Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных. Масштабируемость шины достигается кратным (1, 2, 4, 8, 16, 32) увеличением числа линий. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит. При необходимости 2 бита используются для контроля за целостностью данных. Тем самым реализуется концепция обмена данными «точка - точка». Теоретически полоса пропускания самого узкого канала достигает 2,5 Гбит/с в каждом направлении. С внедрением в микросхемы технологии медных соединений ожидается увеличение пиковой пропускной способности до 10 Гбит/с. На уровне данных формируются пакеты для передачи по выделенному каналу и добавляется контрольная сумма. На уровне транзакций определяется готовность буфера принимающего устройства, адресуется и пересылается пакет, проверяется его получение и происходит повтор при обнаружении сбоя. Система адресации и команд включает три стандартных поля, совместимых с интерфейсом РСI (область памяти, адрес ввода-вывода, инициализации и конфигурирования), а также дополнительное поле сообщений (Message). В данном поле размещаются команды, требующие немедленного выполнения: приоритетного выделения канала, прерывания, сброса и пр. На уровне драйверов и приложений архитектура PCI Express полностью совместима с интерфейсом PCI и потому является «прозрачной для любой операционной системы, поддерживающей PCI. Тем самым обеспечена поддержка спецификаций ACPI и Plug-and-Play без какой-либо доработки общих программных компонентов. Помимо оконечных устройств архитектурой интерфейса предусмотрено наличие контроллеров (Host), мостов (Bridge) и коммутаторов (Switch), что позволяет организовать сложную топологию каналов и обеспечить совместимость с другими интерфейсами.

Интерфейс AGP

Фирма Intel, обнаружив, что дальнейшее повышение производительности персонального компьютера «упирается» в видеоподсистему, уже сравнительно давно предложила выделить для передачи потока видеоданных отдельную интерфейсную шину - AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Буквально за год этот стандарт вытеснил существовавшие ранее интерфейсы, использовавшиеся видеокартами: ISA, VLB и PCI. Главным преимуществом новой шины стала ее высокая пропускная способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5,5 Мбайт/с, VLB -до 130 Мбайт/с (однако при этом чрезмерно загружала центральный процессор), а PCI до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет пиковую пропускную способность до 2132 Мбайт/с (в режиме передачи 32-разрядных слов).

Компания Intel разрабатывала интерфейс AGP для решения двух основных проблем, связанных с особенностями обработки ЗD-графики на персональном компьютере.

Во-первых, трехмерная графика требует выделять как можно больше памяти для хранения данных текстур и Z-буфера. Чем больше текстурных карт доступно для ЗD-приложений, тем лучше выглядит картинка на экране монитора. Обычно для Z-буфера используют ту же память, что и для текстур. Разработчики видеоконтроллеров и раньше имели возможность использовать обычную оперативную память для хранения информации о текстурах и Z-буфере, но серьезным ограничением здесь выступала пропускная способность шины РСI. Ширина полосы пропускания PCI оказалась мала для обработки графики в режиме реального времени. Эту проблему компания Intel решила путем внедрения стандарта шины AGP.
       Во-вторых, интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Таким образом, выполняются требования вывода ЗD-графики в режиме реального времени и, кроме того, более эффективно используется память буфера кадра (frame buffer), тем самым увеличивается скорость обработки 2D-графики. В действительности шина AGP соединяет графическую подсистему с контроллером системной памяти, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP возможно подключение единственного типа устройств - графических плат. При этом видеоконтроллеры, встроенные в материнскую плату и использующие интерфейс AGP, не подлежат модернизации. Для контроллера AGP конкретный физический адрес, по которому информация хранится в оперативной памяти, не имеет значения. Это является ключевым решением новой технологии, обеспечивая доступ к графическим данным как к единому блоку памяти. 

Спецификация AGP фактически базируется на стандарте PCI версии 2.1, но отличается от него следующими основными особенностями, коренным образом влияющими на производительность:

• шина способна передавать два (AGP2x), четыре (AGP4x) или восемь (AGP8x) блоков данных за один цикл;
• устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления материнских плат адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
• конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP работает в двух основных режимах: DIME (Direct Memory Execute) и DMA (Direct Memory Access). В режиме DMA основной памятью считается память на карте. Текстуры могут храниться в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Таким образом, интерфейс AGP действует в качестве «подносчика патронов» (текстур) к огневой позиции (в локальную память). Обмен ведется большими последовательными пакетами данных.

