Maģistrāles

Datu, aderesu, vadības ISA MCA EISA VESA PCI USB AGP standarts UMA arhitektūra IEEE 1394 standarts ATX standarts

Datorā eksistē vairākas līnijas ar kuru palīdzību sistēmas ietvaros notiek informācijas apmaiņa. Šīs līnijas sauc par maģistrālēm (Bus). Galvenais maģistrāli raksturojošais lielums ir tās bitu skaits (maģistrāles platums), kas norāda to, cik biti paralēli pa to var pārvietoties. Skatīt Maģistrāles.

Pēc funkcionālās nozīmes visas līnijas iedalās trīs grupās:

• Datu maģistrāle;
• Adresu maģistrāle;
• Vadības maģistrāle.

Datu maģistrāle

Pa šo maģistrāli notiek datu apmaiņa starp procesoru, slotos ievietotajām papildus kartēm un atmiņu. Īpaša nozīme šeit ir DMA (Direct Memory Access) kontrolierim. DMA kontrolieris vada datu transportēšanu, apejot CPU. DMA kontrolieris parasti ir mikroshēmas 82C206 sastāvdaļa un tas nodrošina datu pārraides ātrumu 2 Mb/s. Datu maģistrāles platums var būt 8, 16, 32 vai 64 biti.

Adresu maģistrāle

Lai dati nokļūtu vajadzīgajā vietā ir jānorāda arī adrese, kur tos nogādāt. Pārsvarā dati nogādājami atmiņā (RAM). Tā kā katrai RAM šūnai ir nepieciešama sava adrese, tad procesora adresējamo atmiņas apjomu nosaka adresu maģistrāles platums.

8088 procesora adresu maģistrāle ir 20 biti un adresējamais atmiņas apjoms - 1 MB. 8026 procesoram tā tika palielināta līdz 24 bitiem, bet 386 un visiem nākamajiem tā ir 32 biti, kas ļauj adresēt 4 GB atmiņas.

Vadības maģistrāle

To, kam nosūtītie dati ir domāti un kur tie ir jānosūta, norāda kontrolera maģistrāle, kuru sauc par vadības jeb sistēmas maģistrāli. Sistēmas maģistrāles galā atrodas 5 - 8 papildkaršu sloti. Tajos var ievietot video karti, virknes un paralēlos interfeisus, skaņas karti u.c. Sloti savieno šīs kartes ar sistēmas maģistrāli. Slotu ārējais izskats un konstrukcija ir atkarīgs no sistēmas maģistrāles.

ISA maģistrāle

ISA (Industrial Standard Architecture) ir visvecākais standarts, kuru ieviesa firma IBM. Šim tipam ir 8 vai 16 bitu datu maģistrāle un ~8-10 MHz takts frekvence. To joprojām izmanto lēnu adapteru pieslēgšanai (drukai, pelei, skaņas kartei).

8 bitu

Pirmā no ISA maģistrālēm bija 8 bitu (8 bit ISA Bus), ko izmantoja  PC XT datoros. Kā zināms, maģistrāle nosaka visas sistēmas ātrdarbību. Lai adresētu 1 MB atmiņu, apmainītos ar 8 bitu datiem ar takts frekvenci 4,77 MHz pietiek ar 62 līnijām.

16 bitu

Šo maģistrāli sauc arī par AT BUS. Tā sastāv no divām daļām - pirmā no tām, pilnībā atbilst 8 bitu maģistrālei, bet otrajā daļa ( 36 kontakti) paredzēta papildus ievades/izvades adresēm, pārtraukumu līnijām un DMA kanāliem. Šajos slotos var ievietot kā 8 bitu, tā 16 bitu kartes.

