Sběrnice (anglicky bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresových a datových vodičů v případě paralelní sběrnice nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem.
V případě počítače je sběrnice po mechanické stránce vybavena konektory uzpůsobenými pro připojení modulů

Vzhledem k počtu typů sběrnic se zde budeme věnovat pouze těm, které se používali, nebo stále používají, v běžných počítačích.

Název
Rok vytvoření
Vytvořil
Typ
Datová šířka
Frekvence
Napájení
Přenosová rychlost
ISA 1981 IBM paralelní

8 bitů
16 bitů

4,77 MHz
6 / 8 MHz
5V a 12V

1,2 MB/s
5,3 MB/s

EISA 1988 Gang of Nine paralelní 32 bitů 8,33 MHz 5V a 12V 33 MB/s
VL-Bus 1992 VESA paralelní 32 bitů 25-40 MHz 5V 128-132 MB/s
PCI v polovině 1993 Intel paralelní 32 bitů
64 bitů
33 MHz
66 / 133 MHz
3,3V, 5V 133 MB/s
266 / 533 MB/s
PCI-X 1998 IBM, HP a Compaq paralelní 64 bitů 66, 133 MHz
266 MHz
533 MHz
3,3V až 1,064 GB/s
2,15 GB/s
4,3 GB/s
AGP 1997 Intel paralelní 32 bitů 66 MHz 1,5V, 3,3V 2,133 GB/s
PCI-E
PCI-Express
2004  Intel, Dell, HP, IBM sériová 1-32 bitů   3,3V, 12V v 1.0 až 4,0 GB/s
v 2.0 až 8,0 GB/s
v 3.0 až 15,8 GB/s
v 4.0 až 31,5 GB/s

ISA · EISA · VL-Bus · PCI · AGP · PCI-X · PCI-Express

ISA

ISA (Industry Standard Architecture) je v informatice název pro sběrnici, která byla používána zejména pro IBM PC kompatibilní počítače (podle IBM PC) s 8bitovým mikroprocesorem Intel 8088, později i pro 16bitové počítače typu PC/AT s procesorem Intel 80286. ISA byla přímým předchůdcem sběrnice 32bitové sběrnice EISA (Extended Industry Standard Architecture). Byla nahrazena sběrnicemi IBM Micro Channel, VESA Local Bus, sběrnicí PCI a dalšími.

Charakteristika

Odvození struktury AT sběrnice se stále používá u sběrnici PC/104 a interně se Super I/O čipy. Sběrnice ISA obsahovala adresovou část, která měla šířku 24 bitů a dokázala tedy adresovat až 16 MB paměti. Kromě paměti bylo možné obsluhovat maximálně 65536 vstupně/výstupních portů pomocí 16bitové I/O sběrnice. Datová část sběrnice měla šířku 16 bitů. Blokový přenos dat byl na počátku řešen tak, že řízení sběrnice převzalo externí zařízení. Později se využilo čtyř až osmi DMA kanálů. Přenos dat probíhal přes synchronní protokol a oscilátor měl časovou základnu 70 ns, což odpovídá taktovací frekvenci 14,285 MHz. Postupem času však byla na trhu ISA používající jednu z několika základních frekvencí – 4,77 MHz.
Rozšířená sběrnice pod názvem EISA spatřila světlo světa r. 1989. Oproti sběrnici ISA měla EISA 32 bitů vyhrazeno pro adresovou část i datovou. V současné době se nové základní desky obsahující ISA sloty nevyrábějí.

Historie

ISA byla vyvinuta týmem pod vedením Marka Deana jako část IBM PC projektu v roce 1981. Vznikla jako 8bitový systém. Novější 16bitová IBM AT sběrnice byla představena v roce 1984. V roce 1988 Gang of Nine navrhl 32bitovou EISA sběrnici a zpětně přejmenoval AT sběrnici na „ISA“, aby se zabránilo porušování ochranných známek na PC/AT počítači. IBM navrhl 8bitovou verzi jako vyrovnávací rozhraní k vnější sběrnici procesoru Intel 8088 (16/8 bitů) používaného v originálním IBM PC a PC/XT a dále pak 16bitovou verzí jako upgrade pro externí sběrnici procesoru Intel 80286 používaného v IBM AT. Proto sběrnice ISA byla synchronní s hodinami procesoru, dokud nebyly vyvinuty sofistikované vyrovnávací metody.
8bitová sběrnice běží na frekvenci 4,77 MHz (hodinová rychlost procesoru IBM PC a IBM PC/XT 8088), zatímco frekvence 16bitové sběrnice je provozována na 6 MHz nebo 8 MHz (jelikož dřívější procesor 80286 v IBM PC/AT počítačích běžel na 6 MHz a v pozdějších modelech na 8 MHz.) IBM RT/PC také používal 16bitovou sběrnici. K dispozici byla u některých non-IBM strojů např. u Motoroly 68k.
V roce 1987 IBM nahradil AT sběrnici vlastním proprietárním Micro Channel Architecture (MCA) ve snaze znovu získat kontrolu nad PC architekturami a PC trhem. MCA měla mnoho funkcí, které se později objeví u PCI, který bude nástupcem ISA. MCA měla pevný standard, na rozdíl od ISA, kde IBM uvolnila specifikaci a dokonce i schéma zapojení obvodu. Systém byl daleko vyspělejší než AT sběrnice, proto výrobci počítačů reagovali s použitím EISA sběrnice a později s VESA Local Bus (VLB). Ve skutečnosti VLB používá některé elektronické součástky původně určené pro MCA, protože výrobci komponentů je použili k jejich výrobě. Obě EISA a VLB sběrnice byly zpětně kompatibilní s AT (ISA) sběrnicí.
Uživatelé strojů založených na architektuře ISA museli vědět speciální informace o hardwaru, který přidávali k systému. Vzácností byla hrstka zařízení „plug‑n‑play“. Uživatelé často museli nastavit parametry při přidávání nového zařízení jako je IRQ, I/O adresu, nebo DMA kanál. MCA odstranila touto komplikaci. 

