18. Jak se vyvíjely sběrnice

Jako sběrnice se označují technické prostředky, které umožňují komunikaci jednotlivých obvodů a komponent počítače. V praxi bývá realizována mnohavodičovým elektrickým vedením. V tomto vedení bývá několik vodičů vyhrazeno pro přenášená data. Data bývají přenášena nejčastěji po 8,16 nebo 32 bitech v závislosti na typu sběrnice a připojených zařízeních. Zbývající vodiče přenášejí řídící signály např. k synchronizaci přenosu.

Sběrnice v počítači PC můžeme rozdělit do dvou základních skupin. Do první z nich patří systémová sběrnice, která spojuje obvody na základní desce počítače, tj. zejména procesor s pamětí. Pro systémovou sběrnici je typické, že je velmi rychlá. To je dáno tím, že není nikterak moc dlouhá (její celková délka se počítá na centimetry), a nemusí se tedy vyrovnávat se zkreslením přenášeného elektrického signálu. Její další specialitou je, že kromě řídících signálů obsahuje dvě sběrnice (dva svazky vodičů) pro přenášení dat. Jedna slouží k přenosu adresy paměti, se kterou chce procesor pracovat - tzv. adresová sběrnice. Po tzv. datové sběrnici naopak putují data, která chce procesor z paměti získat, případně je do ní uložit.

Druhá skupina sběrnic používaná v počítačích třídy PC je sběrnice spojující základní desku s přídavnými adaptéry (např. videoadaptér I/O řadič, síťový (LAN) adaptér...). Tato sběrnice byla navržena tak, aby k ní šlo snadno připojit několik dalších zařízení. Z toho vyplynulo konstrukční řešení, které počítalo s tehdejšími nároky na objem přenášených dat a na rychlost zpracování. Pro takto vzniklý standard se vžil název sběrnice ISA (Industry Standard Architecture). Ta umožňovala přenášet najednou 8 nebo 16 bitů a dosahovala maximální rychlost přenosu 1-4 MB/s.

Rychlost procesorů a pamětí však rostla velmi rychle a rychlost systémové sběrnice se od rychlosti ISA vzdálila o několik řádů. Firma IBM si této "technické zaostalosti" byla vědoma a přišla na trh s novou řadou osobních počítačů PS/2 vybavených operačním systémem OS/2 a sběrnicí MCA (Micro Channel). Sběrnice MCA byla rychlejší než ISA, umožňovala přenos rychlostí až 16 MB/s. Desky s novou sběrnicí byly také menší než desky ISA. Bohužel tato sběrnice nebyla kompatibilní s ISA, tzn. nemohly být používány rozšiřující adaptéry vyvinuté pro sběrnici ISA. Nekompatibilita a vyšší cena adaptérů MCA byly jedny z hlavních příčin komerčního neúspěchu sběrnice MCA. (V roce 1992 byla sběrnice MCA inovována. Nová verze 2.0 umožňuje po 64bitové datové sběrnici přenášet data teoretickou rychlostí až 160 MB/s.)

Chybu IBM si uvědomili velcí výrobci počítačů PC a dohodli se na novém standardu EISA (Extended Industry Standard Architecture). Tato sběrnice díky speciální konstrukci konektoru zachovávala zpětnou kompatibilitu se sběrnicí ISA. Zároveň však disponovala 32bitovou datovou sběrnicí a přenosovou rychlostí až do 33 MB/s.

I přesto, že sběrnice EISA a MCA byly podstatně rychlejší než původní sběrnice ISA, výrobcům grafických adaptérů jejich výkon nestačil, a tak hledali cesty, jak grafický adaptér co nejrychleji propojit s pamětí a procesorem. Nejrychlejší spojení v počítači zajišťovala systémová sběrnice. Zcela logickým krokem tedy bylo prodloužení výkonné systémové sběrnice až k přídavným adaptérům. Pro tento druh sběrnic se vžilo označení lokální sběrnice; jejich předností byla vysoká rychlost, proti které na druhé straně stála zvýšená cena rozšiřujících adaptérů.

V červnu roku 1992 byla konsorciem VESA (Video Electornics Standards Association) přijata první verze VESA VL-Bus. Při návrhu tohoto standardu však proti sobě stály dva protichůdné požadavky - výkon a cena, které se promítly do spolehlivosti řešení. Standard sice počítal s nasazením spolu s procesory taktovanými až na 50 MHz, ale praxe ukázala, že spolehlivá činnost je zaručena pouze při taktu 33 MHz. Standard VL-Bus 2.0 byl proto doplněn i o předepsaná kapacitní zatížení. VL-Bus je prodlouženou systémovou sběrnicí a na systémové desce je přítomen spolu se sběrnicí ISA (EISA), neboť ke své činnosti využívá i některé její signály. Maximální počet slotů VL je 3; pro taktovací frekvence větší než 33 MHz je ještě menší (obvykle 2 pro 40MHz a 1 pro 50MHz procesor).

Již zde je vidět, že sběrnice VL-Bus je velmi závislá na použitém procesoru a výměna procesoru za výkonnější je v systému VL-Bus téměř nemožná. Další nevýhodou této sběrnice je, že pracuje s úrovněmi TTL (tj.5 V). Moderní úsporné procesory SL přenosných počítačů však používají úspornější napájecí napětí 3,3 V.

Většinu zde vyřčených nevýhod sběrnice VL-Bus odstraňuje sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect), která již však není typickou lokální sběrnicí. Není totiž přímo napojena na procesor, ale je od něj oddělena mezisběrovým můstkem (někdy se proto sběrnici PCI říká mezzanine bus). Tento můstek dovoluje provádět napěťovou konverzi signálů, a proto může být sběrnice PCI použitá společně s úspornými procesory SL. Další výhodou, kterou skýtá tento můstek, je konverze taktovací frekvence procesoru a sběrnice PCI.

Dosavadní standard PCI dovoluje maximální pracovní frekvenci sběrnice 33 MHz. Pokud je tedy v počítači procesor pracující s vnější frekvencí do 33 MHz (jsou to i všechny procesory DX2), přenáší se data mezi PCI a procesorem maximální možnou rychlostí. Pokud je frekvence procesoru větší než 33 MHz, odvodí se pracovní kmitočet jako 1/2, 1/3 nebo 1/4 taktovací frekvence procesoru tak, aby pracovní kmitočet nepřesáhl 33 MHz. Při zachování velmi slušného výkonu tak nedochází k problémům známým u sběrnic VL-Bus.

Standard umožňuje ke sběrnici PCI připojit až deset zařízení. Jedním z nich je můstek PCI-ISA (EISA, MCA). Často bývá na systémové desce integrován i řadič SCSI a síťový adaptér. Zbývá nám tedy šest zátěží, které se po dvou rozdělí mezi 3 volné PCI-sloty na základní desce. Jako zátěž se totiž uvažuje jak konektor, tak i samotný adaptér. V současné době je PCI sběrnicí nejmladší a také nejperspektivnější.