História a vývoj zberníc

 

Čo je to zbernica alebo bus?              

Aby počítač k niečomu bol, musí CPU komunikovať s pamäťou, prídavnými doskami, koprocesorom (pokiaľ v systéme je), klávesnicou a tak podobne. So zariadeniami na základnej doske komunikuje prostredníctvom kovových spojov na doskách plošných spojov (sú to tie lesklé čiary na doske). 

Ale ako môžu byť k CPU, k pamätiam atď. pripojené prídavné dosky, ktoré nie sú súčasťou základnej dosky? Prostredníctvom zberníc (busov). Názov bus vznikol z názvu omnibus connector, čo bol konektor používaný už u prvých PC. Štandard konektoru sa ujal pri jednoduchej koncepcii, tzv. Plug and Play, ktorá bola súčasťou modernizácie (upgrade) PC.

Bus je teda akýsi komunikačný štandard, dohoda o tom, ako vyrobiť dosky, ktoré dokážu pracovať v štandardnom PC. Z rôznych dôvodov však nie je vo svete PC iba jeden, ale viac ako pol tucta takýchto štandardov.  

 

Prvá zbernica PC

V prvom modeli PC z roku 1981 bol použitý bus so 62 linkami. Stal sa známy ako bus PC. Tieto linky boli k vonkajšiemu svetu privedené pomocou štandardného konektora. Takéto konektory sa nazývajú prídavné sloty (pozície), pretože prídavné dosky sa musia do týchto slotov zasunovať. Prídavné sloty znamenajú flexibilitu a modernizovateľnosť (upgradeability). 

Môžeme si teraz vysvetliť, čo niekoľko z vyššie spomenutých 62 liniek prvej zbernice PC zabezpečovalo:

Šírka toku dát 

Veľkosť pamäte 

Adresy pamäte alebo vstupu/výstupu 

Prerušenie a kanály priameho prístupu k pamäti 

 

Zbernica AT (ISA) 

Zbernica ISA bola prvý raz použitá v počítačoch s procesorom radu 80286. Bolo to pri vývoji počítača AT, kde bolo pracovníkom IBM jasné, že musia zbernicu skvalitniť. Bolo to aj z toho dôvodu, že 80286 je šestnásťbitový čip, čiže so šírkou prenosu dát 16 bitov. Mohli síce navrhnúť AT s osembitovou zbernicou, ale prečo nevyužiť plnú šírku prenosu dát 16 bitov?

ISA má 16 bitovú dátovú zbernicu a 24 bitovú adresovú zbernicu, 4 kanály DMA a 5 vodičov pre úrovne prerušenia IRQ. Dodržuje spätnú kompatibilitu s predošlou 8 bitovou zbernicou - PC XT bus. Kompatibility je dosiahnuté rozšírením starej 62 vodičovej zbernice o ďalší 36 bitový slot. Zbernica počítača PC AT so 16 bitovou dátovou zbernicou sa stala základom pre štandard ISA (Industry Standard Architecture). Kompatibilita so zbernicou PC XT bola zaručená pridaním ďalšieho 32 kontaktového konektora k pôvodnému 62 kontaktovému, takže pre adaptéry so 16 bitovou dátovou zbernicou je k dispozícii celkom 98 kontaktov. Niektoré signály sú prítomné zdupľované na oboch konektoroch, aby bola zachovaná kompatibilita používania pre adaptéry s 8 bitovou a 16 bitovou dátovou zbernicou.

Schéma zbernice ISA:

 

Zbernice počítačov PS/2: MCA (Micro Channel Architecture - mikrokanál)

V roku 1987 ohlásili pracovníci IBM novú radu počítačov, radu PS/2. Aby zaistili rýchlejší prenos dát vo vnútri počítača a znížili hladinu šumu (ISA je zbernica s vysokou hladinou šumu, čo bol jeden z dôvodov, prečo nebola v priebehu rokov zrýchľovaná), dali počítačom PS/2 Model 50 až 80 novú zbernicu, nazývanú Micro Channel Architecture (MCA) zbernice (mikrokanál). IBM urobila odvážny ťah v tom, že navrhla MCA úplne nekompatibilnú so starou zbernicou ISA. Každý užívateľ PS/2, ktorý kupoval prídavné dosky sa musel presvedčiť, že kupovaná doska je MCA a nie ISA, pretože dosky ISA sú pre počítač so zbernicou MCA k ničomu.

Ako sa dalo očakávať, snažila sa MCA prekonať ISA v jej slabinách. Napríklad MCA beží pri rýchlosti 10 MHz, nie 8 ako ISA a taktiež umožňuje ako šírku 16 bitov, tak aj šírku 32 bitov. Dosku MCA je možné navrhnúť tak, aby zdieľala prerušenie aj s inými doskami, čo taktiež u predchádzajúcej ISA nebolo možné. Ďalšia vec, ktorá sa ako prvá objavila pri zbernici MCA, bolo tzv. zdieľané riadenie zbernice (bus mastering), čo je vlastne spôsob, akým si dosky prenášajú dáta medzi sebou.