 

EISA

EISA je v informatice označení pro 32bitovou paralelní sběrnici používanou v počítačích třídy IBM PC/AT od roku 1988. EISA je rozšířením původní 16bitové sběrnice ISA, se kterou je zpětně kompatibilní (ISA karty lze zasunout a používat v EISA slotu).
V úplně původním IBM PC byl použit procesor 8088, což je 16-bitový procesor s 8-bitovým rozhraním. Proto byla pro rozšiřující karty přímo vyvedena jeho sběrnice na konektory SA (standard architecture).
Sběrnice ISA (navržená pro počítač třídy IBM PA/AT s procesorem Intel 80286) představuje rozšíření původní SA sběrnice. Má 16 datových, 24 adresových plus sadu řídících signálů umístěných na lineárním oboustranném konektoru (protikusem je běžná oboustranná deska plošných spojů s vytvořenými kontaktními poli. ISA pracuje rychlostí taktu 8MHz.
Sběrnice EISA představuje snahu o sdola kompatibilní rozšíření této sběrnice na 32 datových a 32 adresních bitů současně s použitím vyšší přenosové rychlosti. Fyzicky jde o přidání druhého konektoru (obdobné konstrukce) do řady za ISA konektor. Tento druhý konektor obsahuje všechny signály (tedy ne pouze doplnění chybějících). Základní rychlost taktu sběrnice EISA je 8,3MHz. Do výsledné pozice (tzv. slotu) lze vložit jak ISA rozšiřující desku, tak EISA 32-bitovou desku.
 
Tato sběrnice dosáhla pouze omezeného rozšíření (může potvrdit kdokoliv, kdo má zkušenosti s výpočetní technikou 90. let 20. století). Problematické bylo mechanické provedení s dlouhým kontaktním polem. Je zajímavé, že stejný konektor byl použit pro bus PISA, což je kombinace ISA a PCI na jednom konektoru. Používal se na tzv. "stromečky" na kterých byly jak ISA, tak PCI konektory, tudíž na základní desce byl tento obojetný konektor, aby se na nej vešly oba busy. Stromečky jsou adaptery, nástavce, prodlužovačky na bus, aby přídavné karty mohly být montovány rovnoběžně se základní deskou. Používají se v kompaktních počítačích, aby mohly být nižší.
Desky EISA podporoval pouze omezený počet výrobců, převážně asijské provenience (sdružených v EISA foru). Firma IBM navrhla konkurenční 32-bitovou sběrnici Micro Channel, ovšem nákladnost licenčních poplatků a její komplikovanost zabránily většímu rozšíření. Nakonec se ujalo řešení firmy Intel - 32-bitová sběrnice PCI.

 

VESA Local Bus (VL-Bus)

VESA Local Bus byla nejoblíbenější lokální sběrnicí na základních deskách PC v letech 1992 až 1994. Vývoj sběrnice vedl výbor VESA Committe, který založila firma NEC jako neziskovou organizaci a řídila jej. Hlavní účel VESA Local Bus bylo zkvalitnění připojení grafické karty, jelikož rozhraní ISA přestávalo stačit novým požadavkům. Svoji roli v práci na rozhraní jistě sehrála i snaha o zvýšení prodeje kvalitních displejů a počítačů firmy NEC na počítačovém trhu.
VESA vyvinula standard lokální sběrnice nazvaný VESA Local Bus, zkráceně VL-Bus. Sloty VL-Bus nabízí přímý přístup do systémové paměti rychlostí odpovídající rychlosti procesoru. Data používají pro přenos šířku 32 bitů, čímž je umožněn vyšší tok dat mezi CPU a grafickou kartou nebo pevným diskem, odpovídající plné šířce sběrnice CPU 486.
VL-Bus využívala pro přenos tzv. burst mód - v něm nebyly přenášeny dvojice adresa-data, ale na jednu adresu se přenesly 4 datové bloky. Tím byla stejná datová propustnost zajištěna pouhými 5 cykly sběrnice (bez burst módu bylo nutných 8 cyklů). Maximální propustnost sběrnice VL-Bus je 128 MB/s až 132 MB/s.
VL-Bus nabízí díky svým parametrům rychlejší rozhraní pro připojení pevných disků. Většina 16bitových disků IDE může dosáhnout propustnost nejvýše 5 MB/s, adaptéry pevných disků VL-Bus pro jednotky IDE poskytují propustnost až 8MB/s.

Nedostatky technologie VL-Bus

Závislost na CPU 486. Nevýhoda VL-Busu je závislost na sběrnici procesoru 486 - tato sběrnice se liší od sběrnice, která se používá v procesorech Pentium či 386. VL-bus není konstruována pro plnou rychlost procesoru Pentia. Tím dochází k omezení výkonu VL-Bus. U procesorů 386 je výkon sběrnice omezen rychlostí procesoru.
Omezení rychlosti. Teoretická rychlost poskytující VL-Bus na sběrnici je až 66 MHz, ale vlastnosti konektorů VL-Bus omezují karty adaptérů na rychlost 40 až 50 MHz. Avšak praktický provoz při rychlosti vyšší než 33 MHz přináší řadu problémů. Systémy používající rychlejší sběrnici procesoru musí mít vyrovnávací buffery a možnost snížit hodinovou rychlost na VL-Bus.
Elektrická omezení. Pravidla časování na sběrnici procesoru jsou velmi přísně stanovená. Pravidla časování byla navržena pro omezené používání sběrnice, tj. při připojení dalších elektronických zařízení dochází k významnému elektrickému zatížení a pokud není lokální sběrnice správně navržena, může dojít k problémům integrity dat a časování mezi CPU a kartou VL-Bus.
Omezení pro kartu. Standardně je VL-Bus navržena pro připojení tří karet. Jak se zvyšuje elektrické zatížení systémové desky, dochází k zvýšení rychlosti hodin a tím se snižuje možný počet připojených karet. Při nastavení systémové desky na frekvenci 50 MHz je možné připojit jen jednu kartu.

