Шина PCI

Шина PCI — это стандарт компьютерной шины, предназначенный для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера. Разработанная компанией Intel в 1992 году, шина PCI (Peripheral Component Interconnect — «взаимосвязь периферийных компонентов») пришла на смену устаревшим шинам ISA и VLB и на протяжении 1990-х — начала 2000-х годов являлась основным интерфейсом для установки внутренних плат расширения (видеокарт, звуковых карт, сетевых адаптеров, контроллеров). Стандарт PCI обеспечивал синхронную, параллельную передачу данных с высокой для своего времени пропускной способностью, а также поддерживал технологию Plug and Play (автоматическое конфигурирование устройств). Впоследствии был вытеснен последовательными интерфейсами PCI Express, но остаётся актуальным для совместимости с устаревшим оборудованием.

История развития

Предпосылки создания

К началу 1990-х годов шина ISA (Industry Standard Architecture), разработанная в 1981 году, перестала удовлетворять требованиям производительности. Её тактовая частота составляла 8 МГц, а разрядность — 8 или 16 бит, что давало пропускную способность не более 8 Мбайт/с. Появившаяся в 1992 году шина VLB (VESA Local Bus) была привязана к процессорам 486 и не обеспечивала совместимости с новыми процессорами Pentium. Intel, стремясь создать универсальный и масштабируемый стандарт, предложила шину PCI.

Первое поколение (PCI 1.0 и 2.0)

Первая спецификация PCI 1.0 была выпущена в июне 1992 года. Она определяла 32-битную шину с тактовой частотой 33 МГц, что обеспечивало пиковую пропускную способность 133 Мбайт/с. В 1993 году вышла версия 2.0, которая добавила поддержку 64-битной шины и частоты 66 МГц (пропускная способность до 533 Мбайт/с). Шина PCI стала стандартом для материнских плат на базе процессоров Intel Pentium и AMD K5/K6.

Развитие и расширение (PCI 2.1–2.3)

Версии 2.1 (1995) и 2.2 (1998) ввели поддержку напряжения 3,3 В (наряду с 5 В), что позволило снизить энергопотребление. Спецификация 2.3 (2002) уточнила требования к сигналам и совместимости. В этот период появились варианты шины для мобильных устройств (Mini PCI) и серверных систем (PCI-X).

Закат эпохи (PCI 3.0 и переход к PCI Express)

Последняя версия классического параллельного PCI — 3.0 — была выпущена в 2004 году. Она не внесла существенных изменений в пропускную способность, так как параллельная архитектура достигла физических ограничений по частоте и синхронизации. На смену PCI пришёл последовательный интерфейс PCI Express (PCIe), представленный в 2004 году. Однако из-за огромной установленной базы устройств шина PCI продолжала использоваться в материнских платах до середины 2010-х годов, особенно в бюджетных и промышленных компьютерах.

Архитектура и принцип работы

Топология

Шина PCI представляет собой параллельную шину с разделяемыми линиями данных и адреса. Устройства подключаются к ней через слоты расширения на материнской плате или встраиваются непосредственно в микросхемы (например, южный мост). Топология — многоточечная (multi-drop), то есть несколько устройств могут одновременно «видеть» шину, но передача данных осуществляется по принципу «один говорит — все слушают».

Сигналы и протокол

Шина использует 32 или 64 линии данных (AD[31:0] или AD[63:0]), а также линии адреса, управления и прерываний. Передача данных происходит синхронно по положительному фронту тактового сигнала (CLK). Протокол включает фазы адресации (выбор устройства) и данных (чтение/запись). Поддерживается пакетный режим (burst mode), при котором за одной адресной фазой следует несколько тактов передачи данных, что повышает эффективность.

Plug and Play

Одной из ключевых особенностей PCI стала поддержка технологии Plug and Play (PnP). При включении компьютера BIOS или операционная система опрашивает все устройства на шине, считывает их идентификаторы (Vendor ID, Device ID) и выделяет им ресурсы: адресное пространство памяти, порты ввода-вывода и линии запросов прерываний (IRQ). Это избавило пользователя от ручной настройки перемычек (джамперов), характерной для ISA.