 

EISA (Extended Industry Standard Architecture - architektúra rozšíreného priemyslového štandardu)

Ukázalo sa, že zbernica MCA je na trhu málo dôležitá, pretože IBM ju prostredníctvom patentov "zamkla na sedem západov". Iné spoločnosti nemohli preberať MCA bez zaplatenia piatich percent svojho hrubého produktu ako poplatok firme IBM za použitie MCA. Päť percent z obratu, ako sa ukázalo, bolo pravdepodobne viac ako zisky väčšiny spoločností. Preto spoločnosť Compaq prehovorila osem ďalších výrobcov kompatibilných počítačov (skupinu nazývanú "Watchzone" - firmy Wise, AST, Tandy, Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC a Epson) a vytvorila s nimi joint adventure (spoločný podnik), aby spoločne odpovedali na MCA. Nová zbernica dostala názov EISA (Extended Industry Standard Architecture). Mala dobré vlastnosti MCA, bez toho, aby obetovala kompatibilitu so staršou zbernicou AT (ISA). Objavila sa v roku 1989.

Niektoré vlastnosti EISA:

Všimnime si, že EISA nie je lokálna zbernica, pretože beží s frekvenciou 8 MHz. Znamená to, že nie sú možné pamäťové dosky EISA. Počítače so zbernicou EISA buď potrebujú dostatok miesta pre SIMMy na základnej doske, alebo musí výrobca základnej dosky navrhnúť atypický slot pre vlastnú pamäťovú dosku.

 

Lokálna zbernica VESA

Lokálna zbernica vyrástla z určitých neštandardných slotov. Niektorí výrobcovia navrhli na základnej doske zvláštny, veľmi rýchly slot, do ktoré ho mohla byť umiestnená pamäťová doska. To bola prvá lokálna zbernica. O niečo neskôr začali výrobcovia používať lokálnu zbernicu aj pre grafické karty, ktoré k tejto zbernici dodávali. Problém bol v nekompatibilite. Grafická karta pre lokálnu zbernicu v jednom počítači bola nekompatibilná s grafickou kartou pre lokálnu zbernicu v inom počítači. Pretože tento nedostatok brzdil rozvoj trhu s grafickými kartami, jedna priemyslová skupina vyhlásila a podporila štandard zbernice. Odtiaľ aj názov VESA, podľa mena tejto spoločnosti - Video Electronic Standards Association.

Lokálna zbernica VESA (VLB) je dôležitým krokom vo vývoji počítačov, ale to nestačí. VLB je len 32bitové, veľmi rýchle rozšírenie starej architektúry ISA. Ponúka síce zvýšenú rýchlosť, nie však spôsob ako túto rýchlosť využiť. Neponúka programové nastavenie dosiek (setup) ani bus mastering. Zrýchlenie počítačov by tak vyžadovalo takmer nemožný technologický rozvoj, spočívajúci vo vytvorení lacného a spoľahlivého procesora, bežiaceho s frekvenciou stoviek megahertzov.

 

PCI: Vysoko výkonná zbernica od Intelu

Spoločnosť Intel si bola vedomá toho, že zbernice, podporujúce bus mastering, sú podporované systémami zloženými z desiatok stredne rýchlych procesorov - jeden na radiči disku, jeden na grafickej karte, jeden na sériovom porte atď. Aký je z toho vôbec úžitok? Sústava 33megahertzových procesorov by bola podstatne rýchlejšia ako prísne centralizovaný systém , závislý na krehkom, superrýchlom CPU.

Tak vyvinul Intel novú, rýchlejšiu zbernicu, nazvanú PCI (Perpheral Component Interconnect - prepojene prídavných súčastí).

Zbernica PCI už nie je klasickou lokálnou zbernicou ako VLB, ale je k systémovej zbernici pripojená cez tzv. medzizbernicový môstik (na obrázku nižšie), čo ju umožňuje prispôsobiť pre napäťové úrovne iných procesorov. PCI je zbernicou so šírkou prenosu 64 bitov. Možno ju použiť aj pre prenosy 32 bitov v počítačoch s procesorom 80486. Maximálna frekvencia s ktorou môže zbernica pracovať je 33 MHz, čím je zabezpečená priepustnosť zbernice 264 MB (64 bit * 4 inštrukčné kanály). PCI zbernica podporuje bus mastering. Ďalej podporuje štandard plug-and-play, ktorý dovoľuje jednoduchú konfiguráciu kariet pre PCI, poprípade ich automatickú konfiguráciu bez zásahu užívateľa.

Schéma zbernice PCI:

 

Univerzálna sériová zbernica USB

V roku 1995 dohodou firiem Intel, Compaq, IBM, Microsoft, NEC, Digital Equipment a Northern Telecon sa začal vývoj štandardu - Univesal Serial Bus. Cieľom bolo vytvoriť jednoduché, univerzálne, ľahko používateľné, lacné a hlavne rýchle sériové rozhranie na pripojenie periférnych zariadení k počítaču . V roku 1999 sa pokračoval vývoj novej špecifikácie rozhrania USB s označením 2.0. Jeho hlavnou prednosťou je ďalšie zvýšenie prenosovej rýchlosti a spätná kompatibilita s USB 1.1.

Po implementácii USB zmiznú zo zadných panelov PC konektory na pripojenie klávesnice, paralelných a sériových portov, MIDI, rozhrania SCSI a pod. USB umožňuje pripojenie až 127 zariadení hviezdicovou topológiou (cez rozbočovač - hub) s maximálnou dĺžkou individuálneho kábla 5 m (údaje sa prenášajú po zbernici sériovým spôsobom bit po bite).

USB kontrolór v architektúre PC:

Typy prenosu USB môžeme rozdeliť do štyroch skupín: 

 

FireWire - rýchle dátové rozhranie

Prakticky každá dnešná digitálna videokamera má výstup digitálneho signálu podľa normy IEEE 1394, nazývaného FireWire (žeravý drôt), väčšina bežných počítačov však nie je vybavená príslušným vstupom. Predpokladalo sa, že väčšina užívateľov PC si vystačí s doterajšími pomalými vstupmi (pôvodne len sériovým a paralelným rozhraním, neskôr s o niečo rýchlejším rozhraním USB), tí ostatní si museli dokupovať drahé prídavné karty s rozhraním FireWire.

Absencia FireWire v počítačoch je trocha paradoxom technického vývoja. Toto rozhranie vyvinuli firmy Apple Macintosh a Hewlett - Packard už pred rokmi, nie však pre potreby digitálneho videa ale ako bežné rozhranie pre prenosy veľkých objemov dát. Navzdory snahám firmy Macintosh sa do počítačov presadilo rozhranie USB a nie IEEE 1394 a to napriek tomu, že je výrazne pomalšie: oproti FireWire s až 400 Mb/s docieľuje rýchlosť prenosu len 12 Mb/s.

FireWire má okrem rýchlosti a j ďalšie prednosti. Zariadenia možno k tomuto rozhraniu napríklad pripojovať a odpojovať za chodu počítača (hot pluggable). Na jediný port počítača umožňuje IEEE 1394 pripojiť až 63 periférnych zariadení. Niektorí výrobcovia videokamier (predovšetkým Sony) používajú namiesto FireWire jeho odvodenú verziu iLink. Líši sa prakticky len tým, že prepojovači kábel nie je 6 žilový ale len 4 žilový - chýbajú napájacie vodiče.

 

Technológia "Bluetooth"

Technológia Bluetooth (Modrozub- názov podľa Vikingského kráľa) sa začala vyvíjať už v roku 1994, keď mala nahradiť infračervený prenos dát, v dosahu pokrývajúcom minimálne jednu celú miestnosť tak, že komunikujúce zariadenia nemusia na seba "vidieť". Prvé prototypy zariadení s Bluetooth prišli na trh v roku 1998, skutočný masový nástup tejto technológie možno považovať až rok 2002.

Bluetooth je otvorený svetový štandard na bezdrôtovú výmenu údajov medzi dvoma alebo viacerými zariadeniami. Dôvodom vývoja tejto technológie bolo úsilie vyvinúť bezdrôtovú komunikačnú technológiu, ktorá by sa vyznačovala nízkou cenou, nízkou spotrebou elektrickej energie, malými rozmermi a globálnou dostupnosťou. Na synchronizáciu údajov medzi počítačmi a zariadeniami (aj inteligentným telefónom) im totiž postačuje dostať sa do dosahu komunikačného zariadenia a aktivovať prenos údajov.

Výhodou technológie Bluetooth oproti dnes už bežnému infračervenému pripojeniu je rýchlejší dátový prenos, väčší dosah aj bez podmienky priamej viditeľnosti, resp. bez dodržiavania relatívne úzkeho vyžarovacieho uhla komunikujúcich zariadení. Odpadajú tak starosti s tým, že sa komunikácia náhodne preruší práve preto, že poloha zariadení sa náhodne zmení.

Na vývoji a nasadení technológie Bluetooth sa podieľali popredné počítačové a telekomunikačné firmy (3Com, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba, Ericsson). Podpora pre tento štandard je integračnou súčasťou operačných systémov (Windows XP, Apple Mac OS). Doménou na nasadenie Bluetooth sú mobilné zariadenia - vreckové počítače, mobilné telefóny, prenosné tlačiarne atď. Rovnako sa Bluetooth využíva v diaľkovom ovládaní rozličných elektronických zariadení - napr. hi-fi veží, televízory, na pripojenie klávesníc a myší ako aj na zber údajov z vreckových počítačov v teréne.

 


Poznámka: Všetky obrázky boli použité so súhlasom autora servera http://wano.euweb.cz 


Zdroje:  

http://wano.euweb.cz/hardware/zbernica.htm

Mark Minasi - Velký pruvodce PC hardwarem . Z 8. vydania anglického originálu "The Complete Upgrade & Maintenance Guide" vydaného v roku 1997 nakladateľstvom SYBEX Inc., Almeda, United States of America.


Autor eseje: Lukáš Krempaský, UČO: 139748