Konstrukce

Návrh VL-Bus je velice jednoduchý. Hlavní konstrukční vlastnost je, že přebírá signály z procesoru 486 a přenáší je na kontakty konektoru karty. Tato vlastnost zlevnila návrh, protože nepotřebuje k fungování přídavné čipové sady či jiné čipové zařízení. Tím je možná velice jednoduchá montáž na základní desku.
Procesor 486 však není dobře přizpůsoben pro připojení více zařízení VL-Bus současně, protože VESA Local Bus přímo sdílí datovou a adresovou sběrnice s mikropro­cesorem počítače. Větší počet zařízení by tedy příliš zatížil procesorovou sběrnici.
Další problém vznikal v časování. VL-Bus pracuje na stejné rychlosti jako rychlost sběrnice procesoru a různé procesory mají různou rychlost - tím je i různá rychlost sběrnice. Tato vlastnost ztěžovala kompatibilitu. Spolupráce VL-Bus s ostatními procesory (386, Pentium) je možná, ale plný výkon je dosažitelný pouze s procesory 486. Příchod sběrnice PCI znamenal pro sběrnici VL-Bus konec vývoje.

Použití v praxi

Konektor sběrnice VLB je na desce umístěn podélně za ISA sběrnicí, šlo tedy o rozšíření funkcí původní ISA. Karty pak zabíraly oba sloty najednou: celou ISA a volitelně i VLB konektor. VLB je zpětně kompatibilní k ISA. Samotný rozšiřující VLB konektor je konstrukčně shodný s PCI konektorem, jen se pro účely VLB odléval z hnědého plastu, na rozdíl od převážně bílého PCI.

 

PCI

PCI (z anglického Peripheral Component Interconnect) nebo PCI Standard (v praxi se však téměř vždy zkracuje na PCI) je počítačová sběrnice pro připojení periferií k základní desce, která není omezená na platformu osobních počítačů PC. Používá paralelní přenos dat (šířka 32 nebo 64 bitů) a je orientovaná na přenos zpráv místo přímé komunikace (anglicky message passing). Od zbytku systému je oddělena pomocí PCI mostů, které zprostředkovávají komunikaci s připojenými kartami. V jednom počítači může být jedna nebo i více na sobě nezávislých PCI sběrnic. Jejím prostřednictvím lze připojit periférie spadající do dvou kategorií:
  • integrovaný obvod zabudovaný přímo do základní desky – označuje se jako planární zařízení
  • rozšiřující karta, která se vsune do konektoru (slotu) sběrnice
Sběrnice PCI byla běžná v osobních počítačích, kde jako standardní rozšiřující sběrnice nahradila sběrnici ISA a VESA Local Bus, ale objevovala se také v mnoha jiných typech počítačů. Nízká propustnost PCI sběrnice vedla k vytvoření specializovaného portu AGP určeného pro grafické karty, který je rychlejší než PCI sběrnice a zároveň přinesl další vylepšení. PCI a AGP byly dlouhou dobu součástí většiny vyráběných základních desek pro PC. V současné době jsou PCI i AGP nahrazeny sběrnicí PCI Express, která používá sériový přenos. Specifikace PCI se zabývá fyzickými rozměry sběrnice (včetně rozestupu vodičů), elektrickými charakteristikami, časováním sběrnice a protokoly. Tyto specifikace lze zakoupit od konsorcia PCI Special Interest Group (PCISIG). 

Historie

Práce na PCI počaly v laboratořích Intel kolem roku 1990. PCI 1.0, která byla pouze specifikací na úrovni komponent, byla zveřejněna 22. června 1992. PCI 2.0, která první založila standard pro konektor a slot základní desky, byla uvolněna 30. dubna 1993. PCI 2.1 byla vydána 1. června 1995.
PCI se okamžitě začala používat v serverech, nahradila MCA a EISA sběrnici. V osobních počítačích PCI pomalu nahrazovala VESA Local Bus (VLB) a na trh nijak výrazně nepronikla až do konce roku 1994, kdy se začala používat v osobních počítačích s procesorem Pentium. Kolem roku 1996 VLB sběrnice téměř zanikla a výrobci začali používat PCI dokonce pro počítače s procesorem Intel 486. EISA byla používána spolu s PCI až do roku 2000. Apple přijal PCI pro profesionální počítače Power Macintosh (nahradil tak NuBus) v roce 1995 a produktovou řadu Performa (náhrada LC PDS) v roce 1996.
Následné revize PCI přidaly nové vlastnosti a vylepšení výkonu, včetně standardu 66 MHz a 3,3 V, následně 133 MHz PCI-X standardu. PCI-X 1.0b stejně tak jako PCI-X 2.0 jsou zpětně kompatibilní s některými PCI standardy. Od uvedení sériového standardu PCI Express v roce 2004 výrobci základních desek začali snižovat množství PCI slotů ve prospěch nového standardu PCI-E. Ačkoliv je stále běžné užívat obě rozhraní vedle sebe, klasická PCI bude pravděpodobně vytlačena v následujících letech. 

