Открытая архитектура персонального компьютера презентация

Открытая архитектура персонального компьютера. История
В конце 70-х годов 20 века получили распространение персональные компьютеры, что послужило причиной снижения спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. В это время мировым лидером в выпуске ЭВМ была фирма IBM (International Business Machines Corporation).
Падение спроса на ЭВМ подтолкнуло руководство IBM пойти на эксперимент – разработку и создание персонального компьютера.
Чтобы не вкладывать в проект с «туманной» перспективой много средств, руководство фирмы предоставило подразделению по реализации данного проекта непривычную свободу.
Свобода, например, состояла в том, чтобы не заниматься разработкой персонального компьютера (ПК) «с нуля», а воспользоваться готовыми блоками других фирм. Сотрудники подразделения стали выбирать лучшие предложения, имеющиеся на тот момент.
Передовым шагом стало введение в конструкцию системной платы ПК IBM разъемов расширения для по дключения дополнительных устройств непосредственно к шине.

Открытая архитектура персонального компьютера
Разработанная корпорацией IBM магистрально-модульная архитектура предполагает:
наличие общей информационной шины, к которой подключаются дополнительные устройства через разъемы расширения;
модульное построение компьютера;
совместимость всех новых устройств и программных средств с предыдущими версиями.

Открытая архитектура персонального компьютера. История
В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран микропроцессор Intel-8088. На тот момент это был лучший микропроцессор. Он позволял работать с 1 мегабайтом памяти, тогда как другие компьютеры работали только с 64 килобайтами памяти.
Другие комплектующие тоже были выбраны в различных фирмах по принципу «все самое лучшее». Что касается программного обеспечения, то его было предложено создать небольшой фирме Microsoft.
В августе 1981 года компьютер, собранный из комплектующих различных фирм, был выпущен под названием IBM PC и вскоре после этого он приобрел большую популярность. А через год-два компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке и стал стандартом персонального компьютера.
Выражение «совместимый с IBM PC» означает, что компьютер выпущен другой фирмой (не IBM), но по стандарту IBM PC.
Т.е. такой подход принес успех.

Внешняя архитектура

Открытая архитектура персонального компьютера

Принцип открытой архитектуры означает, что:
спецификация на шину (детальное описание всех параметров) опубликована;
производители могут выпускать новые совместимые устройства;
на материнской плате есть стандартные разъёмы;
есть драйверы для каждого устройства.

В такой архитектуре каждое внешнее (периферийное) устройство подключается к единой системной шине через свой контроллер (адаптер). Контроллер служит для согласования сигналов устройства ввода/вывода с сигналами шины. Контроллер содержит регистр состояний и регистр данных (порты ввода/вывода). Каждый порт имеет свой адрес.

Системная шина – это устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Она состоит из линий электрических соединений и схем сопряжения и содержит три типа шин:
шину адреса (однонаправленную), которая используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров внешних устройств;
шину данных (двунаправленную), которая обеспечивает передачу данных между микропроцессором, памятью и периферийными устройствами;
шину управления, предназначенную для передачи управляющих сигналов (управление памятью, управление обменом данных, запросами на прерывание и т.д.).
Обмен данными происходит под управлением специальной программы - драйвера.

В IBM PC изначально была заложена возможность апгрейда (замена отдельных частей на более совершенные) и использование новых устройств. Сборка компьютера из независимо изготовленных частей происходит аналогично конструктору. Методы сопряжения различных устройств с компьютером IBM PC были также доступны всем желающим и не являлись секретными сведениями.
Вот этот принцип конструктора и является принципом открытой архитектуры. Благодаря ему компьютер IBM PC приобрел большой успех, но лишил фирму монополии на этот компьютер.

Рассмотрим структуру более подробно. На системной (или материнской) плате размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, которые управляют остальными устройствами компьютера – монитором, принтером и т.д., реализованы на отдельных платах (контроллерах). Контроллеры вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания. Все это вместе заключено в единый корпус – системный блок.
Открытость этого конструктора заключается в том, что все спецификации взаимодействия внешних устройств с контроллерами, а также контроллеров с системной платой и т.д., доступны всем желающим. Поэтому независимые производители могут разрабатывать различные дополнительные устройства, что резко увеличивает популярность компьютера.

