Một số khái niệm về bus hệ thống PC

Hôm nay lang thang kiếm được bài này tuy cũ nhưng mình thấy cũng rất hữu ích , máy bác tham khảo nếu thấy hay mình sẽ đưa vào mục chú ý.

Là hệ giao thông huyết mạch của cả hệ thống máy tính, bus thường được giới công nghiệp đầu tư nâng cấp, mở rộng để bắt kịp nhu cầu ứng dụng thực tiễn.

Hệ thống máy tính ngày nay vẫn được cấu thành từ 3 bộ phận cơ bản là bộ xử lý, bộ nhớ và thiết bị ngoại vi; không thay đổi nhiều so với kiến trúc máy tính đầu tiên do IBM thiết kế. Để chuyển tải dữ liệu giữa các bộ phận, nhiều tuyến mạch kết nối đã được lập ra. Do có chức năng tương đồng với tuyến xe buýt (bus) trong cuộc sống mà tuyến mạch kết nối này cũng được đặt tên là bus.

Hệ thống máy tính hiện đại xây dựng và phát triển dựa trên hai hệ thống bus chủ đạo: System Bus (bus hệ thống) - nối kết từ bộ xử lý đến bộ nhớ chính, bộ đệm cấp 2 (cache level 2) - và I/O Bus (bus ngoại vi) - nối kết thiết bị ngoại vi với bộ xử lý thông qua cầu chipset. Trong hơn một thập kỷ qua, bus hệ thống được đặt cho khá nhiều tên mới như bus chính (main bus), bus bộ xử lý (processor bus) hoặc bus cục bộ (local bus). Tương tự, bus ngoại vi (I/O bus) cũng có thêm tên mới là bus mở rộng (expansion bus), bus ngoại vi (external bus) và bus chủ (host bus).

Trong kiến trúc Dual Independent Bus (DIB - hai tuyến bus độc lập), bus hệ thống dùng chung được tách thành Frontside Bus (FSB - tuyến bus trước) và Backside Bus (BSB - tuyến bus sau). FSB là nhịp cầu quan trọng nối bộ xử lý với bộ nhớ chính và tuyến bus ngoại vi. Trong khi BSB chỉ tập trung chuyển tải dữ liệu giữa bộ xử lý với bộ đệm thứ cấp. Tách bus hệ thống thành 2 kênh độc lập góp phần tăng hiệu năng xử lý nhờ cho phép bộ xử lý truy xuất đồng thời trên cả hai kênh giao tiếp quan trọng. Đôi lúc, thuật ngữ FSB và system bus được xem là một.

Bus ngoại vi có nhiều dạng khác nhau và dần dần chuyên biệt hóa theo yêu cầu của ứng dụng. ISA Bus thuộc loại lâu đời nhất và đã bị thay thế hoàn toàn từ giữa năm 2000. PCI Bus được giới thiệu lần đầu trong hệ thống Pentium vào năm 1993. AGP là chuẩn bus được thiết kế để đáp ứng yêu cầu băng thông của xử lý đồ họa. PCI Express mới nhất có khá nhiều ưu điểm, đặc biệt là không gây xáo trộn lớn lên kiến trúc PCI hiện tại, đang được triển khai để kịp ra mắt vào năm 2004.

ISA




Lần xuất hiện đầu tiên trên máy tính, bus ISA được thiết kế ở dạng 8bit, sử dụng tần số 4,77MHz (bằng với xung bộ xử lý). Sau nhiều năm cải tiến, chuẩn được chính thức công nhận và mang tên Industry Standard Architecture (ISA) vào năm 1982. Trong hệ thống IBM PC/AT 80286, bus ISA được nâng lên 16bit. Vào lúc này, tốc độ bus hệ thống mới chỉ đạt 6MHz; sau đó không lâu thì đạt 8MHz.
Bus ISA dùng giao tiếp 16bit, xung 8MHz (mức xung chuẩn của bộ xử lý) và đạt tốc độ truyền dữ liệu trên lý thuyết là 16MBps. Tuy nhiên, tốc độ thực tế bị giảm đi một nửa (còn 8MBps) vì cần dành 1 đường bus cho địa chỉ và một đường bus khác cho dữ liệu 16bit. Thiết bị dùng khe mở rộng ISA phát triển cho đến cuối thập niên 1990 bởi vì khả năng đáp ứng của thiết bị ngoại vi lúc này mới chỉ ở mức 5MBps.