Přerušení

Specifikace PCI protokolu zajišťuje, že přerušení mohou být sdílená, takže o jedno přerušení se může dělit více karet. Ovladače jsou pak vyvolány v sérii a tak je zajištěno, že je příslušné zařízení obslouženo. Nevýhodou je však vyšší latence a režie obsluhy přerušení, a proto se obvykle velmi aktivní zařízení umisťují na samostatná přerušení (typicky řadič disků a síťová karta). Sběrnice PCI obsahuje čtyři linky přerušení a všechny z nich jsou dostupné každému zařízení. Každému zařízení tak mohou být při inicializaci sběrnice až čtyři přerušení, což však není běžné. Zároveň jsou k dispozici pouze čtyři přerušení, které označujeme INTA#, INTB#, INTC# a INTD#, která jsou v PCI mostu asociována s vnějšími přerušeními procesoru (jejich konkrétní přiřazení není obvykle uživatelsky nastavitelné).
Fyzicky jsou jednotlivé linky přerušení na sběrnici zapojeny kaskádovitě, takže INT#A je v prvním slotu na první pozici, ve druhém slotu na druhé pozici atd. Chceme-li, aby byla karta asociována s jiným přerušením, a není možné toho dosáhnout změnou v nastavení BIOSu, stačí obvykle posunout karty do jiných slotů, což je nutné zejména u základních desek s více než čtyřmi sloty připojenými na jedinou PCI sběrnici. Jednoduchá zařízení používají obvykle pouze své první přerušení, takže zátěž jednotlivých přerušení je v ideálním případě u čtyř slotů rovnoměrně rozložena mezi zmíněné čtyři linky přerušení.
Linky přerušení na sběrnici PCI jsou úrovňově spouštěné. Tomuto způsobu spouštění přerušení byla dána přednost před spouštěním přes hranu, aby bylo možné použít obsluhu sdílené přerušovací linky, a také kvůli robustnosti – hranou spuštěná přerušení se snadno promeškají. Nicméně, tato výhoda je za cenu flexibility. Jedno přerušující zařízení může blokovat všechna ostatní zařízení na stejné lince přerušení.
Pozdější revize PCI specifikací přidávají podporu pro přerušení signalizované zprávou. V tomto případě zařízení oznamuje svůj požadavek na obsloužení zápisem do paměti, nedává tedy o sobě vědět prostřednictvím vyhrazené linky. Výsledkem je řešení problému s nedostatkem přerušovacích linek. I když jsou vektory přerušení stále sdílené, nedochází zde k problému se sdílením úrovňově spouštěných přerušení. Také to řeší problém se směrováním, protože zápis do paměti není nepředvídatelně měněný mezi zařízením a hostitelem. Protože signalizace zprávami je svázaná, řeší to některé synchronizační problémy, které se mohou vyskytnout s vyslanými zápisy a nesvázanými přerušovacími linkami.
PCI Express již fyzické linky pro přerušení nemá, používá výhradně posílání zpráv. 

Automatická konfigurace

V době, kdy v PC kralovala sběrnice ISA, bylo při přidání nové karty do systému nutné, aby její majitel nastavil nejprve kartu a pak stejně i její ovladač. Zároveň bylo nutné, aby žádné dvě karty nebyly v konfliktu (nebyly nastaveny stejně nebo tak, že se jejich nastavení překrývalo). Přidat do počítače kartu tak nebylo vůbec jednoduché. Proto byl vyvinut standard PnP (Plug and Play), který umožňoval, aby karta byla jednoduše zasunuta do slotu a o zbytek se postaral sám počítač a operační systém. Zpočátku nebylo toto rozšíření vždy zcela funkční (Plug and Play lidé nazývali "hanlivě" jako Plug and Pray – zapoj a modli se) a jeho podpora ze strany software byla také minimální. PnP bylo firmou Intel zakomponováno přímo do PCI standardu a ve Windows 95 již byla přítomna i její systémová podpora.
 
Postup automatické konfigurace zařízení
  1. karta je vsunuta do slotu vypnutého počítače
  2. po zapnutí počítače je aktivována PnP část BIOSu
  3. BIOS postupně vyzve všechna zařízení připojená ke sběrnici k identifikaci
  4. zařízení odesílají své identifikátory a požadavky
  5. BIOS přidělí níže uvedené systémové prostředky mezi připojená zařízení tak, aby nedošlo ke konfliktům:
    • přerušení
    • I/O porty
    • adresový prostor v paměti RAM (pro paměť na kartě)
  6. údaje o konfiguraci jsou umístěna do paměti
  7. je spuštěn operační systém
  8. podle identifikace zařízení operační systém vyhledá ovladače
  9. ovladače si přečtou konfiguraci svých zařízení a začnou je obsluhovat

Konfigurace jednotlivých zařízení je uložena v registrech PCI sběrnice (ESCD – Extended System Configuration Data), která mohou být použita při dalším startu počítače. Uživatel v některých verzích BIOSů může ručně vynutit novou kompletní inicializaci pomocí vymazání ESCD. BIOSy, které podporují ACPI, ukládají do speciálních tabulek mnohem více informací.
Celý proces automatické konfigurace funguje spíše jako černá skříňka, takže uživatel má obvykle minimální možnosti, jak jej ovlivnit. Ze stejného důvodu není výsledek automatické konfigurace předvídatelný ani u podobných zařízení.

Charakteristika

PCI sběrnice používaná v běžných domácích PC
  • šířka sběrnice 32 bitů
  • hodiny s kmitočtem 33,33 MHz a synchronním přenosem
  • maximální teoretická přenosová rychlost 133 MB za sekundu (33,33 MHz × 32 bitů ÷ 8 bitů/byte = 133 MB/s)
    • přenosovou kapacitu sdílejí všechna připojená zařízení
    • prakticky je maximální rychlost nižší (část se spotřebuje na režii sběrnice)
    • tehdejší běžný pevný disk dokázal při sekvenčním čtení dosáhnout 60 MB/s
    • připojíme-li na sběrnici PCI kartu IDE řadiče se dvěma disky, nebude již klasická PCI sběrnice stačit
  • 32 bitová adresová sběrnice (adresace až 4 GB paměti RAM)
  • 32 bitové adresy I/O portů
  • 256 bajtů konfiguračního prostoru
PCI sběrnice pro výkonné stanice a servery
  • šířka sběrnice 64 bitů
  • hodiny s kmitočtem 66 MHz nebo 133 MHz
  • maximální teoretická přenosová rychlost 266 MB nebo 532 MB za sekundu

