Karta rozszerzeń -Expansion card

Przykład karty rozszerzeń cyfrowych I/O PCI wykorzystującej duży kwadratowy układ firmy PLX Technology do obsługi interfejsu magistrali PCI
Gniazdo rozszerzeń PCI
Altair 8800b z marca 1976 r. z 18- slotową płytą montażową S-100 , w której mieściła się zarówno płyta główna Intel 8080 , jak i wiele płyt rozszerzeń
Szafa kart rozszerzeń IBM Standard Modular System w komputerze IBM 1401 przy użyciu 16-stykowego pozłacanego złącza krawędziowego wprowadzonego po raz pierwszy w 1959 roku
Konfiguracyjne przełączniki DIP w 16-stykowej obudowie przelotowej , często spotykane w kartach rozszerzeń ISA z lat 80.
Nowoczesny układ flash SPI odpowiedni do przechowywania oprogramowania karty rozszerzeń

W informatyce karta rozszerzeń ( zwana również płytą rozszerzeń , kartą adaptera , kartą peryferyjną lub kartą akcesoriów ) to płytka drukowana , którą można włożyć do złącza elektrycznego lub gniazda rozszerzeń (nazywanego również gniazdem magistrali) na płyta główna komputera (patrz również płyta montażowa ) w celu zwiększenia funkcjonalności systemu komputerowego. Czasami konstrukcja obudowy komputera i płyty głównej polega na umieszczeniu większości (lub wszystkich) tych gniazd na osobnej, wymiennej karcie. Zazwyczaj takie karty są po części nazywane kartami typu riser, ponieważ wystają z płyty w górę i umożliwiają umieszczenie kart rozszerzeń nad płytą główną i równolegle do niej.

Karty rozszerzeń pozwalają na rozszerzenie lub uzupełnienie możliwości i interfejsów systemu komputerowego w sposób adekwatny do wykonywanych przez niego zadań. Na przykład szybki, wielokanałowy system akwizycji danych byłby bezużyteczny w komputerze osobistym używanym do prowadzenia ksiąg rachunkowych, ale mógłby stanowić kluczową część systemu wykorzystywanego do sterowania procesami przemysłowymi. Karty rozszerzeń można często instalować lub usuwać w terenie, co pozwala na pewne dostosowanie użytkownika do określonych celów. Niektóre karty rozszerzeń mają postać „płyt pobocznych”, które podłącza się do złączy na wspierającej płycie systemowej.

W komputerach osobistych godne uwagi magistrale rozszerzeń i standardy kart rozszerzeń obejmują magistralę S-100 z 1974 r. związaną z systemem operacyjnym CP/M , 50-stykowe gniazda rozszerzeń oryginalnego komputera Apple II z 1977 r. (unikalne dla Apple), przemysł IBM Standardowa architektura (ISA) wprowadzona wraz z komputerem IBM w 1981 r., magistrala rozszerzania lamp Acorn w BBC Micro również od 1981 r., opatentowana i zastrzeżona przez IBM architektura mikrokanałowa (MCA) z 1987 r., która nigdy nie zyskała przychylności na rynku klonów , znacznie ulepszony interfejs PCI ( Peripheral Component Interconnect ), który wyparł ISA w 1992 r., oraz PCI Express od 2003 r., który rozdziela połączenie na „pasy” szybkiej komunikacji i przenosi wszystkie inne funkcje do protokołu oprogramowania.

Historia

Komputery oparte na lampach próżniowych miały budowę modułową, ale poszczególne funkcje urządzeń peryferyjnych wypełniały obudowę, a nie tylko płytkę drukowaną. Procesor, pamięć i karty I/O stały się możliwe dzięki rozwojowi układów scalonych . Karty rozszerzeń umożliwiają dostosowanie systemów procesorowych do potrzeb użytkownika, umożliwiając podłączenie różnego rodzaju urządzeń, w tym I/O, dodatkowej pamięci oraz funkcji opcjonalnych (takich jak jednostka zmiennoprzecinkowa ) do procesora centralnego. Minikomputery, począwszy od PDP-8 , składały się z wielu kart komunikujących się przez pasywną płytę montażową i zasilanych przez nią .