В наилучшем положении из-за применения принципа конструктора оказались пользователи ПК. Выгода пользователей от заложенного в ПК принципа открытой архитектуры состоит в следующем:
удешевление стоимости компьютеров из-за конкуренции фирм, производящих комплектующие;
пользователи могли «подстроить ПК под себя» путем приобретения и подключения дополнительных устройств. При этом они не были связаны ассортиментом, предлагаемым фирмой IBM PC, а могли выбирать продукцию других фирм;
открытость архитектуры привела к появлению множества фирм, специализирующихся на выпуске совместимых с IBM PC компьютеров. Это стало причиной снижения цен, повышения качества и к увеличению выбора для пользователей.

Открытая архитектура компьютера с появлением Интернета получила “второе дыхание”. Точнее, каждое устройство, подключенное к ПК, стало возможным использовать в режиме коллективного доступа.
У каждого ПК в сети есть свой собственный адрес, а у каждого устройства ввода-вывода тоже есть адрес. Таким образом, комбинируя адрес ПК и адрес устройства ввода-вывода, можно обеспечить доступ к любому открытому для коллективного использования устройству.
Пользователям следует помнить об открытой архитектуре компьютера, и внимательно настраивать доступ к устройствам ввода-вывода.

Например, любой жесткий диск или любая папка на жестком диске может быть открыта для доступа извне ПК, используя закладку «Доступ» в окне «Свойства»:
Аналогично настраивается доступ и к другим устройствам (принтерам, сканерам и т.п.).

Предположение, что кто-то попытается вывести данные на Ваш принтер маловероятно, так как забрать свои распечатки такой удаленный пользователь вряд ли сможет. Но вот получить доступ к Вашим жестким дискам для “кражи” данных – это возможно.
Кроме того, общий доступ делает Ваши данные доступными другим пользователям, а это могут быть, например, Ваши персональные данные, пароли и т.п. .Наконец, программы-вирусы легче попадают на ПК, где открыт доступ к устройствам ввода-вывода, особенно к жестким дискам.
С точки зрения безопасности открытая архитектура компьютера является слишком открытой системой, доступную не только лояльным пользователям, но и вредоносным программам, хакерам и т.п. .Однако благодаря своей простоте, наличию стандартов, модульности, гибкости, непрерывному развитию, данная архитектура завоевала популярность среди производителей и пользователей.

Блочно-модульная компоновка
Открытая архитектура IBM-компьютеров реализована с помощью блочно-модульной компоновки.
При этом компьютер собирается из отдельных унифицированных блоков.
Существует некий базовый состав блоков, необходимый для работы ПК, а открытая система позволяет пользователю самостоятельно дополнять и изменять блочный состав компьютера, при этом функциональная завершенность системы не должна быть нарушена.
Для взаимодействия блоков между собой и с центральным процессором организуется приемно-передающий канал —системная шина.

Для состыковки блоков между собой имеются специальные системные разъемы, к контактам которых подводятся сигналы системной шины. Такой комплект разъемов размещается на системной (материнской) плате. Остальные элементы, подключаемые к системным разъемам материнской платы, имеют ответные части для их установки в разъемы.
Процессор управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигна­лов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство - контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора.

Контроллер подключается к шине специальными устройствами-портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.
Архитектура с общей шиной имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств й возрастании потоков обмена информацией между ними.
К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых».

Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.
Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате —слоты расширения.

Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.
Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устрой­ством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера.

К таким устройствам относятся
системный таймер, устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.
Функциональный контроллер — это микросхема, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Существуют три режима обмена данными между центральным процессором и внешними устройствами:
программно-управляемый ввод/вывод;
обмен с устройствами по прерываниям;
прямой доступ к памяти (ПДП).

При программно-управляемом обмене все действия по вводу или выводу данных предусмотрены в теле программы. Процессор полностью руководит ходом обмена.
Достоинства: простота и отсутствие дополнительного оборудования.
Недостатки: большие потери времени из-за ожидания быстро работающим процессором более медленных устройств ввода/вывода.

Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Аппаратные прерывания инициируются аппаратурой, например, сигнал от принтера, нажатие клавиши на клавиатуре и т.п.
Логические прерывания возникают при нестандартных ситуациях в работе микропроцессора, например, деление на ноль, переполнение регистров и т.п.
Программные прерывания инициируются программами, т.е. появляются, когда одна программа требует обслуживания со стороны другой программы.

Каждое прерывание имеет свой уникальный номер и с ним связана определенная подпрограмма.
Аппаратные прерывания имеют низшие номера и обслуживаются BIOS’ом. Логические и программные прерывания имеют большие номера и обслуживаются базовым модулем.
Достоинство – процессор не тратит время на ожидание.

В режиме ПДП (англ. DMA - Direct Memory Access) процессор не производит обмен, а только подготавливает его, программируя контроллер ПДП: устанавливает режим обмена, передает начальный адрес ОЗУ и количество циклов обмена. Далее параллельно с выполнением процессором основной программы происходит передача блоков данных от устройства ввода в память и обратно.
Достоинство: центральный процессор освобождается от выполнения «медленных» операций по передаче данных.

Двухмостовая архитектура
персонального компьютера
Основой такой архитектуры является набор системной логики или чипсет (chipset).
Обычно чипсет состоит из двух компонентов:
- Северный мост (Memory Controller Hub),
- Южный мост (I/O Controller Hub).

Южный мост работает с более медленными устройствами – жесткие диски, звуковые карты, приводы CD/DVD, сетевые карты, устройства USB, системные часы.
Северный мост работает со скоростными устройствами, обеспечивая быструю связь процессора с оперативной памятью и видеоадаптером.

Северный
мост
Южный
мост
Модули
памяти
Процессор
Видеокарта
Системная шина
Шина памяти
AGP
PCI
Жесткий
диск
SATA
Сканер
Плоттер
Принтер
Web-камера
Звук. карта
Сетевая карта
Шина
расширения

Итак, мост – это микросхема, которая распаяна на материнской плате и является частью чипсета. Традиционно чипсет материнской платы состоит из двух чипов, которые называют северным и южным мостом.
Данные чипы называют мостами потому, что они выполняют связующую функцию между центральным процессором компьютера и остальными комплектующими. Что касается названий «северный» и «южный», то эти названия указывают на расположение данных чипов на материнской плате. Северный мост находится ближе к верхней, а южный ближе к нижней части платы.
Нужно отметить, что на современных материнских платах два моста больше не используется. Вместо северного и южного мостов теперь используется исключительно южный мост, так как все функции северного моста были интегрированы в процессор.

Северный (1) и южный мост (2) на материнской плате.

Общее направление в дизайне процессоров шло к реализации все большего количества функций меньшим набором компонентов. Так, контроллер памяти, отвечавший за общение ЦПУ с оперативной памятью, был перемещен на кристалл процессора в процессорах AMD начиная с AMD64 (2004 г.), и в процессорах Intel начиная с архитектуры Nehalem (ноябрь 2008 г.). Благодаря переносу северного моста внутрь процессора уменьшились задержки при обращении процессора к памяти, а также количество активных компонентов системной (материнской) платы, из-за чего упростилось её проектирование.
В микроархитектуре Intel Sandy Bridge (2011 г.) северный мост был полностью заменен "системным агентом" (system agent), который фактически выполнял все функции северного моста и при этом был интегрирован в кристалл процессора, находясь на одной подложке вместе с ядрами процессора, контроллером памяти и графическим процессором.

Список обслуживаемых систем материнской платы южным мостом довольно велик. Помимо вышеприведенных IDE, SATA, USB, LAN и прочего, южный мост отвечает еще и за SM шину (используется для управления вентиляторами на плате), DMA-контроллер, IRQ-контроллер, системные часы, BIOS, системы энергообеспечения APM и ACPI, шину LPC Bridge.
Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода).
Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать поддержку шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она осталась частью современного южного моста.

Шина SM используется для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.
Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ, о событиях в периферийных устройствах.
IDE-интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. Шина LPC обеспечивает передачу данных и управление Super I/O (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт) и BIOS ROM (флэш).