Классификация и разновидности

По разрядности и напряжению

• 32-битная шина (5 В) — классический вариант, использовавшийся в настольных ПК с 1993 по 2005 годы. Слоты имели два ключа (выреза в разъёме) для предотвращения установки неподходящих карт.
• 64-битная шина (3,3 В и 5 В) — применялась в серверных и рабочих станциях (например, в системах на базе процессоров Alpha и PowerPC). Слоты длиннее (два сегмента контактов).
• Универсальные слоты — поддерживают карты обоих напряжений, но имеют один ключ, расположенный по центру.

По тактовой частоте

• 33 МГц — стандартная частота для большинства устройств.
• 66 МГц — использовалась в высокопроизводительных видеокартах и серверных контроллерах, но требовала более коротких линий и качественной разводки.

Специализированные варианты

• PCI-X — расширение PCI для серверов, работающее на частотах до 133 МГц и обеспечивающее пропускную способность до 1,06 Гбайт/с. Обратно совместимо с обычными картами PCI.
• Mini PCI — компактный форм-фактор для ноутбуков и встраиваемых систем. Имеет 124 контакта и меньшие размеры.
• CardBus — 32-битная версия шины PCMCIA для ноутбуков, основанная на PCI.
• CompactPCI — промышленный стандарт с усиленными разъёмами и поддержкой горячей замены.

Технические характеристики

Применение

В настольных компьютерах

Шина PCI использовалась для подключения:

• Видеокарт (до появления AGP и PCI Express).
• Звуковых карт (Creative Sound Blaster, C-Media).
• Сетевых карт (Ethernet 10/100 Мбит/с).
• Модемов (внутренних аналоговых и ISDN).
• Контроллеров (USB, FireWire, SCSI, IDE/ATA).
• ТВ-тюнеров и плат видеозахвата.

В серверах и рабочих станциях

• Сетевые контроллеры (Gigabit Ethernet, Fibre Channel).
• RAID-контроллеры (для организации дисковых массивов).
• Графические ускорители (для профессиональной 3D-графики).

В промышленности и встраиваемых системах

• CompactPCI — для телекоммуникационного оборудования, измерительных приборов, систем управления.
• Mini PCI — в одноплатных компьютерах, маршрутизаторах, медицинской технике.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Стандартизация — единый интерфейс для множества устройств.
• Plug and Play — автоматическое конфигурирование.
• Bus Mastering — устройства могут управлять шиной без участия процессора.
• Низкая стоимость — простота производства и широкое распространение.

Недостатки

• Параллельная архитектура — ограничение по частоте (не более 66 МГц) и длине линий.
• Разделяемая шина — пропускная способность делится между всеми устройствами, что снижает производительность при большом количестве активных карт.
• Сложность синхронизации — при высоких частотах возникают проблемы с задержками и отражениями сигналов.
• Ограниченная пропускная способность — 133–533 Мбайт/с недостаточно для современных видеокарт и SSD-накопителей.

Сравнение с PCI Express

Интересные факты

• Шина PCI была первой шиной, в которой реализована поддержка 64-битной адресации (через механизм DAC — Dual Address Cycle).
• В некоторых материнских платах для процессоров Pentium 4 использовались слоты PCI, работающие на частоте 33 МГц, но с возможностью синхронизации с шиной FSB (Front Side Bus) для повышения производительности.
• Стандарт PCI был разработан консорциумом PCI Special Interest Group (PCI-SIG), который впоследствии также разработал PCI Express.
• В России шина PCI широко применялась в промышленных компьютерах и системах управления, в том числе в оборудовании для автоматизации технологических процессов.

Источники

• PCI Local Bus Specification, Revision 2.3 (2002), PCI-SIG.
• PCI-X Protocol Addendum, Revision 1.0a (2000), PCI-SIG.
• Intel Corporation. «PCI System Architecture», 4th Edition, MindShare, 1999.
• Таненбаум Э., Остин Т. «Архитектура компьютера», 6-е издание, 2013.
• Документация на материнские платы и чипсеты (Intel 440BX, Intel 810, VIA Apollo Pro).