Bus trong hệ thống máy tính

1. Giới thiệu   Máy vi tính có thể cho phép nhiều giao diện khác nhau kết nối với nhiều lớp khác nhau như : các thiết bị ngoại vi , các thành phầncắm thêm vào máy vi tính đó là một trong những thành công của PC .

Xét về bản chất thì những máy vi tính ngày nay khác chút ít với thiết kế gốc ban đầu của IBM như : tập trung những thành phần , những thiết bị bên trong và bên ngoài bằng những đường dữ liệu tốc độ cao để chuyển dữ liệu đến ( input ) hoặc truyền dữ liệu đi ( output ) . Người ta gọi những đường truyền dữ liệu như vậy là Bus , chúng nối những thành phần bên trong và bên ngoài máy vi tính lại với nhau .

Bus nhanh nhất là đường dữ liệu kết nối giữa bộ vi xử lí với bộ nhớ Cache L1 , nằm bên trong CPU . Bus nhanh tiếp theo là Bus hệ thống , chúng nối bộ vi xử lí với bộ nhớ ( nối với bộ nhớ cache L2 và bộ nhớ RAM hệ thống ) .

Đối với những thiết kế của Intel cho tới trước năm 1998 , Bus hệ thống có độ rộng 64-bit và có tốc độ xung nhịp đạt tới 66MHz , khi Pentium II xuất hiện thì tốc độ của nó là 100MHz . CPU không truyềng tin trực tiếp tới bộ nhớ hệ thống mà thông qua Chip trung gian của Phần điều khiển hệ thống , mà chúng được quản lí bởi Host Bus và những Bridge đó là Bus PCI .

Bộ vi xử lí dùng cấu trúc DIB (Dual Independent Bus) , được Intel giới thiệu cùng với Pentium II thay thế Bus hệ thống Single bằng 02 Bus riêng biệt : một để truy cập vào bộ nhớ chính của hệ thống RAM và một để truy cập vào bộ nhớ Cache L2 .

Chúng được gọi tên tương ứng là FSB ( Frontside Bus ) và BSB ( Backside Bus ) .

Một khái niệm quan trọng dựa trên cấu trúc mở trong Bus mở rộng đơn giản để dễ dàng kết nối với những thành phần hoặc các thiết bị khác . Gần 20 năm sau khi ra đời nó vẫn còn có khả năng kết nối với với những Card cắm thêm vào PC . Trong khi đó sẽ có những kiểu Bus sẽ mất đi theo thời gian thì bên cạnh đó sẽ có những kiểu Bus xuất hiện để phù hợp với những thiết bị hiện thời .

2. Bus ISA

Khi xuất hiện lần đầu tiên trong PC , Bus ISA 8-bit với tốc độ xung nhịp 4.77MHz , cùng tốc độ với bộ vi xử lí . Nó được cải tiến sau một năm và trở thành một tiêu chuẩn Bus công nghiệp ISA (Industry Standard Architecture) vào năm 1982 cùng với cấu trưc bên trong máy vi tính IBM PC/AT dùng bộ vi xử lí 80286 và Bus sử dụng dữ liệu 16-bit , Bus ISA có tốc độ xung nhịp là 6MHz và sau cùng là 8MHz .

Bus ISA kết nối sử dụng 16-bit dữ liệu và tốc độ xung nhịp 8MHz . Nó có tốc độ truyền dữ liệu về mặt lí thuyết là 16MBps . Tốc độ này giảm xuống còn một nửa vì chu kì xung nhịp đồng hồ vừa được sử dụng trong kiểu địa chỉ ( address )vừa được sử dụng trong kiểu dữ liệu ( data ) nên trên thực tế tốc độ này không vượt quá 5MBps – nó vần còn thành công trong nhiều kiểu thiết bị ngoại vi và một số lớn những card mở rộng vẫn còn sử dụng cho tới sau năm 1990 .

Bộ vi xử lí có tốc độ ngày càng nhanh hơn , độ rộng của đường truyền dữ liệu ngày càng lớn hơn , thiết kế ISA cơ bản không thể đáp ứng được nhu cầu công việc .

Sự thay đổi cấu trúc Bus đầu tiên phải nói đến chuẩn mới MCA (Micro Channel Architecture) do IBM phát triển .

