Một số khái niệm về bus hệ thống PC - kỳ 1

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.