Оглавление 
 
 

Введение 2

Глава 1. Основные понятия шины данных 3

1.1.Основное понятие интерфейса и перифкрии 3

1.2.История возникновения 11

Глава 2. Сравнительная характеристика PCI Express и  PCI 14

2.1. Основные характеристики  PCI Express  и PCI. 14

2.2. Принципы применения PCI Express 21

Заключение 27

Список используемой литературы 28 
 
 
 
 

Введение

 Помимо  процессора (процессоров) и основной памяти, образующих  ее  ядро, вычислительная  машина содержит многочисленные  и  разнообразные по выполняемым функциям и принципам  действия периферийные устройства (ПУ), которые предназначены  для хранения больших объемов  информации (внешние запоминающие устройства) и для ввода в ЭВМ и вывода из нее информации, в том числе  для ее регистрации и отображения (устройства ввода-вывода). Передача информации с периферийного устройства  в ядро ЭВМ (память или процессор) называется операцией ввода, а передача  из  ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода. В качестве конкретного примера рассмотрим в работе  шины PCI (Peripheral Component Interconnect) и PCI Express.

     Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) широко использовалась в качестве универсальной шины ввода / вывода на протяжении более десяти лет, но сегодня она приблизилась к своим пределам. Расширения стандартного PCI, такие как 64-разрядных слота и 66 МГц или 100 МГц, слишком дороги и вряд ли есть время, чтобы идти в ногу с растущим спросом на высокую пропускную способность в течение ближайших нескольких лет. В качестве замены для стареющей шины PCI передовых ввода / вывода третьего поколения (3rd Generation IO, 3GIO), которая вскоре была переименована в PCI Express. PCI Express — шина последовательная, а не параллельная. Основные преимущества — снижение стоимости, миниатюризация, лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии); Актуальность темы  показывает необходимость понятия шины в процессе функционирования компьютера. 

Глава 1.  Основные понятия  шины данных

1. Основное  понятие интерфейса и периферии

 Производительность  и эффективность использования  ЭВМ определяется не только возможностями  ее   процессора  и характеристиками основной памяти, но преимущественно составом ее ПУ, их техническими данными и способом организации их совместной работы с ядром (процессором и основной памятью) ЭВМ. Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике  называются  интерфейсами.

 Интерфейс - представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, которая предназначена для осуществления обмена  информацией  между  устройствами. Надежность вычислительной машины во многом зависит от производительности и от характеристик интерфейсов. 

 При разработке   систем      ввода-вывода    должны    быть      решены

 следующие проблемы:

• Должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), в первую очередь с различным набором периферийных устройств, для того чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройствами.
• Для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.
• Необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.
• Необходимо  обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

 Создание  современных средств вычислительной техники связано с задачей  объединения в единый комплекс различных блоков ЭВМ, устройств хранения и отображения информации, измерительных приборов, устройств для связи с объектом (УСО), аппаратуры передачи данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается       на унифицированные     системы сопряжения –

 интерфейсы. Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжения» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других – устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составным функциональными блоками или устройствами системы. Для акцентирования внимания на комплексной характере интерфейса используются термины «интерфейсная система», «программный интерфейс», «физический интерфейс», «аппаратный интерфейс», и т.п.

      Под стандартным интерфейсом  понимается совокупность унифицированных  аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при

 условиях,    предписанных   стандартом   и   направленных   на    обеспечение   информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

         Средства интерфейса обеспечивают  совместную работу независимых  разнородных функциональных блоков системы. Условно ИБ можно разделить на две части: часть, обращенная к ФБ и учитывающая его специфику, и часть, поддерживающая взаимодействие с другими устройствами в рамках требований интерфейса.

      Проектирование интерфейсов выполняется  на основе четырех основных  взаимосвязанных принципов:

• Группового
• Агрегатирования
• Унификации
• Взаимозаменяемости.

      Принцип        группового    проектирования    заключается     в     создании   ряда     (семейства) функционального и конструктивно подобранных устройств (модулей, систем) определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования – достижение максимальной универсальности и совместимости ЭВМ, вычислительных       комплексов    (ВК)   внутри   проектируемого       ряда.   Примером    эффективного использования принципа группового проецирования являются разработки IBM РС – техники, Macintosh Apple .

      Принцип агрегатирования (модульного построения) состоит в рациональном разделении системы, устройства на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания.

      Принцип унификации заключается в минимизации номенклатуры составных узлов, блоков устройства, модулей связей между ними при условии рациональной компоновки и эффективного функционирования устройства или системы. Интерфейс можно рассматривать

 как практический пример унификации связей и устройств составных элементов  ЭВМ и систем.

      Принцип взаимозаменяемости основывается на способности модуля выполнять в устройстве различные    установочные         функции    без    дополнительной        конструкторской     доработки.

 Взаимозаменяемость  является следствием процесса унификации. Эта характеристика определяет степень универсальности устройства. 

 Эффективное использование рассмотренных принципов  проектирования при разработке и внедрении интерфейсов и устройств сопряжения позволяет:

• организовать крупносерийное производство;
• повысить качество;
• сократить сроки изготовления;
• снизить стоимость производства, отладки и эксплуатации;
• осуществить преемственность технических решений и удлинить сроки

 морального  старения средств ВТ.

 Основной  целью интерфейсов является стандартизация внутрисистемных и  межсистемных соединений и интерфейсов с целью  эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов компьютерных систем.

      Качество стандарта на интерфейс  может быть оценено соотношением, устанавливаемым между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе. Слишком жесткая регламентация условий совместимости ограничивает область применения интерфейса или же вызывает неоптимальное его использование.

 Тем не менее, это упрощает задачу проектирования интерфейсов. В противном случае увеличивается вероятность несовместимости  интерфейсного оборудования, разработанных разными производителями.

    Жесткая зависимость интерфейсов  от архитектурных особенностей  ЭВМ является одной из причин, препятствующих унификации многочисленных модификаций интерфейсов. Однако на определенном этапе развития технологии тенденция сохранения интерфейса снижает эффективность

 использования средств ВТ и возможность внедрения новых принципов построения ЭВМ и систем на их основе.

 Опыт  показывает, что унификация и стандартизация наиболее широко используемых интерфейсов  обеспечивают значительный экономический  эффект. Этот эффект достигается в  сфере производства (сокращение ассортимента продукции, большое увеличение производства и др.) при проектировании и эксплуатации операционных систем.

 Современные темпы развития микроэлектронной технологии, а также тенденции и практика строения микропроцессорных систем в настоящее время определены следующими  направлениями развития интерфейсов:

        1. Дальнейшее повышение уровня унификации и стандартизации аппаратного интерфейса совместимости существующих условиях наиболее распространенных интерфейсов на основе обобщения опыта их широкого применения. Это улучшение  направлено на создание новых стандартных интерфейсов или повышения существующего уровня стандартизации.

       2. Модернизация и расширение функциональных  возможностей существующих интерфейсов  без нарушения условий совместимости  благодаря новейшим достижениям  в микроэлектронной технологии  и технологии разработки средств  передачи информации. Основная цель  этого направления- удлинение сроков морального старения стандартных интерфейсов и расширение области их применения.

        3. Создание новых интерфейсов и разработка требований к их унификации и стандартизации. Эта тенденция объясняет прежде всего развитие систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса, а также интегрированных распределенных систем.

Периферийные  устройства

   К периферии относятся все  внешние дополнительные устройства, подключаемые к системному блоку  компьютера через специальные  стандартные разъемы.

    Это компьютерное оборудование, физически отделенное от системного  блока вычислительной системы,  имеет собственное управление  и действует как по командам  ее центрального процессора, так  и оснащается собственным процессором  и даже операционной системой. Предназначено для внешней подготовки  и модификации данных, ввода, хранения, защиты, вывода, управления и передачи  данных по каналам связи.  

 Периферийные  устройства компьютера делятся по назначению:

• вывод данных
• ввод данных
• хранение данных
• обмен данными

 Периферийные  устройства вывода данных:

     1.Монитор

 Оборудование  для визуального отображения  текстовой и графической информации, преобразует цифровую и (или) аналоговую информацию в видеоизображение.

        2.Принтер

 Оборудование  для печати разных масштабов и  областей применения.

       3.Колонки/наушники  (гарнитура)

 Оборудование  для воспроизведения (вывода) звука.

        4.Плоттер (графопостроитель)

 Применяется для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке. Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока). Назначение графопостроителей - высококачественное документирование чертежно-графической информации. 

 Периферийные  устройства ввода данных:

         1.Сканер

 Предназначается для анализа и оцифровки различных  объектов (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения  объекта. 
 

    2.Клавиатура  

 Клавиатура  относится к стандартным средствам  персонального компьютера для ввода  данных с помощью клавиш. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления.

     3.Мышь

 Манипуляторы  типа "мышь". Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора. Бывают проводные и радио, оптические и лазерные.

        4. Графический планшет (дигитайзер)

 Предназначены для ввода художественной графической  информации. Такие устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть). 

 Периферийные  устройства хранения данных:

1. Flash – накопители / внешние HDD

 Запоминающие  устройства, использующие в качестве носителя или флэш-память или внешний  жесткий диск, подключаемые к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB (eSATA). Основное назначение внешних накопителей — хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем и другое.

 2.Zip-накопители, HiFD-накопители, JAZ-накопители

 По  своим характеристикам похожи на жесткие диски небольшого объема, но в отличие от них является сменными. Технология не получила большого распространения, по экономическим причинам (стоимость в расчете на 1Мб данных). 

 Периферийные  устройства обмена данными:

 1.Модемы

 Предназначены для обмена информацией между  удаленными компьютерами по каналам  связи, принято называть модемом (модулятор + демодулятор). Наибольшее распространение  в настоящее время получили ADSL-модемы, позводялющие передавать данные по кабельным сетям низких категорий (телефонные линии) на большие расстояния с большой скоростью. 
 

1.2.История возникновения

   Весной 1991 года компания Intel завершает разработку первой макетной версии шины PCI. Перед инженерами была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволило бы реализовать возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. Кроме того, было необходимо учесть ошибки допущенные VESA при проектировании шины VLB (электрическая нагрузка не позволяла подключать более 3 плат расширения), а также реализовать автоконфигурирование устройств по примеру протокола Autoconfig для компьютеров Amiga.

     В 1992 году появляется первая версия шины PCI, Intel объявляет, что стандарт шины будет открытым и создаёт PCI Special Interest Group. Благодаря этому, любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, могла быть 32 или 64 битной, а устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически, пропускная способность шины 133 Мбайт/с, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/с.

    В середине 1993 года компания Intel выходит из ассоциации VESA и начинает предпринимать активные шаги по продвижению шины PCI на рынке. Ответом на критику со стороны специалистов из конференций Usenet и конкурирующих компаний (характеристики шины были во многом аналогичны, например Zorro III, публиковались статьи об ошибочном дизайне шины) стала PCI 2.0.

   В 1995 году появляется версия PCI 2.1 (ещё одно название — «параллельная шина PCI», которая обеспечила передачу данных по шине с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта с частотой 66 МГц). Кроме того, эта шина уже была поддержана на уровне ОС Windows 95 (технология Plug and Play), что позволило пользователям IBM PC больше не чувствовать себя ущемлёнными по отношению к другим платформам. Версия шины PCI 2.1 оказалась настолько популярной, что вскоре уже она была перенесена на платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и др.

   В 1997 году, в связи с развитием компьютерной графики и разработкой шины AGP, шина PCI перестала удовлетворять новым, повышенным требованием к видеокартам и перестала использоваться для установки видеокарт.

   В июле 2002 года официально появилась первая базовая спецификация PCI Express. Разработка стандарта PCI Express была начата  фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. 

  15 января 2007 года Группа PCI-SIG выпустила  спецификацию PCI Express 2.0.

  7 февраля 2007 года PCI-SIG выпустила спецификацию  внешней кабельной системы PCIE. Новая спецификация позволяли использовать кабели длиной до 10 метров, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.

  В ноябре 2010 года были утверждены спецификации версии PCI Express 3.0.

 PCI Special Interest Group (PCI SIG) заявила, что PCI Express 4.0 может быть стандартизирован  до 2015 года. 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Сравнительная характеристика PCI Express и  PCI

2.1. Основные характеристики  PCI Express  и PCI.

• PCI Express — шина последовательная, а не параллельная. Основные преимущества — снижение стоимости, миниатюризация, лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии);
• Спецификация разделена на стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен, не сказываясь на остальных;
• В спецификации заложены возможности горячей замены карт;
• В спецификации заложены возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service);
• В спецификации заложены возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
• В спецификации заложены возможности управления питанием.

Последовательная  шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP.

 Несмотря  на похожие наименования, шины PCI и PCI Express имеют мало общего. Протокол параллельной передачи данных, используемый в PCI, накладывает  ограничения на ширину полосы пропускания  и частоту работы шины; последовательная передача данных, примененная в PCI Express, обеспечивает возможность масштабирования (в спецификациях описываются  реализации PCI Express 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x). 

   Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную  способность 133 или 266 Мб/сек, но  эта пропускная способность делится  между всеми устройствами PCI. Частота,  на которой работает шина PCI Express - 2.5 ГГц, что дает пропускную  способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек (из-за избыточного кодирования для передачи 8 бит данных реально передается 10 бит информации) для каждого устройства PCI Express x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2. 

 PCI Express является двунаправленной шиной  

Периферийные  устройства PCI

    Первоначально 32 проводника адрес/данные на частоте 33 МГц. Позже появились версии с 64 проводниками (используется дополнительная колодка разъема) и частотой 66 МГц.

    Шина  децентрализована, нет главного устройства, любое устройство может стать  инициатором транзакции. Для выбора инициатора используется арбитраж с  отдельно стоящей логикой арбитра. Арбитраж «скрытый», не отбирает времени — выбор нового инициатора происходит во время транзакции, исполняемой предыдущим инициатором.

    Транзакция  состоит из 1 или 2 циклов адреса (2 цикла  адреса используются для передачи 64-битных адресов, поддерживаются не всеми устройствами, дают поддержку DMA на памяти более 4 Гб) и одного или многих циклов данных. Транзакция со многими циклами данных называется «взрывной» (burst), понимается как чтение/запись подряд идущих адресов и даёт более высокую скорость — один цикл адреса на несколько, а не на каждый цикл данных, и отсутствие простоев (на «успокоение» проводников) между транзакциями.

    Специальные типы транзакций используются для обращений  к конфигурационному пространству устройства.

    «Взрывная»  транзакция может быть временно приостановлена обеими устройствами из-за отсутствия данных в буфере или его переполнения.

    Поддерживаются  «расщеплённые» транзакции, когда целевое  устройство отвечает состоянием «в процессе»  и инициатор должен освободить шину для других устройств, захватить  её снова через арбитраж и повторить  транзакцию. Это делается, пока целевое  устройство не ответит «сделано». Используется для сопряжения шин с разными  скоростями (сама PCI и frontside процессора) и для предотвращения тупиковых ситуаций в сценарии с многими межшинными мостами.