Bên cạnh đó chuẩn EISA (Extended ISA ) do những nhà sản xuất cạnh tranh với IBM phát triển để làm đối trọng với IBM .

Mặc dầu cả hai đều chạy với tốc độ xung nhịp đồng hồ 10MHz và 8 MHz tương ứng và có khả năng có đường truyền dữ liệu 32-bit và có tốc độ truyền dữ liệu 20MBps nhưng EISA lại tương thích với card ISA còn MCA lại không tương thích với ISA.

3.Local Bus

Mainboard cho bộ vi xử lí Intel 80286 có khả năng chạy những khe cắm mở rộng và bộ vi xử lí chạy với tốc độ xung nhịp khác với tốc độ xung nhịp của Bus . . Khi CPU 80386 được giới thiệu vào năm 1987 thì trên Mainboard cung cấp 02 bus hệ thống , ngoài Bus thông thường như :ISA , EISA hoặc MCA , còn có thêm Bus hệ thống 32-bit để kết nối bộ vi xử lí với bộ nhớ chính của hệ thống RAM . Cùng với sự phát triển của hệ điều hành GUI (Graphical User Interface) có giao diện đồ hoạ tương tác với người sử dụng ( như MS Windows ) và yêu cầu cần thiết đối với hệ thống đồ hoạ nhanh nên có phát sinh khái niệm Local Bus bởi vì tốc độ cao và độ phức tạp khi xử lí .

Hiệu quả đầu tiên để tăng tốc độ tính toán được ưu tiên hàng đầu của nhà sản xuất Card màn hình cùng với phần điều khiển ổ cứng vào bên trong Bus hệ thống . Vào đầu năm 1990 một nhóm nhà sản xuất Chipset card màn hình và Adapter gọi là VESA (Video Electronics Standards Association) đưa ra chuẩn gọi là VESA Local Bus ( VL – Bus ).

VL-Bus làm việc tốt với nhiều loại Card và chiếm ưu thế nhất đối với card màn hình và phần điều khiển IDE .

VESA khuyến cáo nên sử dụng 02 khe cắm có thể dùng xung nhịp đồng hồ tới 33MHz hoặc 03 thiết bị nếu chúng ta có phần đệm mạch điện từ Bus . Nếu tần số cao hơn hoặc không có nhiều hơn 02 Card VESA được nới với Mainboard thì tốc độ xung nhịp đồng hồ có thể đạt được 50MHz.

Trên thực tế là VL-Bus chạy cùng với tần số như của CPU thì một vấn đề xảy ra khi tần số này tăng lên . Với thiết bị ngoại vi đòi hỏi tốc độ nhanh hơn thì giá thành của VESA Card rất đắt nên rất khỏ để tiếp tục phát triển kiểu Bus này .

4. Bus PCI

Chuẩn PCI (Peripheral Component Interface) đầu tiên do Intel phát triển là Version 1.0 kết hợp với kiểu PCI Local bus 2.0 do SIG (Special Interest Group) giới thiệu vào tháng 5 năm 1993 . Để thực hiện những công việc trong tương lai PCI hỗ trợ những card mở rộng dễ dàng về phần cứng với tính năng PnP ( Plug and Play ) - hệ thống cho phép PC tự động phát hiện thay đổi card mới mà chúng được cài đặt vào mà không cần thiết lập bằng Jumper và mức ngắt ( Interrupt) . Mùa hè năm đó , Windows 95 được tung ra thị trường và hỗ trợ hệ điều hành với chức năng PnP . Năm 1994 chuẩn PCI thông trị tiêu chuẩn Local Bus .

Trong khi VL-Bus bản chất là Bus mở rộng hoặc đường , CPU sử dụng để truy cập bộ nhớ chính của hệ thống RAM , thì PCI là Bus tách rời khỏi CPU nhưng nó có truy cập tới bộ nhớ chính RAM . Bus PCI có nhiều ưu thế và có tốc độ thực hiện cao hơn VL-Bus. Những thiết kế Bus trước chạy với tốc độ của Bus hệ thống liên quan đến tốc độ xung nhịp của CPU , Bus PCI liên kết với Bus hệ thống qua những mạch "Bridge" và chạy với tốc độ xung nhịp đồng hồ cố định mà không quan tâm đến tốc độ xung nhịp của CPU .