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:
- системная шина используется микросхемами Chipset для пересылки информации к процессору и обратно;
- шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между процессором и внешней кэш-памятью;
- шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;
- шины ввода-вывода используются для обмена информацией с периферийными устройствами

Шины ввода-вывода подразделяются на локальные и стандартные. Локальная шина ввода-вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами и др.) и процессором. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI Express (в прошлом использовалась шина AGP – Accelerated Graphics Port).
Стандартная шина ввода-вывода используется для подключения более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время широко используется шина USB.

Компоненты шины
Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:
линии для обмена данными (шина данных). Шина данных обеспечивает обмен данными между процессором, картами расширения, установленными в слоты и памятью. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК.
- линии для адресации данных (шина адреса). Шина адреса служит для указания адреса какого-либо устройства, с которым процессор производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый порт ввода-вывода и ячейка RAM имеют свой адрес.
- линии управления данными (шина управления). По шине управления передается ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания , управления и других. Все сигналы шины управления предназначены для обеспечения передачи данных.
- контроллер шины, осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы, либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

Стандарты шин ПК
Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры.

Старые шины
Шина ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта). Это устаревшая 16-разрядная шина с 24 адресными линиями (адресное пространство шины — 16 Мбайт), с 16 линиями аппаратных прерываний и с 8 каналами DMA (Direct Memory Access, прямого доступа к памяти). Несмотря на низкую пропускную способность (шина ISA работает асинхронно на частоте 8 МГц, скорость обмена данными — до 5,5 Мбайт/с), эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно «медленных» внешних устройств, например звуковых карт и модемов Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA - подключать дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM – к шине IEEE 1394.

Шина ISA

Шина PCI
Шина PCI разработана в 1993 г. фирмой Intel. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Шина может работать параллельно с шиной процессора, т. е. обмен данными процессор — память и, например, видеоадаптер — память может осуществляться параллельно. Шина PCI является синхронной 32-разрядной или 64-разрядной шиной, работающей на частоте 33 или 66 МГц. Шина PCI при частоте 33 МГц обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с, при частоте до 66 МГц обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Шина AGP
Шина AGP - фирма Intel разработала новый интерфейс специально для видеосистемы, который называется ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP). Порт AGP разработан в ответ на требование все большей производительности для видео. AGP разрешает видеопроцессору обращаться к основной системной памяти для производства вычислений. Этот прием намного эффективнее, так как эту память можно динамически разделять между системным процессором и видеопроцессором в зависимости от потребностей системы. AGP-чипсет действует как посредник между процессором, L2-кэшем, системной памятью, видеокартой и шиной PCI, реализуя так называемый счетверенный порт (Quad Port). AGP считается портом, а не шиной, так как он объединяет только два устройства (процессор и видеокарту) и не допускает расширения. Одно из главных достоинств AGP состоит в том, что он изолирует видеосистему от остальных компонентов РС, исключая конкуренцию за полосу пропускания.

Шина AGP

Новые шины
Универсальная последовательная шина (USB)
Разработанный компаниями Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom стандарт универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus - USB) предоставляет новый разъем для подключения всех распространенных устройств ввода-вывода, устраняя множество современных портов и разъемов.

Универсальная последовательная шина (USB)
Шина USB допускает подключение до 127 устройств с помощью шлейфного соединения (daisy-chaining) или использования USB-хаба (USB hub). Сам хаб, или концентратор, имеет несколько разъемов и вставляется в РС или другое устройство. К каждому USB-хабу можно подключить семь периферийных устройств. Среди них может быть и второй хаб, к которому можно подключить еще семь периферийных устройств, и т.д. Вместе с сигналами данных шина USB передает и напряжение питания +5 В, поэтому небольшие устройства, например ручные сканеры, могут не иметь собственного блока питания.
USB 1.0 Спецификация выпущена 15 января 1996 года. Режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с.
Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. Таким образом, скорость передачи возрастает с 60 МБ/с (30 МБ/с эффективных) до 600 МБ/с.
USB 3.2 - до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 10 Гбит/с. Появление первых коммерческих устройств с поддержкой стандарта USB 3.2 ожидается не ранее второй половины 2019 года.

