Gyakorlatban használt sínrendszerek

XT, azaz innen kezdődött...

Az 1981-ben bevezetett 8 bites PC, illetve XT (Extended Technology) sín egy viszonylag egyszerű szinkron sín, paritás védelmi lehetőséggel és megszakítási rendszerrel rendelkezett. Ezek a gépek az Intel i8086-os processzorával voltak szerelve, amelynek 8 bites volt az adatsínje és 20 bites volt a címsínje. Ez utóbbiból következik, hogy maximálisan 220=1 MBájt memória kezelésére alkalmas. Az IBM által kiadott dokumentációkban semmilyen utalás nem található a jelek időzítési adatairól, ami megnehezíti a gyártók számára a teljesen kompatibilis hardvereszközök gyártását.

Két igen nagy hátránya van ennek a sínrendszernek. Az egyik, hogy az adatforgalmat csak az alaplapon levő processzor és a 4 csatornás direkt memória elérés vezérlő (DMA) egységek vezérelhetik. A másik korlátozás a megszakítás rendszerből adódik. Egy megszakítás kérés jelre csak egy egység kapcsolható. A megszakítás-vezérlő összesen 8 megszakításkérő vonalat tud kezelni, tehát maximálisan 8 egység kezdeményezhet ilyen módon például adatátvitelt. A perifériák címzése esetén az IBM lecsökkentette a címek szélességét 10 bitre, ami 210=1024 periféria megcímzését teszi lehetővé. Az IBM úgy gondolta, hogy megfelelő ez a címzési mód, de erre gyorsan rácáfolt saját maga. A periféria címtartomány nagy részét felosztotta, így az újabb kártyáknak már csak kevés cím maradt. Minél több a periféria, annál több címre lenne szükség. A periféria számát nem a sín és a processzor korlátozza, az újabb fejlesztésű periféria kártyákon már kihasználják a CPU által biztosított 20 bitet.

Az összes jel egy 62 érintkezős élcsatlakozóra vezették ki. Ebbe kell függőlegesen behelyezni a kártyákat. A kártyák mindkét oldalán vannak érintkező felületek, melyek a csatlakozó megfelelő pontjával érintkeznek. A csatlakozó felépítését a 10. ábrán láthatjuk. Ilyen bővítő csatlakozóból összesen 8 darabot találunk az alaplapon. Ezek egy kivételével teljesen megegyeznek. A 8 bővítő hely adatvonalai közvetlenül, leválasztó és erősítőelemek közbeiktatása nélkül a processzorra kapcsolódnak. Az ide helyezett kártyáknak nagyon megbízhatóan kell működni, mert könnyen tönkretehetik a processzort.

A 62 csatlakozóból 20 vezeték a címek, 8 pedig az adatvezetékek számára került kiosztásra. A maradék érintkezők végzik el a megszakításkérő-, a táp- és néhány vezérlőjel csatolását. A csatlakozón találunk két órajelet, amelyek a perifériák szinkronizálását segítik elő. A csatlakozó kiosztását az 1. függelék tartalmazza.

AT, vagy ismertebb nevén ISA

A körülbelül 1984-ben bemutatott AT (Advanced Technology) sín jelentősen kibővítette a lehetőséget. Az i80286 típusú processzor felhasználása megkövetelte a megcímezhető memória 16 MBájtra való növelését (a 24 címbit miatt), és a 16 bites adatátvitel megvalósítását is. Ezen kívül a sínt már külső egység is vezérelheti.

A DMA csatornák már képesek a 16 bites (szavas) átvitelre is. A 16 bites periféria illesztőnek vagy memóriának a a sínciklus elején jelezni kell ezt a képességűket az (Input/Output Chip Select 16, 16 bites bemenet/kimenet egység kiválasztás) illetve a (Memory Chip Select 16, 16 bites memória kiválasztás) jelek alacsony szintre állításával.

Az ISA sínre több master (vezérlő) egység is csatlakozhat. A sín vezérlési jogát a jel alacsony szintre állításával lehet elkérni és egy DMA csatorna felhasználásával valósíthatjuk meg az átvitelt. Ebben az üzemmódban a master egységnek kell gondoskodnia a dinamikus memóriák frissítéséről. Ha a kérés nem haladja meg a 15 ms-ot, akkor alaplap továbbra is képes erre a műveletre. Az átvitel befejezésekor először a vonal aktivizálását, majd a DMA kérést kell megszűntetni. A vezérlési jog átadhatósága miatt néhány jel irány és típusa megváltozott..

Az XT-khez és a PC-khez kifejlesztett kártyák felhasználhatósága érdekében a 62 pólusú csatlakozót kiegészítették egy 36 pólusú csatlakozóval. A két élcsatlakozó egymás mögött helyezkedik el, így csak a 16 bites kártyák használják a kiegészítést. A kibővített cím-, adat- és vezérlő vonalakat erre az új csatlakozóra vezették ki. Egyetlen kivétel a (0 Wait State, 0 várakozási állapot) jel, amit az eredeti 62 pólusúra kötöttek a (Card Select, kártya kiválasztás) jel helyére. Erre a jelre nem volt szükség, mert az AT-hez nincs bővítő doboz. A (0 Wait State, 0 várakozási állapot) jel felhasználásával lehetőség van gyors 8 és 16 bites periféria és memória kialakítására is. Általában 6 darab 16 bites és 2 darab 8 bites csatlakozót találhatunk a régi 286-os alaplapokon.

A kompatibilitás megőrzése miatt az eredeti csatlakozóra kivezetett, memóriaműveletet jelentő (Small Memory Read, rövid memória olvasás) és (Small Memory Write, rövid memória írás) jelek csak az alsó 1 MBájtos címtartományban aktívak és időzítésük a PC, XT sínével közel azonosak. A további memóriaterületek a 36 pólusú csatlakozón megtalálható (memory Read, memória olvasás) és (Memory Write, memória írás) jelekkel vezérelhetők. Ezen jelek időzítése az alaplap típusától függ és összefügg annak sebességével.

A processzor minden perifériaműveletnél beépít egy várakozási állapotot, amikor semmit nem csinál, hanem csak vár. Ez a lassú eszközök megbízható elérését teszi lehetővé. A várakozási állapotok száma az IOCHRDY (Input/Output Channel Ready, be/kimeneti csatorna kész) aktív szintre állításával megnövelhető. Mivel várakozó állapotban a memóriafrissítés sem történik meg, ezért maximum 10 ilyen ciklus lehet. A modern perifériakártyák esetében nincs szükség arra, hogy az ilyen ciklus legyen beiktatva az írási vagy olvasási folyamatba. A sínciklusok lerövidítésére a (0 Wait State, 0 várakozási állapot) jel szolgál.

Az új csatlakozóra vezették ki

  • az adatsín plusz 8 bitjét (LD8-LD15),
  • a címsín 18-24. bitjét (LA17-LA23). Itt megfigyelhető, hogy átfedés van a két csatlakozóban, az LA17-LA19 duplázva vannak a címvezetékek. A kibővített csatlakozó jelei az eredeti címsínhez képest fél órajellel el vannak tolva. Erre a megoldásra a 8088-as processzorral való kompatibilitás miatt volt szükség.
  • a kibővített, 16 csatornás megszakítás-kezelő egység 5 felső megszakításkérő vonalát is itt találjuk meg. A csatlakozóra nem vezették ki az összes jelet, 9-es megszakításkérő vezeték pedig szoftveresen át van irányítva az első vezérlő 2-es bemenetére.
  • a közvetlen memória hozzáférés vezérlő felső 4 be- és kimenetét,
  • valamint még egyéb vezérlő és tápfeszültség jeleket.

Sajnos az AT bővítő buszról sem adott ki időzítéseket is tartalmazó specifikációt az IBM. Ezt a feladatot a bővített változatának az EISA busz kialakításánál végezték el, innen ered az Industry Standard Application (ISA) busz elnevezés is. A csatlakozó jelkiosztását az 1. függelékben találjuk meg.

Az ISA sín annyira bevált és elterjedt, hogy még a mai napig is használják a számítógépeknél. Az alaplapok többségénél még megtalálható belőle 1-2 darab.

      1. EISA

        A kilenc legnagyobb IBM PC kompatibilis számítógépgyártó cég, a Hewlett Packard, a WYSE, az ATS Research, a Tandy, a Compaq, a Zenith, az Olivetti, a NEC, és az Epson egy, a régebbi változatokkal kompatibilis, azonban akkor követelményeinek megfelelő sínrendszer kidolgozását tűzte ki célul. Elkészítették az Extended Industry Standard Application (EISA) sínspecifikációját. A munka során rögzítették az AT bővítő sín időzítési adatait, megalkották az ISA (Industry Standard Application) busz leírását is. Az EISA és az ISA sín specifikációja, csatlakózó kiosztása, időzítési adatai mindenki számára hozzáférhetők.

        Az új, 32 bites processzorokkal működő ISA sínes alaplapok nem tudják kihasználni a processzor lehetőségeit. Ezért volt szükség egy új sín kialakítására. A specifikációban több tulajdonságot továbbfejlesztettek. Az alapvető célkitűzés az volt, hogy a régebbi fejlesztésű 8 és 16 bites kártyák is használhatóak legyenek. Komoly gondot okozott a csatlakozó kialakításának megtervezése, ugyani s nem volt kivitelezhető, hogy még egy kiegészítő csatlakozót tegyenek a meglévők mögé.

        A megoldást a felfelé bővítés jelentette. Kialakítottak egy kétoldalas, oldalanként kétsoros kártyaél csatlakozót. Ezt mutatja vázlatosan a 10. ábra. Ebben a csatlakozóban az XT és AT kártyák csak a felső sor kivezetéseihez férhetnek hozzá, az alsó sor elérését a csatlakozó mechanikai kialakítása (pozícionáló élek) akadályozza meg. Az EISA kártyák kialakítása olyan, hogy mind a két csatlakozósort képesek használni. Az EISA csatlakozók az ISA sínnél alkalmazottakéval hasonló méretekkel rendelkeznek, azonban ezek magasabbak náluk. Az új csatlakozópontok a már meglévők között foglalnak helyet. Ezzel a megoldással a kivezetett jelek számát csaknem kétszeresére lehetett növelni.

        10. ábra. Az EISA csatlakozó kialakítása

        A sín maximális sebessége 33 MBájt/s, ezért különös gondot kellett fordítani a csatlakozó kiosztására is. A nagy sebességű jelek kivezetéseit föld vagy tápfeszültség csatlakozók veszik körül. Mivel a nagyobb sebességű eszközök általában nagyobb áramot vesznek fel a tápegységből, ezért a tápfeszültség csatlakozók számát is megnövelték.

        Az EISA sínen, az alaplap processzora, a DMA vezérlő vagy egy külső master modul minden egységet képes elérni abban az esetben is, ha az adatformátumuk nem azonos. Az alaplapra épített sínvezérlő egység feloldja ezt a problémát és átalakítja, valamint átmenetileg tárolja az adatokat.

        Az EISA sín megszakításkérés vezetékei mind szint, mind élvezérelt módban működhetnek. Az egyes vonalak, melyek az alaplapon lévő perifériákhoz csatlakoznak, csak élvezérelt módban használhatók. A sínre kapcsolódó perifériák esetében a működési módot a perifériakártya határozza meg. Az ISA kártyákhoz használt megszakítás kéréseket csak élvezérelt módon vezérelhetjük. Az EISA egységek a vonalakat már szintvezérelten is használhatják, ezáltal egyszerűbbé téve több kártyának azonos megszakításkérő vonalra kapcsolását. A vonalak passzív állapotukban magas logikai szintet vesznek fel, meghajtásuk nagyáramú, nyitott kollektoros kimenetű meghajtókkal történhet meg.

        Az EISA sínre fejlesztett kártyák rendelkeznek egy érdekes tulajdonsággal is. Minden kártyának van azonosítási lehetősége, amely azt jelenti, hogy minden kártyahelyben más és más, előre definiált címtartományban lehet elérni. Nem csak a kártya típusa azonosítható, hanem az is, hogy a kártya melyik csatlakozóban található.

        Az EISA csatlakozó a PC-k esetében nem igazán terjedt el, mert korán felváltották jobb illesztő rendszerek.