PCI có một giới hạn ở chỗ nó có thể có 05 kết nối , mỗi một kết nối có thể thay thế bằng 02 thiết bị trên Mainboard . Nó cũng có khả năng cho phép CPU hỗ trợ nhiều hơn 01 Chip Bridge . Nó đòi hỏi đặc tính sit sao hơn VL-Bus , hỗ trợ những card cắm thêm sử dụng điện áp 5V hoặc 3.3V vì thế những khe cắm phải riêng biệt cho những card riêng biệt .

Ban đầu tốc độ xung nhịp đồng hồ cho Bus PCI là 33MHz , về sau nâng lên 66MHz đối với PCI 2.1 , với tốc độ lí thuyết là 266MBps - gấp 33 lần so với ISA Bus . Nó có thể thiết lập cấu hình 32-bit hoặc 64-bit . Với 64-bit chạy với tốc độ xung nhịp 66MHz - giữa năm 1999 - tăng băng thông về mặt lí thuyết tới 524MBps . PCI có kích thước nhỏ hơn so với ISA , nó cho phép chia sẻ các IRQ (interrupt requests) - điều đó là dễ khi sử dụng và hệ thống nhanh chóng lựa chọn IRQ . Bus mastering PCI giảm thời gian trễ và kết quat làm tăng tốc độ của hệ thống .

5.AGP

Bus PCI có tốc độ nhanh và đương ứng dụng rộng rãi , nhưng có một vấn đề đe doạ là sự thiếu hụt băng thông . Đầu thời kì Bus ISA , màn hình đơn giản là MDA (Monochrome Display adapter) và Card màn hình màu CGA (Colour Graphics Array) . Hiển thị đồ hoạ kiểu CGA có 04 màu (2-bit) và độ phân giải màn hình 320 x 200 pixel và 60Hz lúc đó yêu cầu 128000 bit dữ liệu màn hình hoặc hơn 937KBps .

Với hình ảnh XGA có 16-bit màu , yêu cầu 1.5MB dữ liệu cho mỗi ảnh và có tần số mành 75Hz . Nhưng đối với những hình ảnh kỹ thuật 3D thì có vần đề lớn liên quan đến băng thông .

Những hình ảnh 3D làm cho chất lượng hỉnh ảnh thực hơn , hấp dẫn hơn . Trong khi đó băng thông cao nhất của PCI không bảm đương được công việc đó . Giải pháp của Intel là phát triển AGP (Accelerated Graphics Port ) tách khỏi công việc với Bus của vi xử lí .

Chipset AGP hoạt động như là trung gian giữa CPU và bộ nhớ Cache L2 bao gồm bên trong Pentium II : bộ nhớ hệ thống , Card màn hình và Bus PCI - nó được gọi là Quad Port .

AGP hoạt động với tốc độ của Bus vi xử lí gọi là FSB (Frontside Bus) . Tốc độ xung nhịp của nó là 66MHz gấp đôi so với tốc độ xung nhịp PCI nên tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được 264MBps .

Đối với những card màn hình được thiết kế hỗ trợ nó , AGP cho phép dữ liệu gửi đi trong cả sườn lên hoặc xuống của xung nhịp đồng hồ nên tốc độ xung nhịp đạt được 133MHz và tốc độ truyền dữ liệu cao nhất 528MBps - nó được gọi là AGP 2x . Để tăng quãng thời gian mà AGP có thể truyền với tốc độ đỉnh , Bus đã hỗ trợ liểu Pipeline , nó là một cải tiến của kiểu PCI . Card màn hình AGP 2X hỗ trợ Pipelien sẽ duy trì được 80% tốc độ truyền cao nhất (peak) .

AGP cũng hỗ trợ kiểu Queu 32 lệnh đi kèm trong quá trình xử lí gọi là SBA (Sideband Addressing) , những lệnh được gửi trong khi dữ liệu đang nhận . Điều này cho phép Bus giữ được ổn định tốc độ đỉnh 90% thời gian .

Cùng với việc tăng tốc độ truy cập bộ nhớ hệ thống RAM , AGP có thể dùng bộ nhớ hệ thống làm bộ nhớ cho card màn hình - nó được gọi là DIME (Direct Memory Execute) . Thiết bị gọi là GART (Graphics Aperture Remapping Table) dùng địa chỉ bộ nhớ hệ thống RAM để lấy một phần dung lượng bộ nhớ này để sử dụng cho Card màn hình cho phép lưu trữ những hình ảnh với kích thước lớn .

Intel đưa ra kiểu AGP 2.0 kết hợp với tính năng mở rộng của AGP Pro , nó cho phép truyền tốc độ 4X có nghĩa là truyền 04 dữ liệu trong một chu kì xung nhịp đồng hồ trong giao diện AGP 66 MHz . Theo lí thuyết với tốc độ như thế sẽ đạt được 2.0 GBps . Với kiểu 4X sẽ có tốc độ cao hơn nếu tốc độ xung nhịp là 100MHz và 133MHz .

AGP Pro với những đặc tính đồ hoạ chất lượng cao đồng thời tiêu thụ năng lượng cao hơn và sử dụng khe cắm riêng biệt .

6. PCI-X

PCI-X 1.0 thêm vào những tính năng của PCI Local Bus được phát triển bởi IBM , HP và Compaq .

PCI-X hoàn toàn tương thích với chuẩn PCI , ngay lập tức nó đáp ứng được giải thông cao trongnhững ứng dụng như : Gigabit Ethernet , Ultra3 SCSI và đồ hoạ tốc độ cao .

PCI-X khôngchỉ có tăng tốc độ Bus PCI mà cũng tăng cố khe cắm tốc độ cao . Với những thiết kế lúc đó , những khe cắm PCI chạy tốc độ 33MHz và chỉ có 01 khe cắm chạy tốc độ 66MHz . PCI-X hỗ trợ 01 khe cắm 64-bit ở tốc độ xung nhịp 133MHz lên đến tốc độ truyền dữ liệu 1GBps .

Mặc dù nó đạt được hiệu quả cao nhưng PCI-X chỉ là một chuẩn tạm thời trong khi cả 03 nhà sản xuất đều muốn một cấu trúc Bus I/O mới , gọi là Future I/O . Mặc dù như vậy nhưng chuẩn PCI-X đầu tiên cũng được sử dụng rộng trong máy chủ và những máy trạm , hệ thống đi kèm và môi trường trao đổi dũ liệu .

Năm 2002 PCI-X 2.0 xuất hiện có tốc độ gấp 4 lần tốc độ của PCI-X đầu tiên .

7. PCI Express

Trong trang Web của chúng tôi đã co một bài riêng về PCI Express , nhưng chúng tôi cũng sẽ nói qua lại về nó .

Vào mùa hè năm 2001 Intel phát triển công nghệ mới gọi là thế hệ thứ 3 cho thiết bị vào ra 3GIO (Third-Generation Input/Output) , nó cũng có tên ban đầu là Arapahoe và sau được đổi tên thành cấu trúc PCI Express .

Không như những công nghệ trước PCI Express và hệ thống nối bên trong Point-to-Point nối tiếp , tương tự như công nghệ HyperTransport của AMD . Cấu trúc Bus nối tiếp có băng thông rộng hơn ở một đường hơn là băng thông của một đường trong cấu trúc Bus song song và nó có thể dễ dàng nâng độ rộng của băng thông bằng cách thêm những đường ( lane ) .

Xét về phương diện hình học cấu trúc PCI Express (PCX) bao gồm những Host Bridge và một vài điểm kết thúc ( những thiết bị I/O ) . Nhiều kết nối Point-to-Point được thông qua Switch .

Giao diện PCX bao gồm 02 cặp dây dẫn ( lane ) và mỗi một lane tương đương với PCX 1x . Các Lane có thể kết hợn lại với nhau và lớn nhất lên tới 32 lane lúc này giải thông là 16GBps .

PCI Express có một vị trí thay thế công nghệ PCI và PCI-X , thậm trí nó thay thế cả AGP . Một trong những ứng dụng đầu tiên để sử dụng card màn hình PCI Express . Thế hệ PCI Express đầu tiên có tốc độ đạt được 8GBps đủ để sử dụng truyền hình ảnh chất lượng cao HD (High Definition) giữa bộ nhớ hệ thống và ổ cứng để đổ ra card màn hình và quay trở lại bộ nhớ và ổ cứng .

Đồ hoạ PCI Express x16 thế hệ đầu tiên hỗ trợ hiểnthị của Video HD (720p) có tốc độ gấp hai lần so với AGP 8X .