Nhưng khi bộ xử lý trở nên nhanh hơn và cần băng thông dữ liệu lớn hơn thì chuẩn ISA không đáp ứng nổi. Cuối thập niên 90, hầu hết card ISA còn lại đều chỉ mang tính đại diện cho công nghệ 8bit. Các thiết bị dùng đường truyền 16bit như bộ điều khiển đĩa cứng, bộ xử lý đồ họa và card mạng bắt đầu cảm thấy "chật chội" trong giới hạn băng thông của ISA. Cái chết của ISA đã được chính thức văn bản hóa trong tài liệu PC99 System Design Guide do Intel và Microsoft biên soạn vào năm 1999.
Có khá nhiều lĩnh vực cần đến tốc độ nhanh hơn ISA như hiển thị đồ họa độ phân giải cao, chiếu phim và hoạt ảnh; ngoài ra, tốc độ đĩa cứng và giao tiếp mạng cũng đã vượt qua mức đáp ứng của ISA.

Chuẩn thay thế đầu tiên được đưa ra là Micro Channel Architecture (MCA), sản phẩm của IBM, có đặc tả gần giống với Extended ISA (EISA) phát triển bởi các đối thủ của IBM. Cả hai hệ thống hoạt động với tần số tương ứng là 10MHz và 8MHz nhưng cùng hỗ trợ giao tiếp 32bit và đạt băng thông 20MBps. Tên gọi của chuẩn cũng phần nào thể hiện bản chất của chúng: EISA chuyển đổi được với ISA trong khi MCA thì không tương thích.
Cuối cùng, cả hai chuẩn đều không có được cơ hội phát triển lớn mạnh như mục tiêu thiết kế vì chi phí chuyển đổi quá cao. Phạm vi ứng dụng chủ yếu của chúng là máy chủ tập tin lớn.

BUS cục bộ
Thiết kế bo mạch chủ Intel 80286 cho phép khe cắm mở rộng hoạt động tại tần số khác với bộ xử lý. Tuy nhiên, từ thế hệ bộ xử lý 386 (năm 1987) trở đi, bo mạch chủ mới được thiết kế theo kiến trúc bus độc lập: bên cạnh tuyến bus chính thống (có thể là ISA, EISA, MCA), hệ thống có thêm một tuyến bus 32bit nối giữa bộ xử lý với bộ nhớ chính nên gọi là bus cục bộ (Local Bus). Thiết kế này tạo điều kiện thuận lợi cho môi trường giao tiếp người dùng đồ họa (Graphical User Interface - GUI) như hệ điều hành Windows phát triển và thúc đẩy nhiều ứng dụng trực quan khác ra đời.


Kiến trúc DIB


Một trong những nỗ lực tăng tốc đầu tiên mà các nhà sản xuất áp dụng là tích hợp bộ điều khiển đồ họa và đĩa cứng vào trong tuyến bus hệ thống. Tốc độ được cải thiện đáng kể nhưng lại làm tăng mức phức tạp của quá trình nâng cấp hệ thống. Kết quả, đầu thập niên 90, tổ chức Video Electronics Standards Association (VESA), qui tụ các nhà sản xuất card và chipset đồ họa, ban hành chuẩn bus VESA Local Bus (VL-Bus) dựa trên việc mở rộng tuyến bus hệ thống của máy tính dòng bộ xử lý 486. Thiết bị đầu tiên được cắm lên khe VL-Bus dĩ nhiên phải là bộ điều khiển đồ họa và IDE.
Do dùng chung tuyến bus hệ thống nên khi có càng nhiều thiết bị nối lên VL-Bus, dữ liệu của bộ xử lý càng dễ bị nhiễu. VESA khuyến cáo chỉ thiết kế hai đến ba khe tần số 33MHz trên bus hệ thống. Nhưng nếu tần số cao hơn 50MHz, các thiết bị buộc phải tích hợp vào trong bo mạch chủ.
Do chạy cùng tốc độ xung với bộ xử lý nên khi tốc độ bộ xử lý tăng lên, toàn bộ thiết bị ngọai vi theo chuẩn VL-Bus đều phải nâng cấp; khiến chi phí nâng cấp tăng lên rất cao và thời gian nâng cấp cũng bị kéo dài. Những khó khăn phát sinh khi triển khai VL-Bus trên bộ xử lý 486 mới tốc độ 40MHz, 50MHz và Pentium 60/66MHz đã tạo cơ hội cho chuẩn PCI (Peripheral Component Interconnect) của Intel hình thành và phát triển.