         

      2. VESA

        Ez a sín is a 32 bites processzorokhoz illeszkedik, és kezdetben kihasználta azok minden lehetőségét. A VESA sín a processzorhoz közvetlenül, illesztő, leválasztó- és erősítő elemek nélkül kapcsolódik. A sín maximálisan 33 MHz külső órajellel működő processzort tételez fel, így a DX2/66 vagy a DX4/100 processzor is ilyennek tekinthető. A sebességet ezzel az illesztéssel 133MBájt/s növelhetjük, de ez a sebesség a felhasznált kártyák számával csökken. Legfeljebb 2-3 csatlakozóhelyet lehet kialakítani, ezek prioritása nem azonos. A processzorhoz közelebb lévő kártyahely nagyobb prioritással rendelkezik.

        A csatlakozó kialakításánál ügyeltek arra, hogy a régi kártyákkal is kompatibilis maradjon a csatlakozó. Ezért az ISA sín mögé kb. 5 mm-rel elhelyeztek egy 2x58 érintkezővel rendelkező csatlakozót. Ennek sűrűsége jóval nagyobb, mint az ISA csatlakozóé. A megnövelt csatlakozósűrűség, valamint a három, egymás mögött elhelyezett csatlakozó nagyon sok hibalehetőségre ad okot. A csatlakozó felépítését a 13. ábrán, míg a jelek kiosztását a táblázatban láthatjuk.

        Ez a sínrendszer még két évvel ezelőtt is használatban volt, azonban a Pentium processzorok elterjedésével háttérbe szorult a PCI sínnel szemben, mára pedig teljesen eltűnt a piacról.

      3. PCMCIA

Ez a sínrendszer nem az asztali PC-k esetében használható, hanem a hordozható számítógépekhez fejlesztették ki. A hordozható számítógépek (lap-top) perifériája bankkártya méretű, és ezeknek az illesztését valósítja meg ez szabvány. A PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association, személyi számítógép memória kártya nemzetközi hozzárendelés) sínrendszer statikus és dinamikus RAM, Flash EPROM valamint periféria kártyákat kezelhet. A háromféle magassági mérettel gyártott periféria kártyák között merevlemezes egységeket, lokális hálózati csatolókat, modemeket, stb. találhatunk. Ez a sínrendszer nem alkalmaz DMA csatornákat az átvitelhez, valamint a kártyákon nem lehet master egység. Az 1. függelékben vizsgálhatjuk meg a PCMCIA csatlakozó jeleinek elnevezéseit.

  • PCI
  • A megalkotásakor már fegyelembe vették, hogy a Pentium processzorok 64 bites külső adatsínnel rendelkeznek. Így ez az illesztő már nem csak 32 bites adatátvitelt valósít meg, hanem 64 bitest is. A kezdeti PCI sínek csak 33 MHz-es órajellel voltak képesek működni, így az átviteli sebessége 133 MBájt/s vagy 64 bit esetén 266 MBájt/s. Nem sokkal a PCI sín kifejlesztése után ez az átviteli sebesség kevésnek bizonyult, így módosították (V2.1), hogy maximálisan 66 MHz-es órajellel legyen képes működni. Ebben az esetben az átviteli sebesség 266 MBájt/s vagy 532 MBájt/s lehet.

    Átalakították a PCI sínen keresztül kapcsolódó eszközök megszakításkezelését is. Négy új megszakítás került definiálásra, melyek vagy az alaplapon elhelyezett vezérlőkhöz, vagy a kártyákhoz rendelhetők. A régi megszakítások használatára is van lehetőségünk. A PCI bővítő helybe illesztett perifériák a négy új megszakítás közül választhatnak. Az új struktúrában lehetőség nyílik arra is, a hogy a bővítő helyekre direkt hozzárendeljünk megszakításkérő vezetéket. Az új megszakítások az INT jelzéssel vannak ellátva, amelyet egy szám követ. A PCI megszakítási rendszerben már több egységet is ráköthetünk ugyanarra a bemenetre.

    PCI rendszerbe már nem csak 5V-os, hanem 3.3V-os egységeket is csatlakoztathatunk. A VESA sín legnagyobb hátrányát, a kis számú csatlakoztatható illesztő számát a PCI sín 10 darabra növeli, melyből összesen öt (az újabb verzióban 6) lehet kártyahely. A maradék öt pedig az alaplapon található perifériák csatlakozását oldja meg.

    A PCI sín nem kompatibilis sem az ISA, sem a VESA sínekkel, de a kártya kialakítása lehetővé teszi a kártyahelyek megosztását. A PCI sínre illeszkedő kártya az ISA kártya "tükörképe". Az alkatrészeket és a csatlakozókat a másik oldalon helyezték el, így a PCI kártyahelyeket az ISA kártyahelyek között helyezhetjük el.

    A felhasználók kényelmét próbálja meg fokozni a Plug and Play technológia, mely lehetővé teszi a csatlakozóba illesztett eszközök automatikus felismerését és beállítását. A PCI sín támogatja ezt a módot, és operációs rendszertől függően ezt megbízhatóan képes is elvégezni.

    A csatlakozó jelkiosztását az 1. függelékben megtalálható.

  • AGP
  • Eredetileg a Pentium II processzorhoz fejlesztették ki, azonban ma már szinte egyeduralkodó a grafikus kártyák csatlakoztatása terén. Az AGP (Accelerated Graphics Port, gyorsított grafikus port) a PCI sínnél elméletileg négyszer gyorsabban képes végrehajtani a ciklusokat. Nagy előnye, hogy nem kell csak a grafikus kártya memóriájával megelégednünk. Ha szükség van a nagy méretű 3D-s képek kirajzolásához, akkor a kártya képes a rendszer memóriáját használni. Másik mód a gyorsabb működés eléréséhez, hogy a kártya tartalmaz egy kitüntetett szerepű portot, melyen keresztül közvetlenül, késleltető elemek közbeiktatása nélkül képes elérni a memóriát és a processzort. Az adatátvitel sebessége a rendszer órajelével egyezik meg. Természetesen a memóriának nagyon gyorsnak kell lennie, mert különben nem tudná kiszolgálni a kártya igényeit. Ezért erre a célra csak az SDRAM megfelelő, sőt nem baj, ha a RAM tudja a 100 vagy a 133 MHz-es működési sebességet.

    11. ábra. AGP rendszer felépítése.

    A táblázatban összehasonlítottunk néhány tulajdonságát a PCI és az AGP portnak.

    AGP

    PCI

    Párhuzamos (pipeline) műveletvégrehajtás

    Nincs párhuzamos végrehajtás

    A cím és az adat nincs multiplexelve

    A cím és az adat multiplexelt

    Maximum 533 MBájt/s 32 biten

    Maximum 133 MBájt/s 32 biten

    Egy master, egy cél periféria

    Több master és több cél periféria

    A memória olvasáson és íráson kívül nincs más I/O művelet

    Kapcsolódás az egész rendszerre

    Magas/alacsony prioritási sor

    Nincs prioritási sorrend

    1. táblázat. A PCI és az AGP összehasonlítása.

    Az AGP port úgy képes elérni a táblázatban átviteli sebességet, hogy a memória eléréséhez egy új technikát használ. Ennek DIME (Direct Memory Execute, direkt memória végrehajtás) nevet adták. A nagy képeket, a textúrákat az AGP-s rendszerek az operatív tárban, a RAM-ban tárolják. Ezeket a képernyőn csak ritkán kell módosítani, ezért nem szükséges a video RAM nagy sávszélessége. Amikor szükség van például a háttér megváltoztatására, akkor az gyorsa ki kell olvasni a RAM-ból és fel lehet dolgozni. A gyors kiolvasásához szükséges a a RAM közvetlen elérése. A kiolvasás során a képek digitális leképzései átkerülnek a kártyán lévő átmeneti tárolóba. Ennek a sebessége még az SDRAM-nál is nagyobb, esetenként (ma már követelmény) lehetőség van a memória egyidejű írására és olvasására is. Ez közel kétszer akkora sebességnövekedést jelent a hagyományos memóriához képest. Innen a képet a grafikus áramkör küldi el a monitornak. A memóriába írás hasonlóképpen történik, csak az ellenkező irányba. Az áramkör azokat a képeket, melyek már nem férnek el a saját memóriájába, a processzor megkerülésével közvetlenül a RAM-ba tárolja el. Innen bármikor előhívhatja, ha szükség lenne rá.

    Az AGP port is folyamatos fejlesztés alatt áll. A kezdeti sínt felváltotta a dupla akkora sebességre képes, 2X AGP néven elterjedt szabvány. Ma már ezt a sebességet is megduplázták, a mai kártyák már készek a 4X AGP által biztosított adatátviteli sebességet kihasználni.