Карта расширения -Expansion card

Пример карты расширения цифрового ввода-вывода PCI , использующей большую квадратную микросхему от PLX Technology для работы с интерфейсом шины PCI.
Слот расширения PCI
Altair 8800b от марта 1976 г. с объединительной платой S-100 на 18 слотов , на которой размещались как материнская плата Intel 8080 , так и множество плат расширения.
Стойка карт расширения IBM Standard Modular System в компьютере IBM 1401 с 16-контактным позолоченным краевым разъемом, впервые представленным в 1959 году.
Конфигурационные DIP-переключатели в 16-контактном корпусе со сквозными отверстиями , которые часто встречаются в платах расширения ISA 1980-х годов.
Современный чип флэш-памяти SPI, подходящий для хранения прошивки карты расширения.
Разъем Thunderbolt 3 , представленный Intel в декабре 2015 года, мультиплексирует до 4 линий PCIe 3.0 и 8 линий DisplayPort 1.2 и может поддерживать внешнюю док-станцию ​​с одной или несколькими платами расширения с достаточной пропускной способностью для управления графическим процессором среднего уровня.

В вычислительной технике плата расширения (также называемая платой расширения , платой адаптера , периферийной платой или вспомогательной платой ) представляет собой печатную плату , которая может быть вставлена ​​в электрический разъем или слот расширения (также называемый слотом шины) на материнская плата компьютера (см. также объединительная плата ) для расширения функциональности компьютерной системы. Иногда конструкция корпуса и материнской платы компьютера предполагает размещение большинства (или всех) этих слотов на отдельной съемной карте. Обычно такие карты называются райзер-картами отчасти потому, что они выступают вверх от платы и позволяют размещать карты расширения над и параллельно материнской плате.

Карты расширения позволяют расширять или дополнять возможности и интерфейсы компьютерной системы в соответствии с задачами, которые она будет выполнять. Например, высокоскоростная многоканальная система сбора данных бесполезна в персональном компьютере, используемом для ведения бухгалтерского учета, но может быть ключевой частью системы, используемой для управления промышленными процессами. Карты расширения часто можно устанавливать или снимать в полевых условиях, что позволяет в определенной степени настраивать пользователя для конкретных целей. Некоторые карты расширения имеют форму «дочерних плат», которые подключаются к разъемам на поддерживающей системной плате.

В персональных компьютерах известные шины расширения и стандарты карт расширения включают шину S-100 1974 года, связанную с операционной системой CP/M , 50-контактные слоты расширения оригинального компьютера Apple II 1977 года (уникальные для Apple), IBM Industry Стандартная архитектура (ISA), представленная вместе с IBM PC в 1981 году, трубчатая шина расширения Acorn на BBC Micro также с 1981 года, запатентованная и проприетарная архитектура IBM Micro Channel (MCA) с 1987 года, которая так и не завоевала популярность на рынке клонов , значительно улучшенное межсоединение периферийных компонентов (PCI), которое заменило ISA в 1992 году, и PCI Express с 2003 года, которое абстрагирует межсоединение на «линии» высокоскоростной связи и передает все другие функции программному протоколу.

История

Основная статья: Автобус (вычисления) § История

Компьютеры на основе электронных ламп имели модульную конструкцию, но отдельные функции для периферийных устройств заполняли корпус, а не только печатную плату. Процессор, память и карты ввода-вывода стали возможными с развитием интегральных схем . Платы расширения делают процессорные системы адаптируемыми к потребностям пользователя, позволяя подключать к центральному процессору различные типы устройств, включая устройства ввода-вывода, дополнительную память и дополнительные функции (например, модуль с плавающей запятой ). Мини-компьютеры, начиная с PDP-8 , состояли из нескольких карт, которые обменивались данными и питались от пассивной объединительной платы .

Первым коммерческим микрокомпьютером со слотами расширения был Micral N в 1973 году. Первой компанией, установившей стандарт де-факто , была Altair с Altair 8800 , разработанным в 1974–1975 годах, который позже стал стандартом для нескольких производителей, S-100 . автобус . Многие из этих компьютеров также имели пассивную конструкцию объединительной платы, где все элементы компьютера (процессор, память и ввод-вывод) подключались к каркасу для плат, который пассивно распределял сигналы и питание между платами.