Verze

  • Pozdější verze PCI umožňují (a v nejposlednější verzi vyžadují) 3,3 V sloty na základních deskách (jiné klíčování resp. zářezy) a umožňují kartám, aby byly buď dvakrát klíčované pro obě napětí, nebo jen pro 3,3 V
  • PCI 2.2 umožňuje 66 MHz signalizaci (vyžaduje 3,3 V signalizaci – nejvyšší možná rychlost přenosu 533 MB/s)
  • PCI 2.3 dovoluje použít 3,3 V a univerzální klíčování, ale nedovoluje klíčování pro 5 V.
  • PCI 3.0 je konečný oficiální standard pro PCI sběrnici, byla úplně odstraněna možnost 5 V.
  • PCI-X je zpětně kompatibilní s PCI 2.3 a zdvojnásobuje šířku na 64 bitů, upravuje protokol a zvyšuje maximální signalizační frekvenci na 133 MHz (nejvyšší přenosová rychlost 1014 MB/s)
  • PCI-X 2.0 povoluje 266 MHz kmitočet (nejvyšší přenosová rychlost 2035 MB/s) a také 533 MHz, rozšiřuje konfigurační prostor na 4096 bajtů, přidává šestnáctibitovou variantu a umožňuje signalizaci na 1,5 V.
  • Mini PCI je nová forma PCI 2.2 pro použití v přenosných počítačích.
  • CardBus je karta PC pro 32 bitovou, 33 MHz PCI
  • Compact PCI používá moduly velikosti Eurokarty
  • PCI/104-Plus je průmyslová sběrnice která používá signály PCI s různými konektory

Fyzická velikost karty

Karta plné velikosti je vysoká 107 mm a hluboká 312 mm. Výška zahrnuje okraj konektoru karty. Kromě těchto rozměrů jsou také standardizovány fyzické rozměry a umístění podložky. Podložka je část, která drží kostru karty, aby ji stabilizovala, a také obsahuje externí konektory, takže se obvykle upevňuje do rámečku na zadní straně počítače a je přístupná zvenku. PCI karta může mít jakékoliv menší rozměry, ale podložka musí mít vždy plnou velikost a být správně umístěná, aby karta správně pasovala do jakéhokoliv slotu PCI. Přesto někteří výrobci použili jiné rozměry (např. Dell). Karty poloviční výšky a délky, stejně tak jako sloty, jsou běžné, a očividně mají poloviční rozměry karet plné velikosti. Jiné karty se sníženou výškou se nazývají nízkoprofilové (low profile) nebo slim.
Existuje nejméně jedna redukovaná velikost zadní podložky a také existuje velmi kompaktní kostra, která vyžaduje tuto úpravu, ale toto není běžné. 

Rozšiřující karta poloviční délky (Half-length extension card)

Šířka 15,24 mm, hloubka 175,26 mm, výška 106,69 mm. 

Klíčování

Běžné PCI karty mají buď jeden nebo dva klíčovací zářezy podle napěťové signalizace. Karty vyžadující 3,3 V mají zářez vedle přední strany karty (kde se nacházejí externí konektory) zatímco ty, vyžadující 5 voltů mají zářez na druhé straně. Takzvané univerzální karty mají oba zářezy a mohou přijímat oba typy signálů. 

Mini PCI

Mini PCI je 32bitová sběrnice pracující na taktu 33MHZ vyvinutá pro notebooky. Do specifikace PCI byla přidána ve verzi 2.2. Součástí je napájení (pouze 3,3 V; 5V je limitováno 100mA), podpora bus masteringu a DMA. Standardní velikost Mini PCI karet je čtvrtinová vzhledem k její standardní verzi. Vnější přístup je v porovnání s klasickými PCI kartami značně limitován, též jsou omezeny různé další funkce.
Pro Mini PCI bylo vyvinuto mnoho zařízení, například Wi-Fi, Fast Ethernet, Bluetooth, modemy, zvukové karty, SCSI, IDE-ATA, SATA řadiče a různé kombinace karet.
Mini PCI karty mohou být použity i v klasických základních deskách pro desktopy, je však zapotřebí speciální redukce. Dnes bývá Mini PCI nahrazována sběrnicí Mini PCI Express.

 

PCI-X

PCI-X (Peripheral Component Interconnect eXtended) je v informatice standard počítačové sběrnice pro rozšiřující karty. Byla navržena jako zpětně kompatibilní náhrada sběrnice PCI 2.3, vůči které zdvojnásobuje šířku datové sběrnice, zvyšuje maximální frekvenci a upravuje komunikační protokol. Zpětná kompatibilita je zajištěna použitím stejné architektury, protokolu a konektorů. Sběrnice PCI-X nenahradila sběrnici PCI, protože se dostatečně nerozšířila. Nástupcem sběrnice PCI tak byla až sběrnice PCI-Express.

Historie

Sběrnici PCI-X vyvinuly v roce 1998 společnosti IBM, HP a Compaq jako náhradu stávající PCI sběrnice, která již nedokázala uspokojit potřeby nejvýkonnějších zařízení na vysokou datovou propustnost (síťové karty pro Gigabitový Ethernet, Fibre Channel, Ultra3 SCSI i klasické IDE PATA řadiče a další zařízení).
Technický popis
PCI-X upravuje PCI standard zdvojnásobením maximální frekvence (z 66 Mhz na 133 MHz), rozšířením datové sběrnice na 64 bitů a tím se razantně zvýšila datová propustnost. Teoretická maximální přenosová rychlost dat je u PCI-X až 1,064 GB/s ve srovnání s 532 MB/s standardní PCI sběrnice. PCI-X přineslo některé vlastnosti, které umožňují zachovat běh počítače i v případě poruchy na některé kartě – vadné karty se mohou znovu nakonfigurovat nebo odpojit. PCI-X obecně zachovává zpětnou kompatibilitu s PCI 2.x. Karty PCI-X je možné použít v PCI slotu, jen na základních deskách, které podporují napájení 3,3 V. Ve sběrnici PCI-X mohou pracovat 3,3V PCI karty. Karty PCI-X a PCI mohou být používány na PCI-X sběrnici současně, ale rychlost je pak limitována nejpomalejší kartou. Například PCI 2.3 zařízení běžící na 32 bitech a 66 Mhz, které je zapojeno do PCI-X 133 Mhz sběrnice, sníží rychlost sběrnice na 266 MB/s. 