Datu pārraide pa ISA maģistrāli notiek šādi: adresu maģistrālē izdod RAM šūnas vai ievades/izvades iekārtas adresi, kurai datu baits ir jānodod; datu līnijā izdod datu baitu; pēc kāda laika (vairākas taktis) izdod signālu datu pārraidei (ierakstīšanas strobs). Tas, vai dati ir paspējuši ierakstīties, nav zināms. ISA maģistrāles takts frekvence ar nolūku ir izvētēta tikai 8,33 MHz tāpēc, lai arī pašas lēnākās iekārtas paspētu apmainīties ar datiem un komandām. Galvenā ISA maģistrāles problēma ir tā, ka tā jau 80386 un 80486 procesoros tā kļuva "šaurā" vietā (boutlneck), jo dati pa maģistrāli nevarēja pārvietoties tik ātri, kā tos spētu apstrādāt procesors.

MCA maģistrāle

Sistēmas bremzēšana maģistrāles zemās takts frekvences dēļ bija par iemeslu jaunas maģistrāles izstrādei - MCA (Micro Chanel Architecture). To izstrādāja firma IBM un ieviesa savos PS/2 datoros. Ātrāka šī maģistrāle bija tādēļ, ka tai ir 32 biti datiem un tās takts frekvence ir 10 MHz. Bez tam tajā ievietotās kartes konfigurāciju varējā uzstādīt nevis ar slēdžu palīdzību, bet programmiski. MCA maģistrāle nekļuva populāra, jo nebija 100% savietojama ar ISA maģistrāli, tā kā bez pasmatplates bija jāiegādājās arī piemērotas kartes un tās ir dārgas. Pašlaik šo interfeisu izmanto ļoti maz.

EISA maģistrāle

Ātruma palielināšana un savietojamība radīja nepieciešamību tālāk uzlabot ISA. Vadošo aparatūras izstrādes firmu vadībā (Epson, Hewllet-Packard, NEC, Compaq un Wyse) parādījās EISA (Exchanged Industrial Standard Architecture) maģistrāle. Tās priekšrocības:

• EISA slots ir savietojams ar ISA. Tas ir panākts, izveidojot "divstāvu" slota konstrukciju. Pirmajā atrodas ISA kontakti, bet otrajā - EISA, tādēļ tajā var ievietot abu tipu kartes. ISA karti ielikt dziļāk traucē īpašs slēdzis, bet EISA kartei tajā vietā ir caurums;
• Tā ir 32 bitu maģistrāle. Tas nozīmē to, ka tajā var ievietot kartes (tīkla, grafiskās, cietā diska), kas vairs nebremzē procesora darbu. Kaut arī maģistrāles takts frekvence ir 8,33 MHz, tās 32 datu biti palielina datu pārraidi līdz 33 Mb/s;
• Tāpat kā MCA, tajā karšu konfigurāciju norāda programmiski, nevis ar slēdžu palīdzību;
• Tai ir lielas priekšrocības, ja tiek izmantota kešatmiņa.

VESA maģistrāle

Datu apmaiņai starp CPU un ātrām ārējām iekārtām 80. gadu sākumā tika izveidota VESA-LAB (Video Electronics Standard Association - Local Bus), saīsināti VLB. Iemesls bija pārāk lēnā video datu apmaiņa. Lokālā VESA maģistrāle nav jauna pamatplates iekārta, bet gan ISA maģistrāles paplašinājums. Apmaiņa notiek ar speciālu kontrolieru palīdzību. Tie ir izvietoti VLB slotā ievietotā speciālā kartē. Šī karte apiet sistēmas maģistrāli un ar procesoru ir saistīta tieši un datu apmaiņa var notikt ar 32 bitu datiem. Tā strādā ar procesora 25-40(50) MHz takts frekvenci. VLB neiztiek bez 16 bitu slotu, kurā atrodas adresu un vadības signāli, taču pati datu apmaiņa notiek pa šo paplašināto slota daļu.

Bez videokartēm VLAB maģistrāli izmantoja arī cietā diska (kā IDE tā SCSI) kontrolieriem. VESA maģistrāle plaši tika izmantota 486. sērijas datoros. Savas integritātes dēļ ar  procesoru, Pentium procesoros tas nav izmantojama.

PCI maģistrāle

Tikko kā VLB paspēja nostiprināties tirgū, parādījās jauna sistēmas maģistrāle: PCI - (Peripheral Component Interconect). To izveidoja firma Intel savam jaunajam jaudīgajam Pentium procesoram. Atšķirībā no EISA un VLB tā ir pilnīgi atšķirīga. Galvenais tās pamatprincips ir tilti (bridges), kas realizē sakarus starp PCI maģistrāli un citām sistēmas maģistrālēm (piemēram, PCI to ISA Bridge). Svarīga PCI īpatnība ir jaunu principu izmantošana - Bus Master un Bus Slave. Tā, piemēram, PCI Master karte var datus no operatīvās atmiņas nolasīt gan ierakstīt bez procesora līdzdalības. PCI Slave tipa karte (piemēram, grafiskā) var datus tikai saņemt. Pašlai PCI ir kļuvis par karšu standartu.

PCI priekšrocības:

• Izmantots no ISA atšķirīgs datu pārraides princips. Sistēmā tiek noteiktas divas iekārtas: nosūtošā (Indicator) un saņemošā (Target). Kad nosūtošā iekārta ir gatava darbam, tā līnijās izdod datus un pavada to ar atbilstošu vadības signālu Indicator Ready. Šajā laikā saņemošā iekārta saglabā datus savos reģistros un izdod signālu Target Ready, ziņojot, ka dati saņemti. Visu signālu un datu ierakstīšanas/nolasīšanas izdošana notiek stingri saskaņā ar maģistrāles impulsiem. To takts frekvence ir 33 MHz (signāls CLK);
• Daļēja sistēmas sastāvdaļu neatkarība. Datu pakete tiek veidoja bez CPU vadības. To veic starp procesoru un PCI maģistrāli ievietotais tilts (Host Bribge Cashe/DRAM Controller). Procesors var turpināt darbu arī tad, kad notiek datu ierakstīšana/nolasīšana atmiņā. Tas pats notiek arī apmainoties ar datiem jebkurām citām sistēmas sastāvdaļām;
• PCI 1.0 maģistrāle ir 32 bitu, bet PCI 2.0 - 64 bitu un datu pārraides ātrums attiecīgi 132 un 264 MB/s;
• Tā kā procesors ar maģistrāli nav savienots tieši, bet caur galveno tiltu (Host-bridge), tad PCI var strādāt arī ar citu paaudžu procesoriem. To var izmantot kā PC, tā arī RISC vai PowerPC datoros;
• Tā kā PCI 2.0 ir 64 bitu, tad PCI slotiem ir papildus konkati un izejas, uz kurām tiek padots 3,3 V spriegums. Vairums jauno mikroshēmu strādā ar šādu spriegumu;
• PCI sistēma izmanto multipleksēšanas laikā principu - tas ir datu un adresu pārraidīšanu pa vienām un tām pašām līnijām;
• Tā ir pielāgota aparatūras atpazīšanai un sistēmas konfigurācijas analīzei Intel izstrādātajā Plug&Play tehnoloģijā.

PCI maģistrāle sākumā tika izstrādāta kā lokālā, taču drīz vien kļuvas par galveno. ISA ir kļuvusi par pakārtoto un to ar PCI saista speciāls tilts (ISA Brdge System I/O). Šī tilta mikroshēmas satāvā ir iekārtas ISA standarta nodrošinašanai (divi DMA kontrolieri, klaviatūras kontrolieris, taimers, divi pārtraukumu kontrolieri u.c).

USB maģistrāle

USB (Universial Serial Bus) ir universiāla virknes maģistrāle ārējo iekārtu pieslēgšanai. Visas ārējām iekārtām (klaviatūrai, pelei, kursorsvirai, printerim uc.)  ir jābūt vienādām pieslēgvietām un datoram tiek pievienots speciāls bloks - USB koncentrātors (HUB). Saskaņā ar standartu, koncentrātoram var pieslēgt līdz 127 ārējām iekārtām. Attēlā redzama Universial Serial Bus uz PCI interfeisa mikroshēma.

USB maģistrāle nodrošina Plug&Play standartu. Jaunajās pamatplatēs ir speciāla pieslēgvieta USB koncentrātoram, tādējādi ļaujot atbrīvot datoru no veselas virknes ievades/izvades karšu.  Datu pārraides ātrums USB maģistrālē ir 12 Mb/s. USB maģistrāles izmantošanai dažādām operacionālajām sistēmām ir izveidoti speciāli draiveri. Attēlā redzams firmas CMD PCI maģistrāles USB adapteris.

AGP standarts

Neskatoties uz visām PCI maģistrāles priekšrocībām, tās iespējas sistēmas noslogotības gadījumā kļūva nepietiekamas. Iemesls ir video un grafikas kombinācija ar kurām strādā jaunāko paaudžu grafiskās mikroshēmas. Tikai viena pati lietotāja graiskā interfeisa nodrošināšana aizņem pusi no PCI maģistrāles caurlaidības.

Tika izveidotas speciālas maģistrāles VADC (Vesa Advanced Feature Connector) ar datu pārraides ātrumu ~ 20 Mb/s un VMC (Vesa Madia Channel) - 6 Mb/s, taču neviena no šīm specifikācijām nekļuva izplatīta,

Izstrādātas standarts AGP (Accelerated Graphics Port), piedāvā PCI maģistrālē caur speciālu multimēdijas tiltu (Multimedia Bridge) pievienot otru pakārtoto PCI maģistrāli.

Tā nodrošina datu apmaiņu starp videokarti un iekšējās video datu apstrādes mehānismu.

Attēlā redzami dažādi datu apmaiņas ātrumi Pentium III procesora sistēmā, kurā ir izmantots AGP standarts.

UMA arhitektūra

Jauns grafisko un video problēmu risinājums ir UMA (Unified Memory Architecture) izmantošana. Tā ļauj videokartei savām vajadzībām izmantot daļu pamatplatē izmantotās atmiņas (RAM). UMA sistēma spēj noteikt dinamiskās atmiņas apjomu, kurš nepieciešams kadra buferim. Šis buferis tiek izveidots BIOS ielādes laikā un tā lielums ir atkarīgs no izvēlētās monitora izšķirtspējas un krāsu bitu skaita.

Standarts IEEE 1394

IEEE 1394 ir ātrdarbīgs lokālās maģistrāles standarts, kuru izstrādāja par pamatu ņemot firmu Apple un Texas Instruments izstrādāto FireWire tehnoloģiju. Tā ir daļa no jaunā Serial SCSI standarta (SCSI-3).

Lokālā virknes maģistrāle IEEE 1394 var apmainīties datiem ar ātrumiem 100, 200 un 400 Mb/s, bet strādājot ar noteikta tipa failiem pat līdz 1 Gb/s. Šo ātrumu iegūst datus pārraidot paketēs. Bez tam tā nodrošina datu apmaiņu tāpat kā PCI maģistrāle (adrese, apstiprinājums).

Maģistrāle izmanto parastu 6 vadu kabeli, kurā ir 2 dažādu tipu līnijas takts impulsu un informācijas pārraidei, kā arī 2 barošanas līnijas. Tāpat kā USB, arī IEEE 1394 pilnībā nodrošina Plug&Play tehnoloģiju (arī sastāvdaļu pievienošanu un izņemšanu bez barošanas atslēgšanas).

IEEE 1394 ļauj ķēdītē saslēgt līdz 63 mezgliem, bet katram mezglam var pieslēgt līdz 16 iekārtām. Bez tam tā līdzīgi SCSI nodrošina vienlaicīgu darbu vairākām iekārtām arī tad, ja tās strādā ar dažādiem datu pārraides ātrumiem. IEEE 1394 var pieslēgt visas tās iekārtas, kuras var strādāt ar SCSI: visas disku iekārtas (cietie, optiskie, CD, DVD), ciparu videokameras, magnētisko lentu iekārtas uc. Lai apvienotu datoru ar sadzīves elektroniku, FireWire maģistrāle par vienu no perspektīvākajām.

Standarts ATX

Mūsdienu datorā parasti vienlaikus izmanto vairākus interfeisa tipus. Standarts ATX, kas tiešā veidā neietekmē lietotāja darbu, atvieglo datora tehnisko apkopi.