Запатентованные реализации шины для таких систем, как Apple II , сосуществовали со стандартами нескольких производителей.

IBM PC и потомки

IBM представила то, что задним числом будет называться шиной промышленной стандартной архитектуры (ISA) с IBM PC в 1981 году. В то время эта технология называлась шиной ПК . IBM XT , представленный в 1983 году , использовал ту же шину (за небольшим исключением). 8-битный ПК и шина XT были расширены с появлением IBM AT в 1984 году. В нем использовался второй разъем для расширения шины адреса и данных поверх XT, но он был обратно совместим; 8-битные карты по-прежнему можно было использовать в 16-битных слотах AT. Архитектура промышленного стандарта (ISA) стала обозначением шины IBM AT после того, как были разработаны другие типы. Пользователи шины ISA должны были иметь глубокие знания об оборудовании, которое они добавляли, чтобы правильно подключать устройства, поскольку адреса памяти, адреса портов ввода-вывода и каналы DMA должны были быть настроены с помощью переключателей или перемычек на плате, чтобы они соответствовали друг другу. настройки в программном драйвере.

Шина MCA IBM , разработанная для PS/2 в 1987 году, была конкурентом ISA, а также их конструкции, но потеряла популярность из-за общеотраслевого признания ISA и лицензирования MCA IBM. EISA, 32-разрядная расширенная версия ISA, поддерживаемая Compaq , использовалась на некоторых материнских платах ПК до 1997 года, когда Microsoft объявила ее «устаревшей» подсистемой в отраслевом официальном документе PC 97 . Собственные локальные шины (см. Compaq), а затем стандарт локальной шины VESA , были шинами расширения конца 1980-х годов, которые были привязаны, но не исключительны, к шине ЦП 80386 и 80486. Шина PC/104 — это встроенная шина, копирующая шину ISA.

Intel выпустила свои наборы микросхем шины PCI вместе с процессорами Pentium на базе P5 в 1993 году. Шина PCI была представлена ​​​​в 1991 году как замена ISA. Стандарт (теперь версия 3.0) используется на материнских платах ПК и по сей день. Стандарт PCI поддерживает мостовое соединение шин: было протестировано до десяти последовательных шин PCI. Cardbus с использованием разъема PCMCIA представляет собой формат PCI, который подключает периферийные устройства к хост-шине PCI через мост PCI-PCI. Cardbus заменяется форматом ExpressCard .

Intel представила шину AGP в 1997 году как специальное решение для ускорения видео. Устройства AGP логически подключаются к шине PCI через мост PCI-to-PCI. Несмотря на то, что AGP называется шиной, он обычно поддерживает одновременно только одну карту ( проблемы с поддержкой Legacy BIOS ). С 2005 года PCI Express заменяет как PCI, так и AGP. Этот стандарт, утвержденный в 2004 году, реализует логический протокол PCI через последовательный интерфейс связи. PC/104(-Plus) или Mini PCI часто добавляются для расширения на платах малого форм-фактора, таких как Mini-ITX .

Для своих моделей 1000 EX и 1000 HX компания Tandy Computer разработала интерфейс расширения PLUS, адаптацию карт поддержки шины XT меньшего форм-фактора. Поскольку он электрически совместим с шиной XT (также известной как 8-битная ISA или XT-ISA), можно изготовить пассивный адаптер для подключения карт XT к разъему расширения PLUS. Еще одна особенность карт PLUS заключается в том, что они складываются. Другой шиной, которая предлагала стекируемые модули расширения, была шина «сайдкар», используемая IBM PCjr . Это могло быть электрически сопоставимо с шиной XT; у него определенно было некоторое сходство, поскольку оба по существу раскрывали адрес и шины данных ЦП 8088 с некоторой буферизацией и фиксацией, добавлением прерываний и прямого доступа к памяти, предоставляемых дополнительными микросхемами Intel, и несколькими линиями обнаружения системных сбоев (Power Good, Memory Проверка, проверка канала ввода/вывода). Опять же, коляски PCjr технически не карты расширения, а модули расширения, с той лишь разницей, что коляска — это карта расширения, заключенная в пластиковую коробку (с отверстиями, открывающими разъемы).

Внешние шины расширения

Ноутбуки, как правило, не могут принимать большинство карт расширения, предназначенных для настольных компьютеров. Следовательно, было разработано несколько стандартов компактного расширения.

Первоначальный стандарт карт расширения PC Card , по сути, представляет собой компактную версию шины ISA. Стандарт карт расширения CardBus представляет собой эволюцию стандарта карт PC, превращающую его в компактную версию шины PCI. Исходный стандарт ExpressCard действует так, как будто это либо периферийное устройство USB 2.0, либо устройство PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 добавляет SuperSpeed ​​USB в качестве еще одного типа интерфейса, который может использовать карта. К сожалению, карты CardBus и ExpressCard уязвимы для атаки DMA , если только в ноутбуке нет IOMMU, настроенного для предотвращения этих атак.

Одним заметным исключением из вышеизложенного является включение одного внутреннего слота для специальной уменьшенной версии стандарта для настольных ПК. Наиболее известными примерами являются Mini-PCI или Mini PCIe . Такие слоты обычно предназначались для определенной цели, такой как предложение «встроенной» беспроводной сети или обновление системы на производстве с помощью дискретного графического процессора.

Другие семьи

Большинство других линеек компьютеров, в том числе от Apple Inc. , таких как ( Apple II и Macintosh ), Tandy , Commodore , Amiga и Atari , предлагали свои собственные шины расширения. Amiga использовала Zorro II . Apple использовала проприетарную систему с семью 50-контактными слотами для периферийных карт Apple II , а затем использовала оба варианта процессорного прямого слота и NuBus для своей серии Macintosh до 1995 года, когда они перешли на шину PCI.

Вообще говоря, большинство карт расширения PCI будут работать на любой платформе ЦП , которая включает аппаратное обеспечение шины PCI, при условии, что для этого типа есть программный драйвер. Видеокарты PCI и любые другие карты, содержащие собственный BIOS или другое ПЗУ, вызывают проблемы, хотя видеокарты, соответствующие стандартам VESA, могут использоваться для дополнительных мониторов. Рабочие станции DEC Alpha, IBM PowerPC и NEC MIPS использовали разъемы шины PCI. И Zorro II, и NuBus работали по принципу plug and play и не требовали от пользователя настройки оборудования.

Другие компьютерные шины использовались для промышленного управления, приборов и научных систем. Одним из конкретных примеров является HP-IB (или интерфейсная шина Hewlett Packard), которая в конечном итоге была стандартизирована как IEEE-488 (также известная как GPIB). Некоторые хорошо известные исторические стандарты включают VMEbus , STD Bus , SBus (специфичный для Sun SPARCStations) и многие другие.

Игровые приставки

Даже многие игровые приставки , такие как Nintendo Entertainment System и Sega Genesis , в той или иной форме включали шины расширения; По крайней мере, в случае Genesis шина расширения была проприетарной. Фактически слоты для картриджей многих консолей на основе картриджей (не включая Atari 2600 ) можно было бы квалифицировать как шины расширения, поскольку они открывали возможности чтения и записи внутренней шины системы. Однако модули расширения, подключенные к этим интерфейсам, хотя функционально такие же, как карты расширения, технически не являются картами расширения из-за их физической формы.

Приложения

Основная цель карты расширения - предоставить или расширить функции, не предлагаемые материнской платой. Например, оригинальный IBM PC не имел встроенной графики или жесткого диска. В этом случае графическая карта и карта контроллера жесткого диска ST-506 обеспечивали графические возможности и интерфейс жесткого диска соответственно. Некоторые одноплатные компьютеры не предусматривали карты расширения и могли иметь на плате только разъемы IC для ограниченных изменений или настройки. Поскольку надежные многоконтактные разъемы относительно дороги, некоторые системы массового рынка, такие как домашние компьютеры , не имели слотов расширения и вместо этого использовали разъем на краю платы на краю основной платы, в результате чего дорогостоящее согласующее гнездо включалось в стоимость периферийного устройства. устройство.