Pierwszym komercyjnym mikrokomputerem wyposażonym w gniazda rozszerzeń był Micral N , w 1973 roku. Pierwszą firmą, która ustanowiła de facto standard był Altair z Altair 8800 , opracowanym w latach 1974-1975, który później stał się standardem dla wielu producentów, S-100 autobus . Wiele z tych komputerów było również projektami pasywnej płyty montażowej, w której wszystkie elementy komputera (procesor, pamięć i I/O) były podłączone do klatki na karty, która pasywnie rozdzielała sygnały i moc między karty.

Własne implementacje magistrali dla systemów takich jak Apple II współistniały ze standardami wielu producentów.

IBM PC i potomkowie

Firma IBM wprowadziła z mocą wsteczną magistralę ISA ( Industry Standard Architecture ) w IBM PC w 1981 roku. W tym czasie technologię tę nazywano magistralą PC . IBM XT , wprowadzony w 1983 roku , używał tej samej magistrali (z małym wyjątkiem). 8-bitowa magistrala PC i XT została rozszerzona wraz z wprowadzeniem IBM AT w 1984 roku. To wykorzystywało drugie złącze do rozszerzenia magistrali adresowej i danych przez XT, ale było kompatybilne wstecz; Karty 8-bitowe nadal można było używać w 16-bitowych slotach AT. Industry Standard Architecture (ISA) stało się oznaczeniem magistrali IBM AT po opracowaniu innych typów. Użytkownicy magistrali ISA musieli mieć dogłębną wiedzę na temat dodawanego sprzętu, aby prawidłowo podłączyć urządzenia, ponieważ adresy pamięci, adresy portów I/O i kanały DMA musiały być skonfigurowane za pomocą przełączników lub zworek na karcie, aby pasowały ustawienia w oprogramowaniu sterownika.

Magistrala IBM MCA , opracowana dla PS/2 w 1987 roku, była konkurencją dla ISA, również ich konstrukcja, ale wypadła z łask z powodu powszechnej akceptacji ISA i licencjonowania MCA przez IBM. EISA, 32-bitowa rozszerzona wersja ISA promowana przez firmę Compaq , była używana na niektórych płytach głównych do komputerów PC do 1997 r., kiedy to Microsoft ogłosił, że jest to „przestarzały” podsystem w raporcie branżowym komputerów PC 97 . Zastrzeżone autobusy lokalne (qv Compaq), a następnie VESA Local Bus Standard, były magistralami rozszerzeń z końca lat 80., które były powiązane, ale nie wyłącznie, z magistralami procesorów 80386 i 80486 . Magistrala PC/104 to wbudowana magistrala, która kopiuje magistralę ISA.

Intel wprowadził na rynek swoje chipsety z magistralą PCI wraz z procesorami Pentium opartymi na P5 w 1993 roku. Magistrala PCI została wprowadzona w 1991 roku jako zamiennik dla ISA. Standard (teraz w wersji 3.0) znajduje się na płytach głównych do komputerów PC do dziś. Standard PCI obsługuje mostkowanie magistrali: przetestowano aż dziesięć połączonych łańcuchowo magistral PCI. Cardbus , wykorzystujący złącze PCMCIA , jest formatem PCI, który łączy urządzenia peryferyjne z magistralą Host PCI za pośrednictwem PCI to PCI Bridge. Cardbus jest zastępowany przez format ExpressCard .

Intel wprowadził magistralę AGP w 1997 roku jako dedykowane rozwiązanie do akceleracji wideo. Urządzenia AGP są logicznie przyłączone do magistrali PCI przez most PCI-to-PCI. Chociaż określany jako magistrala, AGP zwykle obsługuje tylko jedną kartę na raz ( problemy z obsługą starszego systemu BIOS ). Od 2005 roku PCI Express zastępuje zarówno PCI, jak i AGP. Ten standard, zatwierdzony w 2004 roku, implementuje logiczny protokół PCI przez interfejs komunikacji szeregowej. PC/104(-Plus) lub Mini PCI są często dodawane w celu rozbudowy na płytach o niewielkich rozmiarach, takich jak Mini-ITX .

Dla swoich modeli 1000 EX i 1000 HX firma Tandy Computer zaprojektowała interfejs rozszerzeń PLUS, adaptację kart obsługujących magistralę XT o mniejszej obudowie. Ponieważ jest elektrycznie kompatybilny z magistralą XT (aka 8-bit ISA lub XT-ISA), można wykonać pasywny adapter do podłączenia kart XT do złącza rozszerzeń PLUS. Inną cechą kart PLUS jest to, że można je układać w stosy. Inną magistralą, która oferowała moduły rozszerzające do układania w stos, była magistrala „sidecar” używana przez IBM PCjr . Mogło to być elektrycznie porównywalne z magistralą XT; z pewnością miał pewne podobieństwa, ponieważ oba zasadniczo ujawniły adresy i magistrale danych procesora 8088, z pewnym buforowaniem i zatrzaskiwaniem, dodatkiem przerwań i DMA zapewnianymi przez dodatkowe układy Intela oraz kilkoma liniami wykrywania błędów systemu (Power Good, Memory Sprawdź, Sprawdź kanał we/wy). Ponownie, sidecary PCjr nie są technicznie kartami rozszerzeń, ale modułami rozszerzeń, z tą tylko różnicą, że sidecar jest kartą rozszerzeń zamkniętą w plastikowym pudełku (z otworami odsłaniającymi złącza).

Zewnętrzne magistrale rozszerzeń

Laptopy generalnie nie są w stanie zaakceptować większości kart rozszerzeń przeznaczonych dla komputerów stacjonarnych. W konsekwencji opracowano kilka kompaktowych standardów rozbudowy.

Oryginalny standard kart rozszerzeń PC Card jest zasadniczo kompaktową wersją magistrali ISA. Standard kart rozszerzeń CardBus to ewolucja standardu kart PC, która ma na celu przekształcenie jej w kompaktową wersję magistrali PCI. Oryginalny standard ExpressCard działa tak, jakby był urządzeniem peryferyjnym USB 2.0 lub urządzeniem PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 dodaje SuperSpeed ​​USB jako kolejny typ interfejsu, z którego może korzystać karta. Niestety, CardBus i ExpressCard są podatne na ataki DMA, chyba że laptop ma IOMMU skonfigurowane do udaremniania tych ataków.

Jednym z godnych uwagi wyjątków od powyższego jest włączenie jednego wewnętrznego gniazda dla specjalnej zmniejszonej wersji standardu dla komputerów stacjonarnych. Najbardziej znanymi przykładami są Mini-PCI lub Mini PCIe . Takie sloty były zwykle przeznaczone do określonego celu, takiego jak oferowanie „wbudowanej” sieci bezprzewodowej lub modernizacja systemu w produkcji za pomocą oddzielnego procesora graficznego.

Inne rodziny

Większość innych linii komputerowych, w tym firmy Apple Inc. , takie jak ( Apple II i Macintosh ), Tandy , Commodore , Amiga i Atari , oferowała własne magistrale rozszerzeń. Amiga używała Zorro II . Apple używał zastrzeżonego systemu z siedmioma 50-pinowymi gniazdami dla kart peryferyjnych Apple II , a później używał obu wariantów Processor Direct Slot i NuBus dla swojej serii Macintosh aż do 1995 roku, kiedy przeszli na magistralę PCI.

Ogólnie rzecz biorąc, większość kart rozszerzeń PCI będzie działać na dowolnej platformie procesora , która zawiera sprzętową magistralę PCI, pod warunkiem, że istnieje sterownik programowy dla tego typu. Karty wideo PCI i wszelkie inne karty, które zawierają własny BIOS lub inną pamięć ROM, są problematyczne, chociaż karty wideo zgodne ze standardami VESA mogą być używane do monitorów dodatkowych. Stacje robocze DEC Alpha, IBM PowerPC i NEC MIPS wykorzystywały złącza magistrali PCI. Zarówno Zorro II, jak i NuBus były typu plug and play , nie wymagając konfiguracji sprzętowej przez użytkownika.