PCI




Nhóm phát triển ban đầu của Intel đã có công đưa ra đặc tả chuẩn PCI 1.0 và sau đó chuyển giao lại cho tổ chức PCI SIG (Special Interest Group) phát triển thành PCI Local Bus Revision 2.0 vào tháng 5/1993. Không chỉ giúp nâng cao tốc độ, PCI còn giúp đơn giản hóa việc mở rộng bởi có khả năng Cắm và Chạy (Plug and Play - PnP): hệ thống tự động nhận biết phần cứng mới. Sau đó không lâu, Windows 95 ra đời và hỗ trợ công nghệ Cắm và Chạy từ cấp phần mềm. Đến năm 1994, PCI đã chính thức thay thế chuẩn Local Bus.
Trong khi VL-Bus tìm cách mở rộng tuyến bus hệ thống của bộ xử lý thì PCI lại tách biệt hoàn toàn khỏi bộ xử lý nhưng vẫn truy xuất được bộ nhớ chính. Nhờ vậy, PCI mạnh và có tốc độ cao hơn VL-Bus. Khác hẳn với VL-Bus, bus PCI nối vào bus hệ thống qua một mạch "cầu" đặc biệt nên có tần số đồng bộ cố định và không lệ thuộc vào tốc độ xung bộ xử lý. PCI chỉ cho phép thiết kế tối đa 5 cổng nối mở rộng nhưng lại cho phép thay thế mỗi cổng bằng hai thiết bị tích hợp. Kiến trúc này còn cho phép bộ xử lý hỗ trợ thêm một mạch cầu nữa. Không chỉ có đặc tả chặt chẽ, chuẩn còn cung cấp được hai mức điện áp khác nhau: 5V và 3,3V. Vì thế, khe cắm được thiết kế thêm một số chân khóa (chân được đúc kín) để tránh trường hợp card 3,3V bị cắm nhầm sang khe 5V và ngược lại.

PCI nguyên thủy dùng xung 33MHz, sau đó nâng lên 66MHz (phiên bản PCI 2.1) để nhân đôi băng thông lý thuyết (đạt 266MBps); nhanh gấp 33 lần bus ISA. PCI còn cho phép thiết lập chuyển đổi bus 32bit hoặc 64bit linh hoạt nên chấp nhận cả card 32bit lẫn 64bit. Việc hiện thực 64bit lên bus tốc độ 66MHz vào năm 99 đã nâng băng thông lý thuyết lên 524MBps. PCI thông minh hơn ISA vì cho phép chia sẻ yêu cầu ngắt (IRQ). Tính năng này rất hữu ích vì lượng yêu cầu ngắt mà hệ thống hiện cung cấp chưa đáp ứng đủ cho nhu cầu của các máy tính cao cấp. Ngoài ra, độ trễ của bus PCI thấp hơn nên tốc độ hệ thống cũng được nâng lên.
Từ giữa năm 1995, những thiết bị cần tốc độ chính yếu của máy tính đều chuyển sang sử dụng bus PCI. Phổ biến nhất chính là card điều khiển đĩa cứng và đồ họa; cả lúc tích hợp trên bo mạch chủ lẫn khi cắm trên khe mở rộng.

