Kortplatser och bussar

Förbindelsen mellan de olika delarna i en PC kallas generellt för en buss, vilken består av ett antal ledningar där data transporteras. Ju fler ledningar, desto snabbare transporter. Den mest omtalade inre bussen i en PC är systembussen. Denna arbetar i dagens datorer vanligen med en hastighet 66 eller 100 MHz, beroende på processorns hastighet. Systembussen består egentligen av flera olika bussar där data till minnet och andra enheter i datorn färdas. Vi ska inte gå in närmare på dessa bussar utan konsentrera oss på I/O-bussen (input/output), även kallad expan- sionsbuss. Denna buss används också för att kommunicera mellan datorns enheter, men även med externa tillbehör. Detta möjliggörs genom de kortplatser (eng. slots) som är anslutna till bussen. Till kortplatserna ansluter man till exempel ett grafikkort för att kommunicera med bildskärmen, eller ett ljudkort för att få ljud och musik. Under PC:ns livstid har det utvecklats olika arkitekturer för I/O- bussens (och kontakternas) utformning, och det är dessa bussar som vi ska titta närmare på här.

ISA - Industrial Standard Architecture (1981/1984)

ISA var den första expansionsbussen för IBM PC. Till en början gick dess prestanda, bussbredd och hastighet, hand i hand med dåtidens processorer. Den första ISA-bussen (1981) var 8-bitar bred, anpassad till Intels 8088-processor med 8-bitar systembuss, och arbetade precis som processorn i 4.77 MHz. 1984 introducerades IBM AT med Intels 80286. För att utnyttja processorns utökade möjligheter var ISA-bussen tvungen att förbättras. Eftersom 8-bitars lösningen täckte en del av behovet fanns det ingen anledning att skapa något helt nytt. Därför "förlängde" man den befintliga kontakten och skapade en 16 bitar bred ISA-buss (som 80286:ans databuss), och hastigheten ökades till 8 MHz, vilket var AT:ns snabbaste processor. På grund av dess nära relation till IBM AT kallas ISA även för AT-buss, och man menar då den 16-bitars version som vi har idag.

Senare blev förstås processorerna snabbare och databussarna breddades, men önskan att de existerande produkterna skulle vara kompatibla med kommande datorer ledde till att ISA-bussen inte modifierades ytterligare. Allt sedan dess har ISA-bussen varit oförändrad, men den har ändå följt med som ett viktigt komplement i alla datorer fram till idag. Visst blev den en flaskhals för flertalet expansionskort, men på grund av det enorma utbudet av ISA-kort och det faktum att dess hastighet var tillräcklig för flera produkter, har den hängt med. Man har istället valt att komplettera moderkorten med andra snabbare bussar i kombination med ISA, istället för att ersätta den. Först idag börjar de flesta kort att kräva andra bussar, och efter 16 år är det kanske dags för ISA-bussen att kliva åt sidan.

MCA - Micro Channel Architecture (1985)

När Intels 386DX-processor lanserades kunde man teoretiskt kommunicera med 32 bitar på I/O- bussen. Då processorn arbetar i 40 MHz på en 32-bitars buss, och grafikkortet sitter på en 16-bitar bred ISA-buss med en hastighet på 8,3 MHz, blir detta en rejäl flaskhals. MCA-bussen är IBM:s försök att råda bot på detta. MCA matchar 386DX med en 32 bitar bred buss, och den kunde erbjuda flera förbättringar jämfört med ISA. Med tanke på att det dröjde sju år innan vi fick se liknande finesser på PCI-bussen, var MCA långt före sin tid och egentligen en mycket bra buss. Den erbjöd både Bus Mastering* för att förbättra effiktiviteten, samt Plug and Play. Åtta år innan Windows 95 lanserade PnP för den stora massan, konfigurerade MCA-bussen kort automatiskt utan hjälp av byglar!

* Bus master erbjuder direktkommunikation mellan anslutna kort. Detta innebär att korten kan fungera självständigt utan processorns inblandning, de är "bussmästare".

Det blev dock IBM själva som såg till att MCA gick i graven. För det första var den inte kompatibel med ISA, vilket betydde att ISA-kort inte fungerade över huvud taget i ett MCA-system. För det andra beslöt man att hålla tekniken för sig själv. För att få tillgång till MCA krävde IBM massor med licenspengar, vilket ledde till att andra tillverkare istället började se sig om efter en annan lösning. När värdiga ersättare kom försvann MCA-bussen snabbt från marknaden, och i stort sätt endast IBM:s egna datorer använde MCA.