Inne magistrale komputerowe były wykorzystywane do sterowania przemysłowego, przyrządów i systemów naukowych. Jednym konkretnym przykładem jest HP-IB (lub Hewlett Packard Interface Bus), który został ostatecznie ustandaryzowany jako IEEE-488 (aka GPIB). Niektóre znane historyczne standardy obejmują VMEbus , STD Bus , SBus (specyficzne dla SPARCStation firmy Sun) i wiele innych.

Konsole do gier wideo

Nawet wiele konsol do gier wideo , takich jak Nintendo Entertainment System i Sega Genesis , zawierało w jakiejś formie autobusy rozszerzeń; Przynajmniej w przypadku Genesis, szyna rozszerzeń była zastrzeżona. W rzeczywistości gniazda kartridżowe wielu konsol opartych na kartridżach (nie licząc Atari 2600 ) można by zakwalifikować jako szyny rozszerzeń, ponieważ ujawniały zarówno możliwości odczytu, jak i zapisu wewnętrznej szyny systemu. Jednak moduły rozszerzeń dołączane do tych interfejsów, choć funkcjonalnie takie same jak karty rozszerzeń, nie są technicznie kartami rozszerzeń ze względu na ich fizyczną formę.

Aplikacje

Głównym celem karty rozszerzeń jest zapewnienie lub rozszerzenie funkcji nieoferowanych przez płytę główną. Na przykład oryginalny IBM PC nie miał wbudowanej grafiki ani możliwości dysku twardego. W takim przypadku karta graficzna i karta kontrolera dysku twardego ST-506 zapewniały odpowiednio możliwości graficzne i interfejs dysku twardego. Niektóre komputery jednopłytkowe nie uwzględniały kart rozszerzeń i mogły mieć tylko gniazda IC na płycie w celu wprowadzenia ograniczonych zmian lub dostosowania. Ponieważ niezawodne złącza wielostykowe są stosunkowo drogie, niektóre systemy przeznaczone na rynek masowy, takie jak komputery domowe , nie miały gniazd rozszerzeń i zamiast tego używały złącza na krawędzi karty głównej na krawędzi płyty głównej, wkładając kosztowne pasujące gniazdo w koszt urządzenia peryferyjnego urządzenie.

W przypadku rozszerzenia możliwości pokładowych, płyta główna może zapewnić pojedynczy port szeregowy RS232 lub port Ethernet . Można zainstalować kartę rozszerzeń, aby oferować wiele portów RS232 lub wiele portów Ethernet o większej przepustowości . W tym przypadku płyta główna zapewnia podstawową funkcjonalność, ale karta rozszerzeń oferuje dodatkowe lub ulepszone porty.

Konstrukcja fizyczna

Jedna krawędź karty rozszerzeń zawiera styki (złącze krawędziowe lub listwę stykową ), które pasują do gniazda. Nawiązują kontakt elektryczny między elektroniką na karcie a płytą główną. Peryferyjne karty rozszerzeń na ogół mają złącza dla kabli zewnętrznych. W komputerze osobistym kompatybilnym z PC złącza te znajdowały się we wsporniku z tyłu obudowy. Przemysłowe systemy backplane miały złącza zamontowane na górnej krawędzi karty, naprzeciwko pinów backplane.

W zależności od rozmiaru płyty głównej i obudowy , do systemu komputerowego można dodać od jednej do siedmiu kart rozszerzeń. W systemach backplane można zainstalować 19 lub więcej kart rozszerzeń. Gdy do systemu dodawanych jest wiele kart rozszerzeń, całkowity pobór mocy i rozpraszanie ciepła stają się czynnikami ograniczającymi. Niektóre karty rozszerzeń zajmują więcej niż jedno miejsce w gnieździe. Na przykład wiele kart graficznych dostępnych na rynku od 2010 r. to karty graficzne z dwoma gniazdami, wykorzystujące drugie gniazdo jako miejsce do umieszczenia aktywnego radiatora z wentylatorem.

Niektóre karty są kartami „niskoprofilowymi”, co oznacza, że ​​są krótsze niż karty standardowe i pasują do obudowy komputera o niższej wysokości. (Istnieje standard „niskoprofilowej karty PCI”, który określa znacznie mniejszy wspornik i obszar płytki). Grupa kart rozszerzeń, które są używane do połączeń zewnętrznych, takich jak karty sieciowe , SAN lub karty modemowe , jest powszechnie określana jako karty wejścia/wyjścia (lub karty we/wy).

Płyta główna

Karta dźwiękowa z dołączoną płytą-córką MIDI
Płyta-córka dla platformy serwerowej Inventec , która działa jako kontroler RAID oparty na chipsecie LSI 1078

Płyta- córka , karta- córka , płyta mezzanine lub płyta typu piggyback to karta rozszerzeń podłączana bezpośrednio do systemu. Płyty córki często posiadają wtyczki, gniazda, szpilki lub inne mocowania do innych płyt. Płyty córki często mają tylko wewnętrzne połączenia w komputerze lub innych urządzeniach elektronicznych i zwykle uzyskują dostęp do płyty głównej bezpośrednio, a nie przez magistralę komputerową . Takie płyty są używane do poprawy różnych pojemności pamięci komputera, umożliwienia komputerowi łączenia się z pewnymi rodzajami sieci, z którymi wcześniej nie mógł się połączyć, lub do umożliwienia użytkownikom dostosowania ich komputerów do różnych celów, takich jak gry.

Płyty córki są czasami używane w komputerach, aby umożliwić równoległe dopasowanie kart rozszerzeń do płyty głównej, zwykle w celu zachowania niewielkich rozmiarów . Ta forma jest również nazywana kartami nośnymi lub pionami. Płyty córki są również czasami używane w celu rozszerzenia podstawowej funkcjonalności urządzenia elektronicznego, na przykład gdy dany model ma dodane funkcje i jest wypuszczany jako nowy lub osobny model. Zamiast całkowicie przeprojektować pierwszy model, do specjalnego złącza na płycie głównej można dodać płytę-córkę. Zazwyczaj pasują one na wierzchu planszy i równolegle do niej, oddzielone przekładkami lub dystansami , i są czasami nazywane kartami mezzanine ze względu na to, że są ułożone jak antresola w teatrze . Karty Wavetable (karty syntezy oparte na próbkach ) są często montowane na kartach dźwiękowych w ten sposób.

Komputer jednopłytkowy Raspberry PI 4B z dołączoną kartą "TV Hat" (do odbioru telewizji DVB-T/T2).

Niektóre standardy interfejsu kart mezzanine obejmują 400- pinową kartę FPGA Mezzanine (FMC); 172-pinowa karta High Speed ​​Mezzanine (HSMC); karta PCI Mezzanine (PMC); antresole XMC; Zaawansowana Karta Mezzanine ; IndustryPacks (VITA 4), moduły GreenSpring Computers Mezzanine ; itp.

Przykłady kart rozszerzeń w stylu płyty głównej obejmują:

  • Wzmocniona karta graficzna typu piggyback, dodaje pamięć powyżej 64 KB, do 256 KB
  • Rozszerzona karta pamięci na piggyback, dodaje dodatkową pamięć do niektórych płyt EMS i EEMS
  • DODAJ płytę główną
  • Płyta główna RAID
  • Płyta główna kontrolera interfejsu sieciowego (NIC)
  • Płyta główna z gniazdem procesora
  • Płyta główna Bluetooth
  • Płyta główna modemu
  • Karta-córka AD/DA/DIO
  • Płytka komunikacyjna (CDC)
  • Płyta główna do zarządzania serwerem (SMDC)
  • Płyta główna złącza Serial ATA
  • Robotyczna płyta główna
  • Płyta główna z listą kontroli dostępu
  • Płyty główne Arduino „shield
  • Płyta Córka Beaglebone „peleryna”
  • Raspberry Pi "Płytka dodatkowa HAT"
  • Płyta główna sieciowa (NDB). Powszechnie integruje: logikę interfejsów magistrali, LLC , PHY i Magnetics na jednej płycie.

Normy

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki