Orbis pictus 21. století Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu

Sběrnice OB21-OP-EL-KONP-JANC-M-3-012

Sběrnice  Sběrnici si můžeme obecně představit jako skupinu elektrických vodičů spojujících jednotlivě součásti počítače.  Přes sběrnice probíhá komunikace mezi mikroprocesorem a periferiemi, přičemž komunikovat s okolím může mikroprocesor třemi způsoby:  pomocí sběrnic,  pomocí hardwarových přerušení (IRQ),  kanály přímého přístupu do paměti (DMA).

Sběrnice  Sběrnic v počítači existuje hned několik (sběrnice procesoru, přídavných karet ap.).  Většina sběrnic je rozdělena na tři podsystémy:  sběrnice datová - přenáší pouze numerické údaje mezi zdrojovým a cílovým zařízením,  sběrnice adresová - přenáší adresy zařízení, které se účastní komunikace,  sběrnice řídící - přenáší signály pro řízení celé komunikace.

Sběrnice  Základním požadavkem na sběrnici je rychlost přenosu dat.  Ideální by bylo, kdyby jednotlivé komponenty počítače byly mezi sebou propojeny nejrychlejším možným způsobem. To by ale výrazně zvýšilo cenu počítače a zabránilo by standardizaci zařízení.  Starší počítače byly konstruovány okolo jedné jediné sběrnice. To sice snížilo jejich cenu, ale také výkon. Na sběrnici mezi sebou mohly komunikovat jen právě dva prvky (vysílající a přijímající). Ostatním částem nebyl přistup na sběrnici v dané chvíli umožněn.  Sběrnice musí vyhovovat typu mikroprocesoru, který udává šířku datové i adresové části sběrnice.

Sběrnice  Režimy využívané sběrnicemi:  Multimastering - provoz sběrnice řídí některá z přídavných karet, která provádí některé úkoly mikroprocesoru. Procesor se tak nemusí zatěžovat komunikací přes sběrnici a prací některých periférií.  Burst režim - data jsou přenášena po skupinách bez adresy u každého datového bloku -> urychlení.

Lokální sběrnice (FSB)  Současné počítače jsou postaveny na hierarchické sběrnicové struktuře.  Základní je tzv. lokální sběrnice z angl. Front Side Bus (FSB). Po ní musí komunikace probíhat nejrychleji, protože na ni vstupuje procesor, který je nejrychlejší součástí počítače.  FSB byla součástí počítačové architektury od doby, kdy se začalo využívat více paměti než mohl procesor rozumně využít.  Nejmodernější FSB sběrnice slouží jako páteř mezi procesorem a čipsetem. Čipset (obvykle kombinace 2 čipů - severní a jižní můstek) je spojovacím bodem pro všechny ostatní sběrnice v systému.

Lokální sběrnice (FSB)  Pomalá sběrnice by výrazně zpomalovala provoz procesoru.  Dokonce ani konstrukce dnešních sběrnic není na takové úrovni, aby vyhovovala výkonu procesoru, proto se do taktu procesoru vkládají tzv. čekací cykly.  Tyto čekací cykly zajišťují bezchybnou komunikaci procesoru se sběrnicí, ale zároveň snižují jeho výkon.  Frekvence procesoru se přímo úměrně odvíjí od frekvence FSB a to rychlost procesoru = frekvence FSB x násobič ( je nastaven výrobcem a dá se případně taktovat).

Rozšiřovací (systémová) sběrnice  Odděluje mikroprocesor od "okolního světa", je cestou pro připojení dalších komponent (většinou od různých výrobců).  Sběrnice vyúsťuje konektory - jednotlivými sloty, do kterých se přídavné karty zasazují.  U systémové sběrnice jsou kladeny nejvyšší nároky na rychlost přenosu a na důslednou standardizaci (kompatibilitu) tak, aby do slotů (patle, zástrček) sběrnice mohly být instalovány přídavné karty různých výrobců.  Tyto druhotné systémové sběrnice pracují na rychlostech odvozených od rychlosti FSB sběrnice.

Typy sběrnic  Rozšiřovacích sběrnic je u počítačů IBM PC kompatibilních hned několik druhů, ty se liší především svou propustností (množstvím dat, která projdou přes sběrnici za jednotku času):  ISA - starší typ pasivní sběrnice, šířka 8 nebo 16 bitů, přenosová rychlost < 8 MB/s  PCI - novější typ „inteligentní“ sběrnice, šířka 32 nebo 64 bitů, burst režim, přenosová rychlost < 130 MB/s (260 MB/s)  AGP - jednoúčelová sběrnice určená pro připojeni grafického rozhraní (karty) k systému, přenosová rychlost 260 MB/s - 2 GB/s

Typy sběrnic  PCI-X - zpětně kompatibilní rozšíření sběrnice PCI  PCI-Express (PCIe) - nová sériová implementace sběrnice PCI  USB - sériová polyfunkční sběrnice, 2 diferenciální datové vodiče + 2 napájecí vodiče 5 V/500 mA, široké použití, verze 1.1 přenosová rychlost 12 Mb/s, 2.0 přenosová rychlost 480 Mb/s  FireWire - sériová polyfunkční sběrnice, široké použití, 50 MB/s

Typy sběrnic  RS sériová průmyslová sběrnice, (někdy jako proudová smyčka), do prostor s vysokým elektromagnetickým rušením  I²C - sériová sběrnice, < 100 kb/s, adresace 32 zařízení, komunikace a řízení v elektronických zařízeních

Porovnání rychlostí počítačových sběrnic Sběrnice BITy BYTy  ISA 8-Bit/4.77 MHz 9.6 Mbit/s 1.2 MB/s  ISA 16-Bit/8.33 MHz 42.4 Mbit/s 5.3 MB/s  EISA bits/8.33 MHz 320 Mbit/s 40 MB/s  PCI 32-bit/33 MHz Gbit/s MB/s  PCI 32-bit/66 MHz Gbit/s MB/s  PCI-Express (x1 link) 2.5 Gbit/s 320 MB/s  AGP 2x Gbit/s MB/s  PCI-Express 2.0 (x1 link) 5 Gbit/s 640 MB/s  AGP 4x Gbit/s GB/s  PCI-Express (x4 link) 10 Gbit/s 1.25 GB/s

Porovnání rychlostí počítačových sběrnic Sběrnice BITy BYTy  PCI-Express 2.0 (x4 link) 10 Gbit/s 1.25 GB/s  AGP 8x Gbit/s GB/s  PCI-Express (x8 link) 20 Gbit/s 2.5 GB/s  PCI-Express 2.0 (x8 link) 20 Gbit/s 2.5 GB/s  PCI-Express (x16 link) 40 Gbit/s 5 GB/s  HyperTransport (800 MHz, 16-pair) 51.2 Gbit/s 6.4 GB/s  HyperTransport (1 GHz, 16-pair) 64 Gbit/s 8 GB/s  PCI-Express 2.0 (x16 link) 80 Gbit/s 10 GB/s  HyperTransport (2.6 GHz, 32-pair) Gbit/s 20.8 GB/s

Porovnání rychlostí počítačových sběrnic Sběrnice (záznamové média) BITy BYTy  Ultra DMA ATA Mbit/s 33 MB/s  Ultra DMA ATA Mbit/s 66 MB/s  Ultra DMA ATA Mbit/s 100 MB/s  Ultra DMA ATA Gbit/s 133 MB/s  Serial ATA (SATA-150) 1.2 Gbit/s 150 MB/s  Serial ATA (SATA-300) 2.4 Gbit/s 300 MB/s

Porovnání rychlostí počítačových sběrnic Sběrnice (externí) BITy BYTy  Serial RS-232 max kbit/s 28.8 kB/s  USB Low Speed (USB 1.0) Mbit/s 192 kB/s  Serial RS-422 max 10 Mbit/s 1.25 MB/s  USB Full Speed (USB 1.1) 12 Mbit/s 1.5 MB/s  FireWire (IEEE 1394) Mbit/s MB/s  FireWire (IEEE 1394) Mbit/s MB/s  FireWire (IEEE 1394) Mbit/s MB/s  USB Hi-Speed (USB 2.0) 480 Mbit/s 60 MB/s  FireWire (IEEE 1394b) Mbit/s MB/s  FireWire (IEEE 1394b) Gbit/s MB/s

Sběrnice ISA  Sběrnice ISA (Industry Standard Architecture) je počítačová sběrnice pro rozšiřující karty, která byla vyvinuta firmou IBM v roce  Sběrnice ISA obsahovala adresovou část, která měla šířku 24 bitů a dokázala tedy adresovat až 16 MB paměti. Kromě paměti bylo možné obsluhovat maximálně vstupně/výstupních portů pomocí šestnáctibitové I/O sběrnice.  Datová část sběrnice měla šířku 16 bitů. Blokový přenos dat byl na počátku řešen tak, že řízení sběrnice převzalo externí zařízení. Později se využilo čtyř až osmi DMA kanálů.

Sběrnice ISA  Přenos dat probíhal přes synchronní protokol a oscilátor měl časovou základnu 70 ns, což odpovídá taktovací frekvenci 14,285 MHz.  Postupem času však byla na trhu ISA používající jednu z 5 základních frekvencí - 4,77 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz a 16 MHz.  V současné době se nové základní desky obsahující ISA sloty nevyrábějí.

