Интерфейс. 
Физические и цифровые основы компьютера

Интерфейс — это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие шина (магистраль) — это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными.

Первым стандартным системным интерфейсом для ПК следует считать ISA (Industry Standard Architecture — Архитектура промышленного стандарта). ISA представляет собой шину, используемую в IBM PC-совместимых ПК для обеспечения питания и взаимодействия плат расширения с системной платой, в которую они вставляются. Первый вариант этой архитектуры для ЦП 8086/8088 с тактовой частотой 4,77 МГц представлял собой 62-контактную шину с 8 линиями данных, 20 линиями адреса, сигналами для прерываний и запросов, а также линиями питания и сигналами синхронизации.

Интерфейс PCI.

Сейчас доминирующее положение на рынке ПК занимают системы на основе шины PCI (Peripheral Component Interconnect — Взаимодействие периферийных компонентов). Этот интерфейс был предложен фирмой Intel в 1992 году (стандарт PCI 2.0 — в 1993). Следует отметить, что разработчики этого интерфейса позиционируют PCI не как локальную, а как промежуточную шину, т.к. она не является шиной процессора.

Шины ISA, EISA или MCA могут управляться шиной PCI с помощью моста сопряжения (на рис 1.2 он обозначен PIIX), что позволяет устанавливать в ПК платы устройств ввода-вывода с различными системными интерфейсами.

Рис. 35. Система на основе PCI.

В таких системах чипсет разделен на два моста (рис. 35): «северный» (North Bridge) и «южный» (South Bridge). Северный мост связывает центральный процессор (ЦП), память и видеокарту — три устройства в системе, между которыми курсируют наибольшие потоки данных. Таким образом, на северный мост возлагаются функции контроллера основной памяти, моста AGP и устройства сопряжения с шиной процессора. Собственно мост PCI, обслуживающий остальные устройства ввода-вывода в системе реализован на основе южного моста.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI. В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в 64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы и шина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема. На шине PCI сигналы адреса и данных мультиплексированы, поэтому для передачи каждых 32 или 64 разрядов требуется два шинных цикла: один — для пересылки адреса, а второй — для пересылки данных. Шина PCI-32 с тактовой частотой 33 МГц имеет пиковую скорость обычной передачи около 66 Мбайт/с (два шинных цикла для передачи 4 байт) и пиковую скорость пакетной передачи около 105 Мбайт/с.

PCI поддерживает процедуру прямого доступа к памяти ведущего устройства на шине (bus mastering DMA). Процессор может функционировать параллельно с периферийными устройствами, являющимися ведущими на шине.

Кроме того, платы PCI поддерживают:

автоматическую конфигурацию Plug&Play (не требуют назначения адресов расширений BIOS вручную);

совместное использование прерываний (когда один и тот же номер прерывания может использоваться разными устройствами);

контроль четности сигналов шины данных и адресной шины;

конфигурационную память от 64 до 256 байт (код производителя, код устройства, код класса (функции) устройства и др.).

Порт AGP.

С повсеместным внедрением технологий мультимедиа пропускной способности шины PCI стало не хватать для производительной работы видеокарты. Чтобы не менять сложившийся стандарт на шину PCI, но, в то же время, ускорить ввод-вывод данных в видеокарту и увеличить производительность обработки трехмерных изображений, в 1996 году фирмой Intel был предложен выделенный интерфейс для подключения видеокарты — AGP (Accelerated Graphics Port — высокоскоростной графический порт Одной из целей разработчиков AGP было уменьшение стоимости видеокарты, за счет уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel, большие объемы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

Интерфейс AGP по топологии не является шиной, т.к. обеспечивает только двухточечное соединение, т. е. один порт AGP поддерживает только одну видеокарту. В то же время, порт AGP построен на основе PCI 2.1 с тактовой частотой 66 МГц, 32-разрядной шиной данных и питанием 3,3 В. Поскольку порт AGP и основная шина PCI независимы и обслуживаются разными мостами, это позволяет существенно разгрузить последнюю, освобождая пропускную способность, например, для потоков данных с каналов IDE. В то же время, поскольку AGP-порт всегда один, в интерфейсе нет возможностей арбитража, что существенно упрощает его и положительно сказывается на быстродействии. Для повышения пропускной способности AGP предусмотрена возможность передавать данные с помощью специальных сигналов, используемых как стробы, вместо сигнала тактовой частоты 66 МГц (табл. 1). Например, в режиме AGP 2x данные передаются как по переднему, так и по заднему фронту тактового сигнала, что позволяет достичь пропускной способности 533 Мбайт/с.

Таблица 1. Режимы работы AGP.