В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной памяти. Таким образом, приходится передавать сравнительно небольшие случайно расположенные куски. Поскольку системная память требуется и другим устройствам, она выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт. Поэтому для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен специальный механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса блоков в системной памяти. Эта задача выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Адреса, не попавшие в диапазон GART (GART range), не изменяются и непосредственно отображаются на системную память или область памяти устройства (device specific range). Точная спецификация на правила функционирования GART не определена, и конкретное решение зависит от управляющей электроники видеокарты. Шина AGP поддерживает все стандартные операции шины PCI, поэтому поток данных по ней можно представить как смесь чередующихся AGP и РСI-операций чтения/записи. Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных. Такой подход позволяет AGP-устройству генерировать очередь запросов, не дожидаясь завершения текущей операции. Версия AGP 2.0 благодаря использованию низковольтных электрических спецификаций предусматривает осуществление четырех транзакций (пересылок блока данных) за один такт (режим AGP4x). Версия AGP 3.0 предусматривает пересылку уже восьми блоков данных за такт (режим AGP 8x). В настоящее время, хотя даже возможности AGP4x еще не исчерпаны многими видеокартами, компания Intel продвигает новую спецификацию — AGP Pro. Основное отличие этого интерфейса заключается в возможности управления мощным энергопитанием. С этой целью в разъем AGP Pro добавлены новые линии. Предполагается, что будет существовать два типа карт нового стандарта — High Power и Low Power. Карты High Power могут потреблять от 50 Вт до 110 Вт. Естественно, они потребуют хорошего охлаждения. С этой целью спецификация требует наличия двух свободных слотов PCI со стороны размещения основного набора микросхем видеокарты. Эти разъемы могут использоваться для устройств охлаждения видеокарты, подвода дополнительного питания и даже для обмена по шине PCI Карты Low Power могут потреблять 25-50 Вт, поэтому для обеспечения охлаждения требуется наличие одного свободного слота PCI. В картах AGP Pro появляется специальная накладка шириной в 3 или 2 слота, при этом вся конструкция выглядит устрашающе. Отметим, что интерфейс AGP Pro предназначен для графических станций и на обычных PC вряд ли потребуется. Если только не использовать его для отопления... К исходу 2002 года в массовом количестве появились чипсеты, поддерживающие интерфейс AGP версии 3.0 (иногда обозначается как AGP 8x). Двукратное увеличение пропускной способности достигнуто за счет повышения тактовой частоты шины до 66 МГц и применения нового уровня сигналов 0,8 В (в AGP 2.0 использовался уровень 1,5 В). Тем самым при сохранении основных параметров интерфейса удалось повысить пропускную способность шины примерно до 2132 Мбайт/с. Хотя разъем сохранился прежним, механически совместимым с AGP 2.0, его электрические характеристики изменились благодаря снижению напряжения на сигнальных линиях. Таким образом, видеокарты стандарта AGP 3.0 не будут работать со старыми чипсетами, что потребует замены системной платы. В связи со все более широким проникновением трехмерной графики в различные программные продукты в обозримой перспективе встает вопрос о повышении пропускной способности шины видеокарты. Претендентами на замену AGP выступают новые универсальные интерфейсы локальной шины: HyperTransport и PCI Express. Однако, несмотря на появление чипсетов с поддержкой Hyper Transport, производитель видеокарт не планируют «бегства» с шины AGP.

Интерфейс IDE (ATA)

За долгую историю развития интерфейса IDE (Integtated Drive Electronics — электроника, интегрированная в накопитель) появилось множество обозначений его стандартов. Начнем с уже далеких 80-х годов, когда фирма IBM выпустила компьютер спецификации AT (Advanced Technology — передовая технология). Винчестер этого компьютера был подсоединен к 16-битной шине ISA и управлялся собственным контроллером. Крупнейший производитель жестких дисков фирма Western Digital предложила управляющую электронику встроить в сам винчестер. Согласованный стандарт на такой интерфейс получил название ATA (AT Attachment — подключение к AT) и обеспечил возможность модернизации путем простой замены (или добавления) жестких дисков. Чуть позднее появилось обозначение этого же интерфейса IDE. Ныне под аббревиатурой IDE часто подразумевают вообще все устройства, совместимые с интерфейсом ATА «сверху вниз»: Fast ATA, EIDE, Ultra ATА и прочие. Спецификация ATА определила, что к одному каналу можно подключать два устройства (Master и Slave). Установила режимы обмена данными РIO (О, 1, 2, 4, 5) и DMA (SW О, 1. 2 и MWO).