AGP




AGP nhanh và rộng tương đương với Bus PCI nhưng được dành riêng để phục vụ chức năng xử lý đồ họa. Thời kỳ dùng bus ISA, màn hình được điều khiển bởi card CGA (Colour Graphic Array) và MDA (Monochrome Display) nên chỉ đáp ứng được độ phân giải tối đa 320x200, 16bit màu với tần số 75Hz.
Đồ họa 3D có khả năng mang lại tính bay bổng và thực tế cho hình ảnh hiển thị trên không gian 2D. Nhưng các bước tạo đối tượng và ánh xạ vân (texture) xử lý rất nhiều dữ liệu nên cần có một kênh truyền nhanh để hình ảnh chuyển động trơn tru, không giật. Băng thông PCI 132MBps đã trở nên quá chật hẹp.

Giải pháp Intel đưa ra là tách kênh dữ liệu đồ họa ra khỏi tuyến bus bộ xử lý và đưa ra đặc tả Accelerated Graphic Port (AGP). Chipset AGP hoạt động như một cầu trung gian giữa bộ xử lý và bộ đệm cấp 2. Trong kiến trúc Single Edge Contact Cartridge của Pentium II, chipset AGP được gọi là bộ tăng tốc Quad Port (4 cổng) vì nằm giữa ngã tư nối đến bộ xử lý, bộ nhớ chính, I/O và cổng AGP.

AGP ban đầu hoạt động cùng tần số 66MHz với bus bộ xử lý (FSB), gấp đôi tần số PCI và đạt băng thông tối đa là 264MBps. Để hỗ trợ xử lý đồ họa, trong phiên bản AGP 2X, dữ liệu được truyền tại cả cạnh lên và xuống trong một xung nên tần số lên đến 133MHz (gấp đôi xung đồng bộ) và đạt băng thông 528MBps. Khi ứng dụng cơ chế hàng chờ lệnh vào phiên bản AGP 2X, hiệu quả sử dụng băng thông được giữ ổn định ở mức 80%. Đặc biệt, khi đưa hàng chờ 32 lệnh vào quá trình Sideband Addressing (SBA), hiệu quả băng thông tăng lên đến 95%.
Băng thông của AGP còn được nâng lên gấp bốn (AGP 4X), gấp tám (AGP 8X) xung hệ thống nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu đồ họa và tạo cơ hội triển khai ứng dụng đồ họa cao cấp, nâng cao chất lượng hình ảnh mà không sợ ảnh hưởng đến tốc độ hiển thị.




Đặc tả AGP hiện có ba phiên bản: 1.0 (tương ứng AGP 1X, 2X), 2.0 (AGP 1X, 2X, 4X) và 3.0 (AGP 4X, 8X). Trong đó, phiên bản AGP 3.0 không chỉ đơn thuần là tăng tốc độ xung mà còn có một số tính năng bổ sung như:
o Truy xuất trực tiếp đến bộ nhớ hệ thống
o Sử dụng tín hiệu mới có điện áp thấp và ít bước chuyển đổi.
o Sử dụng cơ chế địa chỉ cạnh (Side band addressing) để nâng hiệu quả bus dữ liệu.
o Phân chia mức năng lượng để tối ưu chất lượng tín hiệu.
o Bộ đảo bus động (dynamic bus invertor) giảm nhiễu.
o Vận hành với chế độ đẳng thời cho phép truyền tốt dữ liệu dạng video, âm thanh liên tục.
Phiên bản PCI-X V1.0 được IBM, Hewlett-Packard và Compaq hợp tác phát triển đã được Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI SIG) chấp nhận vào mùa thu năm 1999. Có thể tương thích ngược với PCI, PCI-X được xem là giải pháp nâng cấp lý tưởng để tăng băng thông cho những ứng dụng cấp xí nghiệp như Gigabit Ethernet, Fiber Channel, Ultra3 SCSI và xử lý đồ họa cấp cao.

PCI-X không chỉ tăng tốc độ PCI mà còn tăng thêm lượng khe tốc độ cao. Với thiết kế hiện tại, PCI chạy tần số 33MHz và chỉ có một khe tần số 66MHz. PCI-X tăng gấp đôi tốc độ của PCI, hỗ trợ một khe 64bit tần số 133MHz (đạt băng thông 1GBps). Đặc tả mới cũng nâng cấp giao thức để tăng hiệu quả truyền dữ liệu và đơn giản hóa quá trình định thời tín hiệu; một yếu tố quan trọng trong mạch xử lý tần số cao.
Tuy nhiên, cha đẻ của PCI-X vẫn chỉ xác định đây là công nghệ mang tính tạm thời nên họ vẫn tiếp tục đầu tư phát triển một kiến trúc bus I/O dài hơi hơn mang tên Future I/O. Hiện tại, PCI-X đang được triển khai cho máy chủ, máy trạm; và môi trường truyền thông dữ liệu, hệ thống tích hợp. Năm 2002, PCI-X 2.0 ra đời đã nâng tốc độ PCI-X lên 4 lần.

PCI Express
Vào mùa hè năm 1999, nhóm đề xuất Future I/O và NGIO đã đồng ý hợp nhất hai công nghệ vào một đặc tả mới mang tên System I/O. Nhưng đến cuối năm, họ


Kiến trúc PCI-EXPRESS cho máy tính để bàn/Di động


đã đổi tên công nghệ này thành InfiniBand. Điểm yếu của InfiniBand là thay đổi hoàn toàn hệ thống khi nâng cấp, cả phần cứng lẫn phần mềm.
Hè năm 2001, Intel phát triển công nghệ mới mang tên Third-Generation Input/Output (3GIO) và có tên mã là Arapahoe. Đầu năm sau, công nghệ này đã được chuyển giao cho PCI SIG và được mang tên mới là PCI Express Architecture. Cuối cùng thì ngành công nghiệp đã tìm được người nối dõi chuẩn PCI và quá trình chuyển giao cũng sẽ diễn ra suôn sẻ như thời kỳ chuyển từ ISA/EISA lên PCI.
PCI Express Architecture được thiết kế linh hoạt, có thể mở rộng, tốc độ cao, cơ chế nối tiếp, điểm-điểm, cho phép tháo lắp/thay thế nóng và tương thích được với phần mềm dành cho PCI. PCI Express không chỉ đủ sức thay thế PCI và PCI-X mà còn có thể thay thế cả AGP. Thật ra, ngay từ đầu công nghệ này đã được thiết kế hướng đến ứng dụng làm điểm nối kết giao tiếp đồ họa. Thế hệ đầu tiên của PCI Express có khả năng cung cấp hai băng thông AGP 8X và có thể hỗ trợ nhiều thiết bị đồ họa trên một hệ thống.

Không giống chuẩn tiền thân, PCI Express dùng liên kết nối tiếp. Bus nối tiếp có băng thông/kênh rộng hơn kiến trúc bus song song và dễ mở rộng lên băng thông lớn hơn. Chuẩn cho phép thiết lập mạng theo giao tiếp điểm-điểm giữa các thiết bị, thay thế cho kiểu một-nhiều của kiến trúc song song nên không cần bộ điều khiển bus (tác nhân làm chậm và ngăn cản khả năng thay thế nóng). Kiến trúc PCI Express còn giúp thu nhỏ 50% diện tích bo mạch chủ. Một phiên bản khác của PCI Express cũng đang được phát triển để thay thế cho tuyến cầu nam trong chipset.
Một kết nối điểm-điểm theo kiến trúc PCI Express Architecture với 32 đường dữ liệu có khả năng cung cấp băng thông 16GBps, đủ hỗ trợ những ứng dụng trong hệ thống thông tin tương lai (bài "PCI Express bắt kịp tốc độ", TGVT A 10/2002). Chip PCI Express dự định sẽ được tung ra vào năm 2004 và triển khai rộng cho cả truyền thông, máy tính để bàn, thiết bị di động và máy chủ.ÿ