В AGP существует возможность отмены механизма мультиплексирования шины адреса и данных — режим адресации по боковой полосе SBA (Side-Band Addressing). При использовании SBA задействуются 8 дополнительных линий, по которым передается новый адрес, в то время как по 32-битной шине данных передается пакет от предыдущего запроса. Главная обработка трехмерных изображений выполняется в основной памяти компьютера как центральным процессором, так и процессором видеокарты Чтобы извлечь выгоду из применения порта AGP, помимо требуемой аппаратной поддержки (т.е. графического адаптера AGP и системной платы), необходимую поддержку должны обеспечивать операционная система и драйвер видеоадаптера, а в прикладной программе должны быть использованы новые возможности порта AGP (например, трехмерное проецирование текстур).

Существуют модификации порта AGP:

спецификация AGP Pro для видеокарт с большой потребляемой мощностью (до 110 Вт), включающая дополнительные разъемы питания;

64-битный порт AGP, используемый для профессиональных графических адаптеров;

интерфейс AGP Express, представляющий собой эмуляцию порта AGP при помощи сдвоенного слота PCI в форм-факторе AGP. Применяется на некоторых материнских платах на основе PCI Express для поддержки AGP-видеокарт.

В настоящее время порт AGP практически исчерпал свои возможности и активно вытесняется системным интерфейсом PCI Express.

PCI Express.

C 2005 года в ПК вместо PCI используют новый системный интерфейс — PCI Express. Интерфейс (первоначальное название — 3GIO) использует концепцию PCI, однако физическая их реализация кардинально отличается. На физическом уровне PCI Express представляет собой не шину, а некое подобие сетевого взаимодействия на основе последовательного протокола. Высокое быстродействие PCI Express позволяет отказаться от других системных интерфейсов (AGP, PCI), что дает возможность также отказаться от деления системного чипсета на северный и южный мосты в пользу единого контроллера PCI Express.

Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express, позволяющая существенно повысить производительность системы, — использование топологии «звезда». В топологии «шина» (рис. 36) устройствам приходится разделять пропускную способность PCI между собой. При топологии «звезда» (рис. 1.3б) каждое устройство монопольно использует канал, связывающий его с концентратором (switch) PCI Express, не деля ни с кем пропускную способность этого канала.

а б.

Рис. 36. Сравнение топологий PCI (а) и PCI Express (б)

Канал (link), связывающий устройство с концентратором PCI Express, представляет собой совокупность дуплексных последовательных (однобитных) линий связи, называемых полосами (lane). Дуплексный характер полос также контрастирует с архитектурой PCI, в которой шина данных — полудуплексная (в один момент времени передача выполняется только в определенном направлении). На электрическом уровне каждая полоса соответствует двум парам проводников с дифференциальным кодированием сигналов. Одна пара используется для приема, другая — для передачи. PCI Express первого поколения декларирует скорость передачи одной полосы 2,5 Гбит/с в каждом направлении. В будущем планируется увеличить скорость до 5 и 10 Гбит/с.

Канал может состоять из нескольких полос: одной (x1 link), двух (x2 link), четырех (x4 link), восьми (x8 link), шестнадцати (x16 link) или тридцати двух (x32 link). Все устройства должны поддерживать работу с однополосным каналом. Аналогично, различают слоты: x1, x2, x4, x8, x16, x32. Однако слот может быть «шире», чем подведенный к нему канал, т. е. на слот x16 фактически может быть выведен канал x8 link и т. п. Карта PCI Express должна физически подходить и корректно работать в слоте, который по размерам не меньше разъема на карте, т. е. карта x4 будет работать в слотах x4, x8, x16, даже если реально к ним подведен однополосный канал. Процедура согласования канала PCI Express обеспечивает выбор максимального количества полос, поддерживаемого обеими сторонами.

При передаче данных по многополосным каналам используется принцип чередования или «разборки данных» (data stripping): каждый последующий байт передается по другой полосе. В случае канала x2 это означает, что все четные байты передаются по одной полосе, а нечетные — по другой.

Как и большинство других высокоскоростных последовательных протоколов, PCI Express использует схему кодирования данных, встраивающую тактирующий сигнал в закодированные данные, т. е. обеспечивающую самосинхронизацию. Применяемый в PCI Express алгоритм 8B/10B (8 бит в 10 бит) обеспечивает разбиение длинных последовательностей нулей или единиц так, чтобы приемная сторона не потеряла границы битов. С учетом кодирования 8B/10B пропускную способность однополосного канала PCI Express можно оценить, как 2500 Мбит/с / 10 бит/байт = 250 мегабайт/с (238 Мбайт/с).

PCI Express обеспечивает передачу управляющих сообщений, в том числе прерываний, по тем же линиям данных. Последовательный протокол не предусматривает блокирование, поэтому легко обеспечивается латентность, сопоставимая с PCI, где имеются выделенные линии для прерываний.