Режим PIO (Programmed Input-Output — программный ввод-вывод) предусматривает участие центрального процессора в обмене данными между диском и оперативной памятью. В режиме DMA (Direct Memory Access — прямой доступ к памяти) устройство напрямую общается с системной памятью, перехватывая управление шиной. Протоколы SW (Single Word — однословный) и MW (Multi Word — многословный) определяют, в каком виде передаются данные. Номера режимов указывают на продолжительность цикла обмена и, тем самым, на скорость передачи данных (например, 1 — 240 нc, 2 — 180 нc). В сокращенном виде обычно это записывают так: SW2 DMA. MW1 DMA, PIO2 и т. д. Особенности 16-битной адресации шины ISA не позволяли поддерживать жесткие диски объемом свыше 528 Мбайт.

Интерфейс ATА не мог обеспечить подключения никаких других устройств, кроме жестких дисков. Между тем появились новые компоненты: дисководы CD-ROM, магнитооптика, стримеры, — каждый из которых оснащался собственным интерфейсом от производителя и обычно требовал подключения к слоту ISA уникальной карты расширения, несовместимой с другими устройствами. К тому же и скорость жестких дисков значительно выросла, и режимы, предусмотренные ATА, уже не удовлетворяли современным требованиям. Так появился стандарт на интерфейс ATА-2, который устанавливал более скоростные протоколы РIO (3 и 4), MW DMA (1 и 2), определял новый режим обмена данными Block transfer (передача блоками) и адресацию дискового пространства LBA (Logical Block Addressing — адресация логическими блоками). Кроме того, были расширены команды идентификации диска, выдающие информацию по системным запросам о характеристиках устройства. Как уже говорилось, интерфейс IDE/ATА даже в самых последних реализациях остается 16-битным. Шина же PCI, к которой подключены IDE-контроллеры чипсета материнской платы, является 32-разрядной. Поэтому контроллер составляет из двух переданных подряд 16-битных пакетов один 32-битный и пересылает его дальше по шине. Ясно, что даже в самом скоростном режиме 16-битный пакет, отправляемый с жесткого диска, тормозит работу системы. Именно поэтому для высокопроизводительных устройств предпочитают диски с интерфейсом SCSI. В 1997 г. был принят очередной стандарт АТА-3, фактически имевший, по сравнению с АТА-2, единственный новый элемент — так называемую технологию S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology — технология самотестирования и анализа). По режимам обмена данными АТА-3 полностью соответствует АТА-2. Существенным шагом вперед в развитии интерфейса стало появление протокола ATAPI (ATA Packet Interface — пакетный интерфейс АТА). Он обеспечивал подключение к каналу IDE компонентов, отличных от жестких дисков. При этом с точки зрения пользователя разницы в доступе к устройствам различного типа не было. Протокол АТАРI требует соответствующей поддержки со стороны BIOS, причем последние версии BIOS могут назначить любое устройство, присоединенное по протоколу ATAPI, загрузочным. Протокол вошел в новый стандарт ATA/ATAPI-4, утвержденный в 1998 г.