Verze

Všechny karty nebo sloty mají 64-bit implementaci a liší se následovně:

  • Karty
    • 66 MHz (přidáno v Rev. 1.0)
    • 100 MHz (implementováno 133 MHz adaptérem na některých serverech)
    • 133 MHz (přidáno v Rev. 1.0)
    • 266 MHz (přidáno v Rev. 2.0)
    • 533 MHz (přidáno v Rev. 2.0)
  • Sloty
    • 66 MHz (lze nalézt ve starých serverech)
    • 133 MHz (nejběžnější v moderních serverech)
    • 266 MHz (nahrazeno PCI-e)
    • 533 MHz (nahrazeno PCI-e)

PCI-X 2.0

V roce 2003 PCI SIG ratifikovalo PCI-X 2.0. Přineslo 2 nové verze 266 Mhz a 533 MHz, množství přenesených dat se zvýšilo na 2,15 GB/s a 4,3 GB/s. Dále bylo vybaveno podporou ECC (Error Correction Code), které automaticky opravuje chyby vzniklé při přenosu dat. 16 bitovým rozhraním, které umožňuje použít zařízení omezená místem, například integrované RAID řadiče. Podobně jako u PCI Express byly přidány PtP funkce, jež dovolují zařízením na sběrnici komunikovat jednomu s druhým, aniž by při tom zatěžovaly CPU nebo bus controller.

 

AGP

AGP (zkratka pro Accelerated Graphics Port nebo též Advanced Graphics Port) je v informačních technologiích speciální patice pro připojení grafické karty. Nejedná se v pravém slova smyslu o sběrnici, protože do AGP lze připojit pouze jedno zařízení.

Charakteristika

AGP slot není sběrnice, protože AGP lze připojit pouze jedno zařízení. Jedná se o spojení typu point-to-point, které je určeno pro porty k připojení externích zařízení, zejména pro připojení grafických adaptérů a grafických akcelerátorů. Z důvodu zobrazení videa ve velkém rozlišení byl při návrhu AGP kladen důraz na co nejvyšší rychlost přenosu dat s malou latencí. Technologie AGP vznikla úpravou sběrnice PCI, takže některé řídící signály jsou podobné (adresová a datová část AGP používá stejné vodiče pro přenos jako PCI). Došlo k několika modifikacím, z nichž nejvýraznější je odstranění arbitrážního obvodu. Z toho plyne, že je možné připojit pouze jedno zařízení. 

Výhody oproti PCI

S příchodem grafických uživatelských rozhraní a multimédií byla velmi rychle vyčerpána kapacita sběrnice PCI. AGP se ujala snadněji než rychlejší varianty PCI sběrnice (PCI-X), protože poskytovala rychleji dostupné a levnější řešení, což ještě dále působilo na rozvoj AGP. Pro potřeby moderních grafických adaptérů je AGP lepší než PCI sběrnice, protože poskytuje rychlý vyhrazený kanál mezi slotem a procesorem, proti sdílené PCI sběrnici. AGP také využívá sideband addressing, který využívá dalších 8 adresových vodičů. Pomocí sidebandu je možné realizovat jinou techniku adresování, než umožňovala sběrnice PCI. K dispozici je však rovněž 32 hlavních adresových vodičů. Grafické karty na PCI musí načítat textury ze systémové RAM do grafické paměti (framebuffer). AGP karty jsou schopné číst textury přímo z operační paměti pomocí GART (anglicky Graphics Address Remapping Table), ve kterém jsou vedeny informace o uložení a funkci stránek paměti. Jedna stránka má konstantní velikost 4 KiB. V případě, že jsou data z nějaké stránky vyžadována pro vykreslování a stránka je uložena v operační paměti, je proveden přenos příslušné 4 KiB stránky do paměti grafického akcelerátoru, a následně se provede úprava záznamu v GART. Vzhledem k poměrně malé velikosti stránek tak nedochází k jednorázovému zatížení systému, protože se zátěž v čase rozloží. 

Historie

Hlavním důvodem vedoucím k zavedení AGP byly stoupající požadavky na rychlost přenosu grafických dat, především videa a textur pro trojrozměrné scény. Intel zavedl podporu AGP ve Slot 1 čipsetu i440LX v polovině října 1997 a později se přidali všichni významní výrobci. První Socket 7 čipset s podporou AGP byly VIA Apollo VP3, SiS 5591/5592 a ALI Aladdin V. Intel nikdy nevydal Socket 7 s podporou AGP. FIC předvedlo první Socket 7 s AGP systém v listopadu 1997 jako FIC PA-2012 založený na VIA Apollo VP3 čipsetu, po něm následovalo velmi rychle EPoX P55-VP3, založené na čipové sadě VIA VP3, která byla první na trhu.
První video čipy s podporou AGP byly Rendition Vérité V2200, 3dfx Voodoo Banshee, Nvidia RIVA 128, 3Dlabs PERMEDIA 2, Intel i740, ATI Rage series, Matrox Millennium II a S3 ViRGE GX/2. Některé rané AGP karty používaly grafické procesory postavené kolem PCI a byly přemostěny na AGP. To vedlo k tomu, že karty těžily jen málo z nové sběrnice, avšak zvýšila se frekvence na 66 MHz, což znamenalo zdvojnásobení šířky pásma proti PCI. Příklady takových karet byly VooDoo Banshee, Vérité V2200, Millennium II a S3 Virge GX/2. Intel i740 byl navržen k využití nových vlastnosti AGP. 

Verze AGP

Intel představil první verzi AGP (nazvanou „AGP specification 1.0“) v roce 1997. Zahrnovala obě rychlosti 1× a 2×. Novější verze AGP zvýšily přenosovou rychlost z 2× na 8×. Tyto verze jsou:

  • AGP 1× – používá 32bitový kanál na 66 MHz umožňující maximální datový tok 266 MB/s (dvojnásobek rychlosti sběrnice PCI); 3.3 V.
  • AGP 2× – používá 32bitový kanál běžící na 66 MHz (double pumped) na efektivních 133 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 533 MB/s; 3,3 V;
  • AGP 4× – používající 32bitový kanál běžící na 66 MHz (quad pumped) na efektivních 266 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 1066 MB/s (1 GB/s); 1,5 V;
  • AGP 8× – používá 32bitový kanál běžící na 66 MHz (8 bitů za takt) na efektivních 533 MHz umožňující maximální přenosovou rychlost 2133 MB/s (2 GB/s); 0,8 V.

Variace

Řada nestandardních variací AGP rozhraní byla vyrobena různými výrobci.

64-bit AGP
64bitový kanál. Používaný v high-end profesionálních grafických kartách. Byl navržen jako dobrovolný standard pro AGP 3.0, ale v konečné verzi byl vypuštěn.

Ultra-AGP, Ultra-AGPII
Ultra-AGP a Ultra-AGPII jsou interní rozhraní AGP používané SiS pro severní můstek s integrovanou grafikou. Původní verze podporuje stejné šířky pásma jako AGP 8x, zatímco Ultra-AGPII má maximální šířku pásma 3,3 GB/s.

AGP Pro
AGP Pro byl jen zřídka používaný slot pro karty, které požadovaly větší napájení, než poskytovalo standardní AGP. Byl to delší slot s přidanými piny pro tento účel. AGP Pro karty byly obvykle určeny pro urychlení profesionálních aplikací pracujících v oblasti architektury, obrábění, strojírenství, simulací a v podobných oborech.

 

PCI-E

PCI-Express (též PCIe, PCI-E nebo 3GIO = 3rd Generation I/O) je v informatice standard systémové sběrnice, který byl vytvořen jako náhrada za starší standardy PCI, PCI-X a AGP. Označení sběrnice není zcela správné, protože se jedná o dvoubodové spoje, na kterých jsou data přenášena bez potřeby adresy (adresace zařízení). Sběrnice PCI-Express používá sériový přenos dat (na rozdíl od svých předchůdců), protože to přináší proti paralelnímu přenosu některé výhody, zejména možnost dále zvyšovat frekvenci, na které sběrnice pracuje (a tím i přenosovou rychlost), protože u paralelní komunikace začalo při vysokých frekvencích docházet k nežádoucímu vzájemnému ovlivňování vodičů a vyvstaly problémy se synchronizací (anglicky clock skew).

Historie

Původní návrh PCIe přinesla skupina AWG (Arapaho Work Group), zpočátku složená pouze ze zaměstnanců firmy Intel, ovšem konečný standard (verze 1.0 z roku 2004) byl výsledkem spolupráce již několika hardwarových korporací, včetně firem Dell, IBM a Hewlett-Packard. V říjnu 2004 se PCI-Express stala novým standardem pro osobní počítače. High-end grafické karty obou hlavních výrobců (ATI Technologies a nVidia) začaly přecházet z AGP na PCI-Express.
V lednu 2007 se prodávala většina grafických karet pro PCI-E, a to ve variantě pro PCI-E 16×. PCI-E 1× a 4× se zatím používají pouze pro zvukové karty, řadiče pevných disků a další zařízení, která nepotřebují přenášet tak vysoký objem dat, jako grafické karty. PCI-Express je technologie v neustálém vývoji a zlepšování, poslední verze je 4.0.

Přehled verzí

PCI-Express 1.0a
V roce 2003 byla představena PCIe 1.0a s rychlostí 250 MB/s na jedné lince a přenosovou rychlostí 2.5 GT/s (gigatransfer za sekundu = 109/s). PCIe 1.x používá 8b/10b kódování, které ale vyžaduje 20 % režii při přenosu dat ((10-8)/10).
Přenosová rychlost je uvedena v gigatransferech, protože takové číslo zahrnuje i režijní bity.

Propustnost PCI-Express 1.x:
 
Typ Jednosměrně Obousměrně
x1 250 MB/s  500 MB/s 
x4 1 GB/s 2 GB/s
x8 2 GB/s 4 GB/s
x16 4 GB/s 8 GB/s


PCI-Express 1.1

O dva roky později, v roce 2005, byla představena aktualizace na 1.1. Ten se týkal pouze několika málo úprav při zachování stejné rychlosti a plné zpětné kompatibility. Ani PCI-Express 1.1 není tak dost rychlá na to, aby byla použita jako paměťová sběrnice.
 
PCI-Express 2.0
 
PCI-Express 2.0 zvyšovala přenosovou rychlost jedné linky z 250 MB/s na 500 MB/s. To znamená, že například u slotu s šestnácti linkami (PCIe 16×) vzrostla rychlost ze 4 GB/s na 8 GB/s. Tato verze je zpětně i dopředně kompatibilní, lze tedy karty s podporou PCI-Express 2.0 zapojit do základní desky, která obsahuje pouze podporu verze 1.1 a naopak. Díky tomu například nejsou grafické karty v zapojení SLI a CF limitované propustností slotu při režimu 8x.

Propustnost PCI-Express 2.0:
 
Typ Jednosměrně Obousměrně
x1 500 MB/s 1 GB/s
x4 2 GB/s 4 GB/s
x8 4 GB/s 8 GB/s
x16 8 GB/s 16 GB/s
 
PCI-Express 2.1

PCI Express 2.1 podporuje velkou část systémů správy, podpory a řešení potíží, u kterých se s plnou podporou plánovalo až v následující verzi. Nekonalo se však žádné navýšení rychlosti, která tak zůstává stejná. Navýšilo se ale napájení slotu, což znamenalo přerušení zpětné kompatibility mezi verzemi 2.1 a 1.0a. Pro většinu základních desek s PCIe 1.1 ale existují aktualizace systémů BIOS od jejich výrobců, díky kterým je zpětná kompatibilita zajištěna.
 
PCI-Express 3.0

Po několikátém odložení byly specifikace verze 3.0 částečně zveřejněny v listopadu 2010. Již předtím však bylo známo, že bit rate oproti verzi 2.0 vzroste na 8 GT/s (gigatransferů za sekundu) a že bude zpětně kompatibilní s předešlou verzí. Taktéž bylo oznámeno, že podrobnější detaily budou zveřejněny až v roce 2011. Nové změny se pak týkaly několika optimalizací signálové a datové integrity, zahrnující vyladění přijímače i vysílače, vylepšení PLL, obnovu hodinového signálu a vylepšení podpory stávajících topologií.
Analýza PCI-SIG (PCI Special Interest Group) ukázala, že další zvýšení rychlosti bude možné se stávající technologií za použití dostupných nízko nákladových materiálů a infrastruktury při zachování plné kompatibility s PCIe protokolem.
PCIe 3.0 oproti předešlé verzi odstraňuje 8b/10b kódování a namísto toho používá techniku nazývanou "scrambling" (změna posloupnosti bitů), která aplikuje známý binární polynom do datového toku v topologii zpětné vazby. V důsledku toho mohou být data obnovena za použití obráceného, inverzního polynomu. Namísto odstraněného 8b/10b je zde použito 128b/130b kódovací schéma čímž režie při přenosu dat klesla z původních 20 % u PCIe 2.0 přibližně na 1,5 % ((130-128)/130). Rychlost 8 GT/s také zajišťuje až dvojnásobnou datovou propustnost na rozdíl od 2.0.
18. listopadu 2010 byli členové PCI-SIG oficiálně obeznámeni s finálními parametry PCIe 3.0, aby mohli začít s výrobou zařízení pro novou verzi.
První grafickou kartou s přímou podporou PCIe 3.0 byla vlajková loď společnosti AMD, Radeon 7970. Následné recenze se však domnívají, že samotný grafický výkon prakticky nevzrostl oproti starší PCIe 2.0. Nicméně se ukázalo, že je nová verze výhodná pro technologie jako OpenCL, CUDA a C++ AMP.

Specifikace PCI-Express 3.0:
 
Typ Propustnost
jednosměrně
Propustnost
obousměrně
Počet
pinů
Použitelné
piny
Celková
délka
Délka vnitřku
slotu
x1 1 GB/s 2 GB/s 2x18 = 36 2x7 = 14 25 mm 7,65 mm
x4 4 GB/s 8 GB/s 2x32 = 64 2x21 = 42 39 mm 21,65 mm
x8 8 GB/s 16 GB/s 2x49 = 98 2x38 = 76 56 mm 38,65 mm
x16 16 GB/s 32 GB/s 2x82 = 164 2x71 = 142 89 mm 71,65 mm
 
PCI-Express 3.1
 
V září 2013 bylo oznámeno, že specifikace PCI Express 3.1 bude uvedena na trh koncem roku 2013 nebo počátkem roku 2014, konsolidováním různých vylepšení publikované specifikace PCI Express 3.0 ve třech oblastech: řízení spotřeby, výkon a funkčnost. Byla vydána v listopadu 2014.
 
PCI-Express 4.0

Na konci roku 2011 byl oznámen začátek prací na PCI Express 4.0 s cílem dosáhnout rychlosti 32 GB/s (dvojnásobek 3.0), stále se starou technologií. Mimo jiné se také chystá optimalizace napájení jak v aktivním módu, tak v nečinném. Zveřejnění finálních informací se očekává předběžně v roce 2014/2015. Zatím jen odklad na rok 2017.
V roce 2017 konsorcium PCI-SIG prohlásilo specifikaci PCI-Express 4.0 konečně za finální. Už nemá dojít ke změnám, takže je možné připravovat produkty, pokud tak firmy nezačaly činit již během vývoje technologie. Při vývoji už byly s řadou výrobců testovány a ověřovány přímo fyzické implementace, takže řada výrobců novou technologii mohla uvést na trh velice brzy po datu oficiálního dokončení.
Přínos sběrnice PCI Express 4.0 oproti verzi 3.0 je jednoduchý. Zdvojnásobuje dostupnou propustnost při stejném počtu linek, takže z určitého typu slotu bude možno dostat dvakrát vyšší přenosovou rychlost. Rychlost jedné linky stoupla z 1 GB/s (8Gb/s) na 2 GB/s (16 Gb/s). To znamená, že slot PCI Express 4.0 ×16 pro grafickou kartu bude schopen dát teoretický „průtok“ 32 GB/s a třeba slot M.2 s konektivitou ×4 pro SSD rychlost 8 GB/s. V praxi výsledky budou vždy nižší kvůli režii, což ale platí i dnes. Sběrnice je nadále duplexní, takže plná kapacita je současně dostupná v obou směrech komunikace. Pokud by se počítaly oba směry dohromady, dala by se tedy kapacita PCI Express 4.0 ×16 označit jako 64 GB/s.
Krom rychlosti byly vylepšeny i další aspekty, například virtualizace, funkce pro odolnost vůči chybám a zvýšení spolehlivosti, nebo pružnější škálování na různé počty linek. Co je také důležité je skutečnost zachování plně zpětné kompatibility, a to jak na úrovni protokolu, tak elektrická i mechanická. Starší karty tak ve slotech PCI Express 4.0 pracují svou plnou rychlostí, a karty PCI Express 4.0 zase jsou funkční ve slotech starších generací, běžící na jimi podporované rychlosti.
 
PCI-Express 5.0

Zároveň s finalizací verze 4.0 už PCI-SIG začalo hovořit i o příštím kroku, kterým bude PCI Express 5.0. Tato generace má opět přinést dvojnásobný výkon, respektive přenosovou rychlost. Jedna linka by tedy měla zrychlit už na 4 GB/s (což byla v době uvedení PCIe 1.0 propustnost celého slotu ×16). Slot PCI Express 5.0 ×16 pak bude nabízet 64 GB/s, přičemž uváděné rychlosti jsou jedním směrem.
Zatím nevíme, zda se počítá s nějakými velkými změnami, například zkrácením maximální fyzické délky spojení, nebo přechodem z měděných vodičů na optickou technologii. V takovém případě by ale asi byla zkomplikována cesta tohoto rozhraní do běžné spotřebitelské sféry, jelikož optické spoje a převodníky by nebyly nic levného.
PCI Express 5.0 by se pak mohl uplatňovat spíše v serverech, výkonné síťové infrastruktuře a podobných oblastech, kde vyšší cena není na závadu. Jako jedno z použití je citována například implementace adaptérů pro 400 Gb/s Ethernet. Zároveň také nevíme jistě, jak to bude s kompatibilitou nových karet se staršími verzemi tohoto rozhraní a naopak starých karet s novými sloty. Údajně je o to snaha, ale zda uspěje, dost možná vyplyne až během vývoje.
PCI-Express 5.0 by mohl být vydán již v roce 2019.