В случае расширения встроенных возможностей материнская плата может иметь один последовательный порт RS232 или порт Ethernet . Можно установить карту расширения, чтобы предложить несколько портов RS232 или несколько портов Ethernet с более высокой пропускной способностью . В этом случае материнская плата обеспечивает базовые функции, а карта расширения предлагает дополнительные или расширенные порты.

Физическая конструкция

Один край платы расширения удерживает контакты (краевой разъем или контактный разъем ), которые входят в слот. Они устанавливают электрический контакт между электроникой на плате и на материнской плате. Периферийные карты расширения обычно имеют разъемы для внешних кабелей. В персональном компьютере, совместимом с ПК, эти разъемы располагались на опорном кронштейне в задней части корпуса. Промышленные системы объединительной платы имели разъемы, установленные на верхнем краю платы, напротив контактов объединительной платы.

В зависимости от форм-фактора материнской платы и корпуса в компьютерную систему можно добавить от одной до семи карт расширения. В объединительные платы можно установить 19 и более плат расширения. Когда в систему добавляется много карт расширения, общее энергопотребление и тепловыделение становятся ограничивающими факторами. Некоторые карты расширения занимают более одного слота. Например, многие видеокарты на рынке по состоянию на 2010 год представляют собой видеокарты с двумя слотами, использующие второй слот как место для установки активного радиатора с вентилятором.

Некоторые карты являются «низкопрофильными» картами, что означает, что они короче стандартных карт и подходят для корпуса компьютера меньшей высоты. (Существует стандарт «низкопрофильной карты PCI», который определяет гораздо меньшую площадь кронштейна и платы). Группа карт расширения, которые используются для внешних подключений, таких как сетевые карты , карты SAN или модемные карты, обычно называют картами ввода/вывода (или картами ввода/вывода).

Дочерняя плата

Звуковая карта с подключенной дочерней MIDI-платой
Дочерняя плата для серверной платформы Inventec , выполняющая функции RAID-контроллера на базе чипсета LSI 1078.

Дочерняя плата , дочерняя плата , мезонинная плата или дополнительная плата — это плата расширения, которая подключается к системе напрямую. Дочерние платы часто имеют вилки, розетки, штифты или другие приспособления для других плат. Дочерние платы часто имеют только внутренние соединения внутри компьютера или других электронных устройств и обычно получают доступ к материнской плате напрямую, а не через компьютерную шину . Такие платы используются либо для улучшения различных объемов памяти компьютера, либо для того, чтобы компьютер мог подключаться к определенным типам сетей, к которым он ранее не мог подключаться, либо для того, чтобы пользователи могли настраивать свои компьютеры для различных целей, таких как игры.

Дочерние платы иногда используются в компьютерах, чтобы платы расширения могли устанавливаться параллельно материнской плате, обычно для сохранения небольшого форм-фактора . Такую форму еще называют райзер-картами , или райзерами. Дочерние платы также иногда используются для расширения основных функций электронного устройства, например, когда к определенной модели добавлены функции, и она выпускается как новая или отдельная модель. Вместо того, чтобы полностью переделывать первую модель, можно добавить дочернюю плату к специальному разъему на основной плате. Обычно они устанавливаются поверх платы и параллельно ей, разделенные прокладками или стойками , и иногда называются мезонинными картами из-за того, что они сложены, как мезонин в театре . Карты волновых таблиц (карты синтеза на основе сэмплов ) часто таким образом монтируются на звуковые карты .

Одноплатный компьютер Raspberry PI 4B с прикрепленной платой "TV Hat" (для приема телевидения DVB-T/T2).

Некоторые стандарты интерфейса мезонинных карт включают 400-контактную мезонинную карту FPGA (FMC); 172-контактная высокоскоростная мезонинная карта (HSMC); мезонинная карта PCI ( PMC); мезонины XMC; расширенная мезонинная карта ; IndustryPacks (VITA 4), мезонинные модули GreenSpring Computers ; и т.п.

Примеры карт расширения в стиле дочерних плат включают:

Стандарты

Основные статьи: Список интерфейсов компьютерных шин и Список скоростей передачи данных устройств § Компьютерные шины

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки