.3 V / 5 V
66 MHz
3.3 V
33 MHz
3.3 V
66 MHz
3.3 V
PCI 2.2
PCI 2.3
PCI 3.0
1998
2002
2004
Šírka zbernice 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov 32 bitov 64 bitov
Prenosová rýchlosť 133 MB/s 266 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 264 MB/s 528 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 264 MB/s 528 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 264 MB/s 528 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 264 MB/s 528 MB/s
Systém zo 66 MHz zbernicou PCI je konštruovaný vzhľadom spätnú kompatibilitu zbernice s 33 MHz kartami tak, že ak jedna karta v systéme nepodporuje 66 MHz, celý systém sa prepne do 33 MHz pracovného režimu.
Konektor PCI - 3.3V
Konektor PCI - 5V
6
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
PCI-X O základnej PCI zbernice sa odvíja aj systém PCI-X (PCI Extended), ktorý je rozšírenou 32 bitovou zbernicou a 64 bitovú. Je o niečo dlhšia ako základná 32 bitová verzia a tiež sa vyrába v dvoch verziách pre 3.3 V a 5 V. V súčasnej dobe sa taktiež obmedzuje na 3.3 V špecifikáciu. Pre jej rozmery sa však využíva prevažne v serverových riešeniach a pracovných staniciach. Tento štandard bol navrhnutý nielen kvôli šírke zbernice ale hlavne pre podporu vyššej rýchlosti pracovnej frekvencie zbernice na úroveň 133 MHz už v prvej revízii. Pozrime sa teda aké špecifikácie nám ponúka: Revízia 1.0 - schválený 27.9.1999. Špecifikuje PCI-X 66, PCI-X 100 a PCI-X 133 a všetky podporované štandardy vrátane konektoru karty Revízia 2.0 - schválená 5.4.2002. Špecifikuje PCI-X 266 a PCI-X 533, pridanie podpory 1.5 V kariet PCI-X Špecifikácia Pracovná frekvencia Napätie signálu Šírka zbernice Prenosová rýchlosť PCI-X 1.0
66
3,3V/ 5V
64
533 MB/s
PCI-X 1.0
100
3,3V/ 5V
64
800 MB/s
PCI-X 1.0
133
3,3V/ 5V
64
1,066 GB/s
PCI-X 266 (2.0)
133 DDR
1,5V/ 3.3V/ 5V
64
2,133 GB/s
PCI-X 533 (2.0)
133 QDR
1,5V/ 3.3V/ 5V
64
4,266 GB/s
Pripravuje sa však aj rýchlejšie riešenie PCI-X 1066 s prenosovou rýchlosťou 8.533 GB/s. V súčasnej dobe PCI-X zbernica podporuje také zariadenia ako 10GB FibreChannel, 10 GB Ethernet alebo 4x InfiniBand, ktorých prenosová rýchlosť dosahuje úroveň PCI-X 266, teda 2,133 GB/s.
Konektor PCI-X - 64 bit - 3.3V
Konektor PCI-X - 64 bit - 5V
7
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
PCI-e Firma Intel, v spolupráci so spoločnosťami IBM, Dell, Compaq, HP a Microsoft predstavili nový štandard pre PC - PCI-express (skôr prezentovaný 3GIO alebo 3. generácia I/O) ktorému dal názov PCI-Sig, výbor pre dohľad nad štandardom PCI rozhrania. Tento štandard bol schválený 17.4.2002. PCI-express zbernica je navrhnutá ako vývojová aktualizácia k predchádzajúcej PCI zbernici. Má udržiavať kompletní hardvérovú a softvérovú zlučiteľnosť so všetkými predchádzajúcimi PCI zariadeniami, aj keď sa jedná o niečo úplne nové. Ako AMD Hypertransport technológia, tak aj PCI-e je dvojcestné, sériové rozhranie, ktoré prenáša údaje v paketoch, podobným spôsobom ako Ethernetové rozhranie. PCI-e zbernica bude asi jediná údajová zbernica PC cez ktorú sú všetky údaje presmerované v stanovenom pomere. Keďže v sériovom rozhraní sa prenášajú údaje z bodu do bodu samostatne, v tomto prípade sú v každej linke dva páry vodičov, ktoré prenášajú údaje tam a späť súčasne, pričom každá z týchto ciest je schopná preniesť 2.5Gb/s obojsmerne. Reálna stabilná prenosová rýchlosť je 200MB/s. PCI-e zbernica bola navrhnutá s podporou budúcich technológií, čo v súčasnej dobe využívajú hlavne výrobcovia grafických kariet. Vývoj práve v tejto oblasti zaznamenal u PCI-express grafických kariet radikálny a konečný prechod z AGP 8x. Prečo? Jednoduchý výpočet: Zatiaľ čo AGP 8x zbernica mala priepustnosť údajov 2.1 GB/s, PCI-e x16 ju má cca dvojnásobnú a teda 4 GB/s. Ďalšia výhoda je použitie viacerých konektorov PCI-e zbernice v rôznych formátoch a to nie len x1, x4, x8 a x16, ale aj ich násobkov. Na jednej doske môžeme teda vidieť dva PCI-e x16 konektory určené pre grafické karty, kde je možné súčasné zapojenie dvoch typovo rovnakých kariet, čo v prípade AGP nebolo možné. Má to však aj svoje nevýhody. PCI-e x16 poskytuje výkon až 75W, čo je oproti AGP 8x (25W/42W) o dosť viac a preto stúpnu aj nároky na zdroj. Počíta sa minimálne 400W pri jednom využitom konektore PCI-e x16. Aj keď sú konektory AGP a PCI-e podobné, nie sú však navzájom kompatibilné. Preto nemožno AGP grafickú kartu použiť v PCI-e x16 konektore a naopak. Špecifikácia PCI Express (x1) PCI Express (x4) PCI Express (x8) PCI Express (x16)
Prenosová rýchlosť Obojsmerne Jednosmerne 500 MB/s 250 MB/s 2 GB/s
1 GB/s
4 GB/s
2 GB/s
8 GB/s
4 GB/s
Ukážka PCI-express konektorov
8
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
AGP AGP (Accelerated Graphics Ports) bol vyvinutý firmou Intel pre zvýšenie výkonu PC v grafickom režime. Je to jednoúčelová zbernica ktorá spája grafický adaptér priamo s operačnou pamäťou PC. AGP je špeciálna rýchla zbernica vyhradená len na prenos obrazových údajov. Odľahčuje systémovú zbernicu a zároveň sa niekoľkonásobne zvýši rýchlosť údajov prenášaných do grafického adaptéra. Konektor AGP je podobný konektoru PCI len má o 8 kontaktov viac. Taktovacia frekvencia je odvodená od staršieho štandardu FSB66 a tá sa požíva dodnes. Mení sa len koeficient - násobok tejto frekvencie. V súčasnej dobe je najrýchlejší štandard AGP 8x, no nahrádza ho rýchlejšie rozhranie PCIe (PCI-Express). Špecifikácie AGP: AGP 1.0 - Ide o prvé AGP riešenie s podporou AGP 1x s napájaním 3.3 V definovanie konektoru zbernice AGP - 3.3 V AGP 2.0 - rozšírenie podpory o AGP 2x a AGP 4x s napájaním 1.5 V úprava konektoru 1.5 V a univerzálny AGP 3.0 - podpora AGP 2x, AGP 4x a AGP 8x s napájaním len 1.5 V a zavedenie upraveného konektora so zaisťovacím mechanizmom na konci konektora, slúžiacim zároveň aj ako uvoľňovací mechanizmus konektora.
AGP 1x
Pracovná Koeficient frekvencia 66.66 MHz 1x
Šírka zbernice 32 bitov
AGP 2x
66.66 MHz
2x
32 bitov
AGP 4x
66.66 MHz
4x
32 bitov
AGP 8x
66.66 MHz
8x
32 bitov
Označenie
Prenosová rýchlosť 266,67 MB/s
Napájacie napätie 3.3 V 1.5 V (3.3 V 533,33 MB/s universal) 1.5 V (3.3 V 1,066 GB/s universal) 2,11 Gb/s 1.5 V
Konektor AGP - 3.3V
Konektor AGP - 1.5V
Univerzálny AGP konektor
9
Technické vybavenie počítačov, 1.ročník
6. januára 2010
AMR AMR (Audio/Modem Riser) priniesla v roku 1998 firma Intel ako nový štandard tohto typu. Jednalo sa v tomto prípade len prispôsobenie už integrovaného zariadenia na základnej doske, ako napríklad zosilňovač Audio kodeku AC´97 alebo konektory integrovaného modemu. Konektor AMR má 46 kontaktov.
ACR ACR (Advanced Communications Riser) je riešenie skupiny výrobcov (3Com, VIA, AMD, TI, NVidia, ALi, Motorola a Lucent) na vlastnú zbernicu, ktorá vychádza zo zbernice AMR a je preto s ňou spätne kompatibilná. Má 120 pinový konektor
CNR CNR (Communication ad Networkig Riser) je riešením firmy Intel vylepšujúcim AMR konektor s pridaním podpory pre sieťové karty. Nie je však spätne kompatibilné s AMR. Konektor CNR má 60 kontaktov.
I2C Rozhranie i2c je primárne určené na pripojenie robotických senzorov a modulov ako napríklad SRF02,CMPS03, MD22, a podobne. Samozrejme, rozhranie je možné použiť aj na pripojenie iných modulov a zariadení. Rozhranie má na svorkovnici vyvedené dva piny SCL (serial clock) a SDA (serial data). Napäťová úroveň signálov je 5V.
10