EISA - Extended Industrial Standard Architecture

EISA började som Compaqs svar på IBM:s MCA-buss, och man lyckades undvika den senares ödestigra misstag. För det första var den kompatibel med ISA-bussen. För det andra gjorde man tekniken tillgänglig för alla tillverkare och skapade en ideell EISA-komitté för att sköta utvecklingen av bussen. EISA erbjöd liksom MCA en 32-bitars bussbredd, "Bus Mastering", och Plug and Play. Trots att man undvek IBM:s misstag lyckades man ändå inte få fram EISA till den stora marknaden.

VLB - VESA Local Bus (1992)

VESA Local Bus, eller bara VLB var den första 32-bitars bussen som verkligen kom att bli populär. Bussen utvecklades av VESA, Video Equipment Standard Association. VESA hade formats på slutet av 80-talet och var en organisation besående av cirka 120 data- och grafikkortstillverkare som sysslade med grafikrelaterade frågor. En stor anledning till att bussens utveckaldes var just för att öka grafikprestandan för PC-datorer.

VLB är direkt kopplad till 486:ans processor- och minnesbuss, vilket betyder att bussen är "lokal". VLB använder inte inte en helt egen kontakt, utan fungerar som ett tillägg till ISA-kontakten. Detta innebär att ett VESA-kort kopplas till båda kortplatserna. Bilden nedan visar kontaktblecken för ett kort med VESA Local Bus anslutning. Punkt 2 och 3 ansluts till ISA-kontakten, medan punkt 1 ansluts till den lokala VLB-kontakten vilken ligger direkt bakom de befintliga ISA-platserna.

1. VLB-kontakt. 2. Tillägg för 16-bit ISA. 3. 8-bit standard. 4. ISA-kontakt.

VLB bygger på att man använder några få "lokala" bussar, vilket resulterar i en både billigare och bättre lösning än tidigare arkitekturer. De nya grafikkort som utvecklades för VLB löste problemet med att förse Windows med data för grafikhateringen i tillräckligt hög takt. VLB arbetar i 33 MHz och kan utnyttja Bus Mastering, men inte lika bra som de tidigare teknikerna och den stöder inte heller Plug and Play. Tekniken är även begränsad till maximalt tre kortplatser. Då VLB var starkt knuten till 486-generationen dog den sakta ut när Pentium och PCI introducerades.

PCI - Peripheral Component Interconnect (1993)

I samband med utvecklandet av Pentium-processorerna utvecklade Intel en ny 32-bitars lokal buss- arkitektur. Kontakten/bussen fick namnet PCI, och är den standard som används i dagens datorer. Bussen utnyttjar Bus Mastering och "Burst mode" för snabbare transporter, och kan ha upp till fem kortplatser. Den arbetar i en hastighet av systembuss delat med två. Exempel: en processor som arbetar med 200 MHz internt, har en systembuss som arbetar i 66 MHz (200/3), vilket betyder att PCI-bussen har en hastighet av 33 MHz. PCI-bussen kontrolleras av en enhet i moderkortets chipset. Detta ger ett mycket flexiblet system, vilket erbjuder fler möjligheter än tidigare tekniker, och man har även större möjligheter att förbättra funktionerna. PCI-bussen är en del av den Plug and Play standard som utvecklats av Intel och Microsoft med flera. PCI-systemen var de första som gjorde Plug and Play populärt.

Anledningen till att PCI-bussen har blivit så populär är flera. När Pentiumprocessorerna kom fanns det inget annat alternativ, och bussens goda prestanda gjorde det inte heller nödvändigt att utveckla någon annan. Det krävs inte heller någon licens eller liknande för att använda den. Dessa faktorer har lett till att de flesta stora tillverkare har tagit till sig PCI-standarden, och den mängd PCI-kort som finns idag borgar för att den stannat ett tag till. Man har även bildat PCI-SIG (Special Interest Group), med Intel i spetsen, för att vidareutveckla bussen.

PCI 2.1

En specifikation för att utveckla PCI-bussen har tagits fram i PCI version 2.1. Den innehåller planer för en 64-bitars bussbredd och en hastighet på 66 MHz. Om dessa planer blir verklighet kommer PCI att få en fyrdubblad prestanda mot dagens design. Mycket på grund av kompatibiliteten är det dock svårt att vidareutveckla PCI. Men en delar av 2.1-versionen har ändå kommit oss tillhanda genom AGP.

AGP - Accelerated Graphics Port (1997)

Behovet av ökad bandbredd mellan processorn och grafikkortet ledde till utvecklandet av den lokala I/O-bussen (VLB och PCI). Idag har samma behov börjat trycka på PCI-bussens begränsningar. Trafiken på PCI-bussen börjar bli trång med grafik, hårddiskar och andra enheter som slåss om bandbredden. För att lätta på trycket har Intel utveckalt en ny buss speciellt för grafikkort, AGP. Poten introducerades med Pentium II, och de första moderkortskretsarna att stöda AGP var Intels 440LX-kretsar. Ett moderkort med AGP innehåller en enda AGP-plats för grafikkort. Idén bakom AGP är enkel: skapa en snabbare buss mellan grafikkeretsar och processor. Bussen arbetar bara mellan dessa två enheter, vilket ger tre stora fördelar. Det blir lättare att sätta porten på plats, det blir lättare att öka hastigheten för AGP, och det blir lättare att göra förändringar som är specifika för grafiken. Ytterligare en fördel med AGP är att grafiken isoleras från resten av PC:n och belastningen på I/O-bussen minskar. Med grafikkortet på AGP får även de andra PCI-enehterna utrymme för bättre prestanda.

AGP-bussen är 32 bitar bred, precis som PCI, men istället för att arbeta med havla systembuss- hastigheten går AGP med dess fulla. Med 66 MHz hastighet kan man säga att AGP-tekniken till viss del bygger på PCI 2.1. Detta fördubblar portens bandvidd till minst 266 MB/s, plus att detta inte behöver delas med andra enheter. Utöver detta har AGP definerat ett "x2-läge", vilket tillåter dubbelt så mycket data att transporteras över porten. Detta är möjligt genom att sända data vid två tillfällen under klockcykeln, mot tidigare bara en gång. Resultatet av detta är att prestandan fördubblas igen, till 533 MB/s i teoretisk bandvidd. Man har också planer på att lägga till ett x4-läge, vilket skulle leda till en teoretisk bandvidd på 1066 MB/s. Detta är mer än vad dagens processorer kan klara av, men det bådar gott inför framtiden.

En av de stora fördelarna med AGP är möjligheten att dela RAM-minnet med grafikkretsen. Detta innebär att grafikkorten får tillgång till stora mängder minne för att i första hand förbättra hanteringen av 3D. Detta är inte att förväxla med det mindre lyckade UMA (Unified Memory Architecture), som introducerades med Intels VX-chipset. Med UMA är hela grafikminnet lånat av RAM-minnet. Med AGP använder man bara RAM-minne där detta lämpar sig. För tillfällen då ett snabbare grafikminne behövs, ska detta fortfarande sitta på grafikkortet där det hör hemma.

Dagens kortplatser:

1. Den ursprungliga 8-bit kontakten 2. Tillägg för att konstruera 16-bitars ISA. 3. ISA-kontakt (2 st). 4. PCI-kontakt (5 st). 5. AGP-kontakt (1 st). Pentium II, BX-moderkort.

Översikt

Plug and Play

PCI-standarden innehåller noggrant specificerade regler för tilläggskort och annan hårdvara som vi installerar i PC:n. Detta har möjliggjort utvecklandet av en standard för hur en dator kan känna av att t ex ett nytt kort har installerats. Vidare kan operativsystemet automatisk installera drivrutiner och programvara för dessa enheter. Datorn känner alltså av att en ny hårdvara har installerats och kan konfigurera den automatiskt, förutsatt att operativsystemet har lämpliga drivrutiner. Annars krävs det delaktighet från användaren som måste bidra med drivrutiner från t ex diskett eller CD. Detta auto- konfigureringssystem är utvecklat av Intel och Microsoft och kallas Plug and Play. De operativ- system som vi använder idag, t ex Windows 98 och NT utnyttjar detta system, vilket idag har blivit standard för PC-datorer. Till en början fungerade inte systemet som man tänkt, och kritikerna gav det smeknamnet "Plug and Pray" på grund de problem som kunde uppstå vid en installation av ny hårdvara. Nu fungerar dock Plug and Play mycket smidigt med de tillbehör som är anpassade för systemet. De flesta produkter som tillverkas idag använder "PnP", som t ex grafikkort, skärmar, ljudkort och CD-spelare.