Шины передачи данных Arapahoe и HyperTransport

Шина данных

Системный
блок, монитор, клавиатура и периферийные
устройства

Внешний
вид персонального компьютера может иметь
самые разнообразные формы. Как правило, мы
можем выделить несколько крупных объектов,
оформленных в виде отдельных компонент
соединенных кабелями или шлейфами,
представляющих персональный компьютер
непосредственно и периферийные
компоненты. В зависимости от
реализации исполнения и дизайна корпуса
системного блока, монитора
и клавиатуры они могут быть
объединены в один или более общих корпусов
и выполняться как совершенно
самостоятельные отдельные элементы.

Arapahoe

1. Arapahoe — симметричная, двунаправленная (bi-directional) шина, которая позволяет передачу данных со скоростью до 2.5 ГБ/с, что почти в 2.5 раза больше, чем пропускная способность шины PCI-X, и более чем в 9 раз быстрее скорости работы шины PCI (мы приняли за «скорость работы PCI» значение 266 МБ/с, как среднее между двумя возможными — 133 МБ/с для 32-битовой 33-мегагерцовой и 512 МБ/с для 64-битовой 66-мегагерцовой).
2. Технология подключения периферийных устройств использует мост (host bridge) и несколько оконечных точек, позволяющих подключать периферийные устройства с помощью переключателя (switch). Switch может быть выполнен как отдельный логический элемент или интегрирован в host bridge. Переключатель в первую очередь предназначен для того, чтобы направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя host bridge, то есть позволяя так называемое peer-to-peer подключение. Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных.
3. О пропускной способности шины Arapahoe нельзя говорить, как о чем-то фиксированном. Огромное отличие этой шины от PCI в том, что она будет иметь изменяемую пропускную способность (scalable bandwidth). Это значит, что каждый производитель, использующий эту спецификацию, сможет наращивать пропускную способность шины или уменьшать ее в зависимости от своих потребностей, добавляя или уменьшая количество линий.
4. Адресация будет поддерживаться 32- и 64-битная. Каждый пакет данных будет иметь один из трех уровней приоритетов, так что система сможет разделить поток данных от периферийных устройств по приоритетам и обрабатывать данные согласно организованной в результате этого очереди.
5. Архитектура будет иметь три уровня организации: физический уровень, уровень данных и уровень транзакций. Уровень транзакций будет пересылать запросы на чтение и запись данных от периферийных устройств и назад, а также организовывать пакеты данных для передачи на уровень данных.
6. Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и Q(uadro)DR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.

По заявлению руководства Arapahoe SIG, технология позиционируется на рынок прежде всего как конкурент аналогичным по своим задачам архитектурам AMD (HyperTransport) и Motorola (RapidIO). Другими словами, Arapahoe не претендует на то, чтобы быть единственной шиной «для всего». Среди «претендентов на сожительство» Луис Барнс (Louis Burns), вице-президент и главный менеджер Intel’s Desktop Platforms Group, назвал InfiniBand, IEEE 1394b (FireWire), USB 2.0, Serial ATA и 1/10-Gb Ethernet.

Технология, призванная расширить возможности шины PCI, может и не увидеть свет из-за большой конкуренции на этом рынке. Не будем забывать, что до реализации этой шины в железе осталось еще 2 года, а конкуренты уже готовы выпустить на рынок свои продукты, которые даже сейчас будут лучше, чем планируемые Intel на срок через 2 года.