EISA (Extended ISA)  Sběrnice EISA. Jak název napovídá, jedná se o zdokonalení dřívějšího standardu ISA.  Je kompatibilní s ISA, stále však nízká frekvence.  Slot sběrnice je dvoupatrový (vytvořený ze starých ISA slotů), konfiguruje se programově.  Nedosáhla velkého rozšíření.

Sběrnice PCI  PCI (z anglického Peripheral Component Interconnect) nebo PCI Standard (v praxi se však téměř vždy zkracuje na PCI) je počítačová sběrnice pro připojení periferií k základní desce, která není omezená na platformu osobních počítačů PC.  Používá paralelní přenos dat (šířka 32 nebo 64 bitů) a je orientovaná na přenos zpráv místo přímé komunikace (anglicky message passing).  Od zbytku systému je oddělena pomocí PCI mostů, které zprostředkovávají komunikaci s připojenými kartami. V jednom počítači je jedna nebo i více nezávislých PCI sběrnic.

Sběrnice PCI  Jejím prostřednictvím lze připojit následující periférie:  integrovaný obvod zabudovaný přímo do základní desky – označuje se jako planární zařízení,  rozšiřující karta, která se vsune do konektoru (soketu) sběrnice.

Sběrnice PCI  Práce na PCI počaly v laboratořích Intel kolem roku PCI 1.0, která byla pouze specifikací na úrovni komponent, byla zveřejněna 22. června PCI 2.0, která první založila standard pro konektor a slot základní desky, byla uvolněna 30. dubna PCI 2.1 byla vydána 1. června  PCI se okamžitě začala používat v serverech, nahradila MCA a EISA sběrnici.  V osobních počítačích PCI pomalu nahrazovala VESA Local Bus (VLB) a na trh nijak výrazně nepronikla až do konce roku 1994, kdy se začala používat v osobních počítačích s procesorem Pentium.

Sběrnice PCI  Kolem roku 1996 VLB sběrnice téměř zanikla a výrobci začali používat PCI dokonce pro počítače s procesorem Intel 486.  EISA byla používána spolu s PCI až do roku Apple přijal PCI pro profesionální počítače Power Macintosh (nahradil tak NuBus) v roce 1995 a produktovou řadu Performa (náhrada LC PDS) v roce  Následné revize PCI přidaly nové vlastnosti a vylepšení výkonu, včetně standardu 66 MHz a 3,3 V, následně 133 MHz PCI-X standardu.

Sběrnice PCI  PCI-X 1.0b stejně tak jako PCI-X 2.0 jsou zpětně kompatibilní s některými PCI standardy.  Od uvedení sériového standardu PCI Express v roce 2004 výrobci základních desek začali snižovat množství PCI slotů ve prospěch nového standardu PCI-E.  Ačkoliv je stále běžné užívat obě rozhraní vedle sebe, klasická PCI bude pravděpodobně vytlačena v následujících letech.

Sběrnice PCI a standart PnP  V době, kdy v PC kralovala sběrnice ISA, bylo při přidání nové karty do systému nutné, aby její majitel nastavil nejprve kartu a pak stejně i její ovladač.  Zároveň bylo nutné, aby žádné dvě karty nebyly v konfliktu (nebyly nastaveny stejně nebo tak, že se jejich nastavení překrývalo).  Přidat do počítače kartu tak nebylo vůbec jednoduché.

Sběrnice PCI a standart PnP  Proto byl vyvinut standard PnP (Plug and Play), který umožňoval, aby karta byla jednoduše zasunuta do slotu a o zbytek se postaral sám počítač a operační systém.  Zpočátku nebylo toto rozšíření vždy zcela funkční a jeho podpora ze strany software byla také minimální.  PnP bylo firmou Intel zakomponováno přímo do PCI standardu a ve Windows 95 již byla přítomna i její systémová podpora.

Sběrnice AGP  Accelerated Graphics Port (též Advanced Graphics Port) nejedná se v pravém slova smyslu o sběrnici, neboť k AGP lze připojit pouze jedno zařízení.  Jedná se o spojení typu point-to-point, které je určeno pro porty k připojení externích zařízení. Jedná se o port, který je určený pro připojení grafických adaptérů, zejména pak grafických akcelerátorů.  Z důvodu zobrazení videa ve velkém rozlišení, byl při návrhu AGP kladen důraz na co nejvyšší rychlost přenosu dat s malou latencí.

Sběrnice AGP  Technologie AGP vznikla úpravou sběrnice PCI, některé řídící signaly jsou podobné (adresová a datová čast AGP používa stejné vodiče pro přenos jako PCI).  Došlo k několika modifikacím, z nichž nejvýraznější je odstranění arbitrážního obvodu. Z toho plyne, že je možné připojit pouze jedno zařízeni.