Шина IEEE 1394 FireWire
Этот стандарт быстродействующей периферийной шины разработан компаниями Apple Computer, Texas Instruments и Sony. Он разрабатывался как дополнение шины USB, а не как альтернатива ей, поскольку в одной системе могут использоваться обе шины, аналогично современным параллельным и последовательным портам. Однако крупные производители цифровых камер и принтеров заинтересованы в шине IEEE 1394 больше, чем в шине USB, потому что для цифровых камер лучше подходит сокет 1394, а не порт USB.

Шина IEEE 1394 FireWire
Шина IEEE 1394 (обычно называемая FireWire - "Огненный провод") во многом похожа на шину USB, также являясь последовательной шиной с горячей заменой, но намного быстрее. В IEEE 1394 есть два уровня интерфейса: один для шины на материнской плате компьютера и второй для интерфейса типа "точка-точка" между периферийным устройством и компьютером по последовательному кабелю. Простой мост объединяет эти два уровня. Интерфейс шины поддерживает скорости передачи данных в 12.5, 25 или 50 МБ/с, а интерфейс кабеля - 100, 200 и 400 Мб/с, что намного больше скорости шины USB - 1.5 МБ/с или 12 Мб/с. Спецификация 1394b определяет другие способы кодирования и передачи данных, что позволяет повысить скорость до 800 Мб/с, 1.6 Гб/с и более. Такая высокая скорость позволяет применять IEEE 1394 для подключения к РС цифровых камер, принтеров, телевизоров, сетевых карт и внешних запоминающих устройств. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой.

Шина SCSI
Шина SCSI (Small Computer System Interface, «скази») обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: жесткие диски, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством.

Шина PCI Express
PCI Express – это технология шины для подключения периферийных устройств, пришедшая на смену таким технологиям как ISA, AGP и PCI. Её применение значительно увеличивает производительность компьютера, а также возможности пользователя по расширению и обновлению системы. Интерфейс PCI Express 4.0 обладает скоростью передачи данных 16 GT/s (Гигатранзакций/с).
SCSI попадает под мегатранзактерный диапазон скорости передачи данных, в то время как новые архитектуры шины, вроде Front Side Bus, QuickPath Interconnect, PCI Express и HyperTransport работают на скорости в несколько GT/s. Например, скорость передачи данных одной линии PCI Express 2.0 — 5 GT/s, что равняется 4 Гбит/с.

Шина PCI Express
На фотографии слоты материнской платы DFI LanParty nForce4 SLI-DR (сверху вниз):
x4 PCI Express,
x16 PCI Express,
x1 PCI Express,
x16 PCI Express,
стандартный 32‑разрядный слот PCI

Шина для жесткого диска
SATA ( Serial—ATA, Serial Advanced Technology Attachment) – разновидность интерфейса компьютерной шины, предназначенный для подключения к шине устройств, жёстких дисков, оптических приводов, SSD накопителей и других.
Был разработан и представлен в 2003 году, как замена ныне устаревшему интерфейсу ATA(AT Attachment), также известный как IDE. Позже, ATA был переименован в PATA (Parallel ATA), для лучшей узнаваемости и избегания путаницы.
Была создана организация под названием SATA—IO (Sata International Organization), которая отвечает за развитие, поддержку, и публикацию новых спецификаций как для SATA, так и для SAS (Serial Attached SCSI).

Шина для жесткого диска

Шина для жесткого диска
Преимущества нового интерфейса в сравнении со старым были как физические: уменьшенные габариты разъёмов, шлейфов и меньшее количество контактных ножек (7 против 40); так и технические: нативная поддержка «горячей замены» (замена не активного устройства), более быстрая передача данных на более высоких скоростях, увеличенная эффективность очереди команд ввода/вывода (IO). Позже, с приходом режима AHCI, появилась поддержка технологии NCQ.
Теоретически, последовательный порт медленнее параллельного, но повышения скорости удалось добиться благодаря высокой частоте функционирования. Частоту удалось поднять благодаря отсутствию необходимости синхронизации данных, а также большей защищённости кабеля от помех (толще проводник, меньше помех).

Шина для жесткого диска
Ревизии SATA:
SATA 1.x
Первая ревизия интерфейса предусматривает частоту функционирования 1.5 Ггц, что обеспечивает полосу пропускания 1.5 Гбит/с. Около 20% отнимается на нужды системы кодирования типа 8b10b, где в каждые 10 бит вкладывается ещё 2 бита служебной информации. Таким образом, максимальная скорость равняется 1.2 Гбит/с (150 Мб/с). Это совсем немного быстрее самой быстрой PATA/133, но намного лучшее быстродействие достигается в режиме AHCI, где работает поддержка NCQ (Native Command Queuing). Это значительно улучшает производительность в многопоточных задачах, но не все контроллёры поддерживают AHCI на первой версии SATA.

Шина для жесткого диска
SATA 2.x
Частота функционирования была увеличена до 3.0 Ггц, что увеличило пропускную способность до 3.0 Гбит/с. Эффективная пропускная способность равняется 2.4Гбит/с (300Мб/c), то есть в 2 раза выше чем у SATA 1. Совместимость между первой и второй ревизией сохранилась. Интерфейсные кабели тоже были сохранены прежние и полностью совместимы между собой.

Шина для жесткого диска
SATA 3.0
В июле 2008 года, SATA—IO представила спецификации SATA 3.0, с пропускной способностью 6 Гбит/с. Полный 3.0 стандарт был выпущен в Мае 2009 года.
Эффективная пропускная способность составила 600Мб/с, а частота функционирования 6.0Ггц (то есть поднята только частота). Совместимость сохранилась как в методе передачи данных, так и в разъёмах и проводах; улучшено управление питанием.
Основной сферой применения, где требовалась такая пропускная способность – SSD (твёрдотельные) накопители . Для жёстких дисков, такая пропускная способность не требовалась. Выигрыш для них был в более высокой скорости передачи данных из кэш (DRAM—cache) памяти диска.

Шина для жесткого диска
SATA 3.0
В июле 2008 года, SATA—IO представила спецификации SATA 3.0, с пропускной способностью 6 Гбит/с. Полный 3.0 стандарт был выпущен в Мае 2009 года.
Эффективная пропускная способность составила 600Мб/с, а частота функционирования 6.0Ггц (то есть поднята только частота). Совместимость сохранилась как в методе передачи данных, так и в разъёмах и проводах; улучшено управление питанием.
Основной сферой применения, где требовалась такая пропускная способность – SSD (твёрдотельные) накопители . Для жёстких дисков, такая пропускная способность не требовалась. Выигрыш для них был в более высокой скорости передачи данных из кэш (DRAM—cache) памяти диска.

Шина для жесткого диска
SATA Express программно совместим с SATA, но в качестве несущего интерфейса используется PCI Express. Конструктивно представляет собой два рядом расположенных в длину SATA-порта, что позволяет использовать как накопители с интерфейсом SATA, так и непосредственно накопители, изначально поддерживающие SATA Express. Скорость передачи данных при этом достигает 8 Гбит/с в случае использования одного разъёма и 16 Гбит/с, в случае если задействованы оба разъёма SATA Express.

Технология NCQ
Данные на жестком диске, располагаются по всей поверхности магнитной пластины и головке нужно время, чтобы найти расположение нужной дорожки и считать её.
Без NCQ:
Команды поступают на контроллёр диска, он даёт указание приводу головки на определённый участок, головка выполняет данную операцию и за ней следует следующая. То есть команды никак не сортируются и имеют приоритет только по времени поступления в контроллёр.

Технология NCQ
С поддержкой NCQ:
Команды поступают на контроллёр. Оценивается расположение данных на диске и приоритет команд. В зависимости от этого, после завершения очередной операции чтения/записи, головка перемещается к ближайшей дорожке, которую необходимо выполнить. Далее по мере появления новых команд в другой области, головка выполняет и ту операцию. На приоритет также влияет и размер считываемого/записываемого участка, чтобы не превысить лимит ожидания. Все эти операции происходят за доли секунд.
Сама технология призвана снизить время, затрачиваемое на перепозиционирование головки с дорожки на дорожку, оптимизируя перемещение до минимально возможного.