Шина памяти

Шина памяти предназначена для передачи информации между процессором и основной памятью системы. Эта шина соединена с северным мостом или микросхемой Memory Controller Hub. В зависимости от типа памяти, используемой набором микросхем (а следовательно, и системной платой), шина памяти может работать с различными скоростями. Наилучший вариант, если рабочая частота шины памяти совпадает со скоростью шины процессора. Пропускная способность систем, использующих память PC133 SDRAM, равна 1066 Мбайт/с, что совпадает с пропускной способностью шины процессора, работающей на частоте 133 МГц. Рассмотрим другой пример: в системах Athlon и некоторых Pentium III используются шина процессора с частотой 266 МГц и память PC2100 DDR SDRAM, имеющая пропускную способность 2133 Мбайт/с — такую же, как и шина процессора. В системе Pentium 4 используется шина процессора с частотой 400 МГц, а также двухканальная память RDRAM со скоростью передачи данных для каждого канала 1600 или 3200 Мбайт/с при одновременной работе обоих каналов памяти, что совпадает с пропускной способностью шины процессора Pentium 4. В системах Pentium 4, содержащих шину процессора с тактовой частотой 533 МГц, могут использоваться двухканальные модули PC2100 или PC2700, параметры которых соответствуют пропускной способности шины процессора, равной 4266 Мбайт/с.

Память, работающая с той же частотой, что и шина процессора, позволяет отказаться от расположения внешней кэш-памяти на системной плате. Именно поэтому кэш-память второго и третьего уровней была интегрирована непосредственно в процессор. Некоторые мощные процессоры, к числу которых относится Intel Pentium Extreme Edition, содержат встроенную кэш-память третьего уровня объемом 2–4 Мбайт, работающую на полной частоте процессора. Самые современные процессоры, такие как Core Duo и Core 2 Quad, используют кэш-память только первого и второго уровней. Таким образом, в обозримом будущем кэш второго уровня будет оставаться наиболее распространенным типом вторичного кэша.

Примечание!

Ширина шины или сколько бит «нужно»

Ширина шины памяти – важнейший параметр, который косвенно влияет на общую производительность видеокарты. Сама по себе шина – это канал, соединяющий память и графический процессор видеокарты. А от ширины шины зависит количество данных, которое может быть передано графическому процессору и обратно в память за единицу времени. Соответственно, чем больше ширина шины видеопамяти, тем лучше. Рост производительности особенно заметен в требовательных играх, которые подкреплены утяжелением в виде максимального сглаживания и анизотропной фильтрации .

Теперь, давайте рассмотрим несколько популярных классов «битности» шин памяти:

64 бита — довольно популярный класс видеокарт бюджетного сегмента рынка. Видеокарты с такой шиной позиционируются для «облагораживания» бюджетных систем (но и то, там зачастую царят интегрированные решения), а также домашних ПК с нетребовательными задачами к графической производительности системы. Особенно смешно смотрятся такие видеокарты с большим объёмом видеопамяти на борту.

128 бит – средний класс. Изредка, можно увидеть в бюджетных видеокартах, и очень часто в видеокартах middle-сегмента. Зачастую, такие видеокарты пригодны для полноценных домашних систем, с довольно широкими игровыми задачами, но часть игр всё равно будет «неподъёмной» для данного класса.

256 и 384 бит – топовый класс. Зачастую, «идёт» в сочетании с отменными частотными показателями, как памяти, так и ядра, безусловно, – это максимальная игровая производительность для всего и сразу.

Но, хотелось бы подчеркнуть, что данная классификация является очень и очень условной, потому что нельзя оценивать видеокарту по одной лишь ширине шины памяти. К тому же, сама по себе «битность», влияет на производительность лишь с жёсткой зависимостью от частоты видеопамяти. Эти два параметра рассчитывают пропускную способность памяти видеокарты (ПСП).

Поэтому, чтобы уверенно говорить относительно оптимальной величины шины, нужно рассматривать всё в комплексе, то есть, саму ПСП. Чем мы сейчас и займёмся.

Как выбрать видеокарту для простых задач

Если Вас интересует простая видеокарта для офисного компьютера или для домашней машины (например, для серфинга в сети и работы с нетребовательными приложениями), то учитывать и подбирать все описанные характеристики Вам совсем не обязательно. В большинстве случаев, Вам хватит мощности встроенной видеокарты в процессор или материнскую плату, и выбирать дискретный видеоадаптер есть смысл только при отсутствии интегрированного решения. В таком случае, обратите внимание, что материнская плата должна поддерживать интерфейс видеокарты, а так же посмотрите, какими разъемами для видео оснащен ваш монитор. Затем, ориентируясь на эти характеристики, подберите бюджетную недорогую карту и ее производительности с лихвой хватит для несложной работы.

Мы подробно разобрали вопрос о том, как выбрать видеокарту и какие характеристики в большей степени влияют на общую производительность видеокарты. Также мы познакомили Вас с полезным скриптом в котором собраны наиболее производительные видеокарты на конец 2014 года.

От чего зависит пропускная способность шины?

Эмблема PCI Conventional

Вот уже более десяти лет PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, даже несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает (пока ещё) оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее она неуклонно сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express, о которой чуть ниже.

В далёком 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI – Peripheral Component Interconnect (дословно: взаимосвязь периферийных компонентов ). А в 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на неё продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.

Причины успеха PCI – это гораздо большая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключённых к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.

Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:

Вскоре PCI «взяли на вооружение» также платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и другие.

Ещё большее распространение получил стандарт 2.2.

Отличия PCI 2.2 от 2.0:

Типы PCI-разъёмов

Со времён анонса PCI 2.0 разработкой и продвижением стандарта занимается специальная организация – консорциум PCI-SIG (Special Interest Group), она же занимается продвижением PCI Express.

Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее распространённые из которых:

Эмблема PCI-X

Сводная таблица конструктивов карт и слотов в зависимости от версии стандарта

Однако, как и многие параллельные шинные решения (те же Parallel ATA, SCSI), шина PCI в данное время находится на границе разумного масштабирования производительности, после которого «гонка частот и разрядности» приведёт к непозволительно высоким технологическим усложнениям и, соответственно, к затратам. Но на данный момент проблема эффективной масштабируемости и наращивания уже решена, ведь в компьютерной индустрии уже полным ходом идёт переезд с PCI на новую последовательную шину PCI-Express.

Различия топологий PCI и PCI-Express

PCI-Express

Эмблема PCI Express

Разработка рабочей группой Arapahoe, основанной компаниями Compaq, Dell, IBM, Intel и Microsoft при участии организации PCI-SIG, нового межкомпонентного интерфейса была начата фирмой Intel еще тогда, когда только ожидался выход в свет AGP 3.0 (он же AGP 8х). Так, программную модель PCI планировали унаследовать и в новом интерфейсе, чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Сам же интерфейс должен был быть последовательным. Это означало, во-первых, однозначное подключение «точка-точка», исключающее арбитраж шины и перетасовку ресурсов (как частный случай – прерываний). Во-вторых, упрощалась схемотехника, разводка и монтаж. В-третьих, экономилось место.

Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.

Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane . Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Таблица. Пропускная способность шины PCI Express с разным количеством связей

В спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express 1.1.

Использование шин и устройств PCI Express.
Шины ( links ) PCI Express показаны оранжевым цветом

Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:

Итоги

Как мы видим, последовательные интерфейсы пришли в компьютерную индустрию всерьёз и надолго. Не за горами времена, когда такие почётные долгожители, как PCI, IDE(PATA), SCSI, совсем уйдут со сцены, ибо преемники – PCI Express, Serial ATA, Serial Attached SCSI – уже агрессивно отвоёвывают позиции у «старичков». В стане процессорных шин пока паритет – архитектура K8 компании AMD c организацией процессорной шины на основе HyperTransport уже зарекомендовала себя как удачное решение, но и компания Intel с «последней редакцией» параллельной шины FSB (QPB) чувствует себя довольно уверенно и не собирается от неё отказываться.

Что касается возможной войны технологий PCI Express и HyperTransport, то здесь не тот случай – уж слишком разные сферы применения уготованы разработчиками этим решениям. Для вторжения в сферу сверхбыстрых передач у PCI Express недостаточно пропускной способности (максимум 8 ГБ/с для х16 против 41 ГБ/с у HyperTransport). Что касается работы HyperTransport с периферийными контроллерами, то данная шина не обладает для этого достаточными возможностями протоколов в силу своего изначального предназначения – замены процессорной шины, первое упоминание о «горячем» подключении появилось лишь в спецификации HyperTransport 3.0, да и стандартом пока что не предусмотрено внешних разъёмов.

Назначение шины FSB

Как известно, сердцем любого персонального компьютера является центральный процессор. Но не только процессор определяет архитектуру ПК. Она также во многом зависит и от используемого на материнской плате набора вспомогательных микросхем (чипсета). Кроме того, процессор не может функционировать и без внутренних шин, представляющих собой набор сигнальных проводников на системной плате. В функции шин входит передача информации между различными устройствами компьютера и центральным процессором. Характеристики внутренних шин, в частности, их пропускная способность и частота во многом определяют и характеристики самого компьютера.

Пожалуй, наиболее важной из шин, от которой больше всего зависит производительность компьютера, является шина FSB. Аббревиатура FSB расшифровывается как Front Side Bus, что можно перевести как «передняя» шина. В основные функции шины входит передача данных между процессором и чипсетом. Точнее говоря, FSB располагается между процессором и микросхемой «северного моста» материнской платы, где находится контроллер оперативной памяти.

Связь же между северным мостом и другой важной микросхемой чипсета, называемой «южным мостом» и содержащей контроллеры устройств ввода-вывода, в современных компьютерах обычно осуществляется при помощи другой шины, которая носит наименование Direct Media Interface.

Как правило, процессор и шина имеют одну и ту же базовую частоту, которая называется опорной или реальной. В случае процессора его конечная частота определяется произведением опорной частоты на определенный множитель. Вообще говоря, реальная частота FSB обычно является основной частотой материнской платы, при помощи которой определяются рабочие частоты всех остальных устройств.

В большинстве старых компьютеров реальная частота системной шины определяла и частоту оперативной памяти, однако сейчас память часто может иметь и другую частоту – в том случае, если контроллер памяти располагается в самом процессоре. Кроме того, следует иметь в виду, что реальная частота шины не эквивалентна ее эффективной частоте, которая определяется количеством передаваемых бит информации в секунду.

В настоящее время данная шина считается устаревшей и постепенно заменяется более новыми – QuickPath и HyperTransport. Системная шина QuickPath является разработкой фирмы Intel, а HyperTransport – компании AMD.

Front Side Bus в традиционной архитектуре чипсета

Первостепенное деление системных шин

Деление шин основывается на нескольких факторах. Первенствующим показателем является месторасположение. Согласно этому показателю шины бывают:

1. Внутренними, которые обеспечивают взаимосвязь внутренних компонентов системного блока, таких как процессор, ОЗУ, материнская плата. Такая системная шина называется еще локальной, так как служит для связи местных устройств.
2. Внешними, которые служат для подключения наружных устройств (адаптеров, флеш-накопителей) к материнской плате.

В самом общем случае системной шиной можно назвать любое устройство, которое служит для объединения в одну систему нескольких устройств. Даже сетевые подключения, например, сеть Интернет, в некотором роде является системной шиной.

Системные шины в современных компьютерах

Стандартная локальная шина, разработанная ассоциацией VESA, получила компетентное признание в мире компьютерных технологий. Официальное ее название VL-Bus и она же является одной из самых популярных шин локального назначения со дня ее представления. Используя шину VL-Bus можно осуществлять 32-разрядную передачу информации между графическим адаптером и процессором либо винчестером.

Однако, такая магистраль связи не способна поддерживать корректную работу микропроцессора. Вследствие этого она встраивается в систему вместе с 16-разрядной шиной ISA, и таким образом выполняет функции дополнительного расширения.

Компьютерная шина, оперативка, центральный процессор и мосты