Sběrnice AGP  Jak se počítače staly graficky orientované, po sobě jdoucí generace grafických adaptéru se blížila k limitům sběrnice PCI.  To vedlo k rozvoji AGP. Pro potřeby moderních grafických adaptérů, je AGP lepší než PCI, protože poskytuje specializovanou cestu mezi slotem a procesorem, než sdílení PCI sběrnice, která umožňuje rychlejší komunikaci.  AGP také využívá sideband addressing,který využívá dalších 8 adresových vodičů. S adresováním pomocí sidebandu je možné realizovat jinou techniku adresování, než umožňovala sběrnice PCI. Aktivních je rovněž 32 hlavních adresových vodičů.

Sběrnice AGP  PCI grafické karty musí načítat textury ze systémové RAM do grafické paměťi (framebuffer).  AGP karty jsou schopné číst textury přímo z operační paměti pomocí systému Graphics Adresa Remapping Table (GARTB) ve které jsou vedeny informace o uložení a funkci stránek paměti.

Sběrnice AGP  Jedna stránka má konstantní velikost 4 KB. V případě, že jsou data z nějaké stránky vyžadována pro vykreslování a stránka je uložena v operační paměti, je proveden přenos těchto 4 KB do paměti grafického akcelerátoru a následně se provede úprava záznamu v GART.  Vzhledem k poměrně malé velikosti stránek tak nedochází k jednorázovému zatížení systému, protože se zátěž v čase rozloží.

Sběrnice AGP  Intel představil první verzi AGP (nazvanou „AGP specification 1.0“) v roce Zahrnovala obě rychlosti 1× a 2×. Novější verze AGP zvýšily přenosovou rychlost z 2× na 8×.  Tyto verze jsou:  AGP 1×, používající 32-bitový kanál běžící na 66 MHz umožňující maximální datový tok 266 MB/s, zdvojnásobený z 133 MB/s rychlosti sběrnice PCI 33 MHz / 32-bitů; 3.3 V.  AGP 2×, používající 32-bitový kanál běžící na 66 MHz (double pumped) na efektivních 133 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 533 MB/s; 3,3 V;

Sběrnice AGP  AGP 4×, používající 32-bitový kanál běžící na 66 MHz (quad pumped) na efektivních 266 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 1066 MB/s (1 GB/s); 1,5 V;  AGP 8×, používající 32-bitový kanál běžící na 66 MHz (8 bitů za takt) na efektivních 533 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 2133 MB/s (2 GB/s); 0,8 V.

Sběrnice PCI-Express  Sběrnice PCI-Express (známá též jako 3GIO = 3rd Generation I/O) je nová implementace PCI sběrnice. Používá existující programovací návrhy a komunikační standardy.  Je založena na mnohem rychlejší sériové komunikaci. PCI- Express je primárně podporována firmou Intel, která na tomto standardu začala pracovat.  PCI-Express (zkráceně PCI-E) je navržena jen pro použití jako lokální sběrnice.

Sběrnice PCI-Express  Vyšší rychlosti sběrnice ji předurčují k použití místo všech existujících interních sběrnic včetně AGP a PCI.  Intel si představuje, že jediný řadič PCI-Express komunikující s všemi externími zařízeními by mohl konkurovat řešení pomocí severního a jižního můstku, které je používáno dnes.  PCI-Express není dost rychlá na to, aby byla použita jako paměťová sběrnice. V tomto ohledu je to výrazná nevýhoda oproti podobnému systému - HyperTransport, který je pro tento účel vhodný (jeho teoretická propustnost dosahuje 76,8 Gbps).

Sběrnice PCI-Express  V říjnu 2004 se PCI-Express stává novým standardem pro osobní počítače. High-end grafické karty obou hlavních výrobců (ATI Technologies a nVidia) jsou pomalu a postupně předělávány z AGP na PCI-Express, což nakonec donutilo i ostatní firmy se přizpůsobit.  V lednu 2007 se prodávala většina grafických karet pro PCI-E, a to ve variantě pro PCI-E 16×. PCI-E 1× a 4× se zatím používaly pouze pro zvukové karty, řadiče pevných disků a další zařízení, které nepotřebují takový výkon.

Sběrnice PCI-Express  Verze 2.0 této sběrnice zvyšuje přenosovou rychlost jedné linky z 250 MB/s na 500 MB/s. To znamená, že například u slotu s šestnácti linkami (PCI-E 16×) vzroste rychlost z 4 GB/s na 8 GB/s.  Tato verze je zpětně i dopředně kompatibilní, můžete tedy karty s podporou PCI-Express 2 zapojit do základní desky, která obsahuje pouze podporu verze 1.1 a naopak.  Díky tomu grafiky v zapojení SLI a CF (Crossfire) nejsou limitované propustností slotu při režimu 8x.

 Děkuji za pozornost  Ing. Ladislav Jančařík

Literatura     