Протоколы обмена данными также пополнились новыми стандартами: режимом Ultra DMA mode 2 и режимом коррекции ошибок по контрольной сумме (CRC — Cyclic Redundancy Check). Кроме того, появились многозадачные режимы, то есть режимы параллельного выполнения команд и создания очередей двумя устройствами на одном канале IDE (правда, с существенными ограничениями). Жесткие диски ATA/ATAPI-4 выпускались под обозначением Ultra АТА-33. Достаточно стройную и целостную систему интерфейсов АТА, описанную выше, не преминули запутать конкурирующие между собой производители жестких дисков и других носителей информации. Для того чтобы выделить свою продукцию на рынке, они придумали собственные названия интерфейсов. Первой по этому пути пошла компания Seagate, придумавшая название Fast ATА. На самом деле ее продукт отличается от АТА-2 как раз отсутствием самых быстрых режимов обмена (РIO4 и MW2 DMA). Фирма Quantum «изобрела» название Fast АТА-2 для своего интерфейса, ничем не отличающегося по существу от стандарта АТА-2. Больше всех ситуацию запутала компания Western Digital, с чьей легкой «руки» появилось обозначение EIDE (Enhanced IDE — улучшенный IDE). Этот термин и сейчас достаточно широко применяется как в компьютерной индустрии, так и продавцами комплектующих. Если же попытаться определить отличия EIDE от АТА-2, то выясняются удивительные вещи. Оказывается, EIDE целиком включает все спецификации АТА-2 и протокола ATAPI. Таким образом, выражение «жесткий диск с интерфейсом EIDE» по смыслу равнозначно фразе «жесткий диск с интерфейсом АТА-2». Тогда чем же отличается EIDE? Дело в том, что WD придумала хост-адаптер Dual IDE/ATА, позволяющий использовать до четырех устройств. Однако такой адаптер никакого отношения к собственно стандарту на интерфейс IDE не имеет и является для любого компонента IDE/ATА внешним устройством, обеспечивающим обычное функционирование согласно стандартам.

В 1999 г. был принят стандарт ATA/ATAPI-5, а большинство производителей поддержали его реальными продуктами. Протокол Ultra АТА-66 нового стандарта оговаривал режим передачи данных со скоростью до 66 Мбайт/с (спецификация Ultra DMA mode 4). Для подключения таких дисков понадобились новые шлейфы (с чередованием сигнальных проводников и линий, замкнутых на «землю»), имеющие 80 проводников, совместимые, к счастью, с существующими 40-контактными разъемами IDE. Исследования, проводившиеся многими фирмами, позволили еще более расширить полосу пропускания устройств IDE, использующих новый 80-жильный шлейф. Так появилась спецификация АТА/ATAPI-6, определяющая требования к жестким дискам и интерфейсу с пиковой пропускной способностью до 100 Мбайт/с (режим Ultra DMA mode 5). В частности, предусмотрено увеличение LBA с 32 до 64 бит. Поддержка особых режимов передачи потокового видео, меры по уменьшению шумности дисков. Жесткие диски с интерфейсом АТА/ATAPI-6 сейчас представлены достаточно широко и обычно обозначаются продавцами как ATА-100. Возможности дальнейшего совершенствования параллельного интерфейса IDE, несмотря на появление жестких дисков UltraATA-133 практически исчерпаны и потому в качестве перспективного направления рассматривается последовательный интерфейс Serial АТА.

Официальная спецификация на Serial ATA появилась в 2002 году, а годом ранее были представлены первые жесткие диски с новым интерфейсом. Чипсеты на системных платах с поддержкой Serial ATA впервые увидели свет осенью 2002 года. Для прежних системных плат необходимо иметь отдельный контроллер, устанавливаемый в слот PCI, что означает ограничение производительности.

Главное отличие нового интерфейса состоит в принципиально ином — последовательном — способе обмена данными. Данные передаются по восьмижильному кабелю, уровень сигналов составляет 3,3 В. На сегодняшний день реализация интерфейса позволяет достичь пиковой пропускной способности 1,5 Гбит/с (примерно 187 Мбайт/с), однако разработчики обещают в ближайшем времени увеличить этот показатель вдвое. Таким образом, наконец-то полоса пропускания внешнего интерфейса будет соответствовать скорости внутренней передачи данных (между собственно диском и буфером) жестких дисков. Первой летом 2000 г. представила жесткий диск с интерфейсом Serial ATA фирма Seagate.

С точки зрения пользователя интерфейс Serial ATA предоставит ряд преимуществ.

Во-первых, впервые появятся дешевые жесткие диски, превосходящие по производительности многие устройства с интерфейсом SCSI.

Во-вторых, предусмотрено автоматическое конфигурирование компонентов (к одному кабелю можно подсоединить несколько устройств), подключаемых к Serial ATA: жестких дисков, CD-ROM/ RW и DVD/CD приводов, накопителей со съемными носителями (Zip. Orb, Jazz, LS-120, магнитооптика) и других внутренних устройств.

В-третьих, из системного блока исчезают шлейфы, сильно затрудняющие доступ к компонентам и мешающие цир