Войти
Пример карты расширения цифрового ввода-вывода PCI с использованием большой квадратной микросхемы от PLX Technology для работы с интерфейсом шины PCI 
слот расширения PCI 
Altair 8800b с марта 1976 года с 18-слотовой S-100 объединительной панелью, на которой размещались как Intel 8080 материнская плата и множество плат расширения 
Стойка плат расширения IBM Standard Modular System в компьютере IBM 1401 с 16-контактным позолоченным краем разъем, впервые представленный в 1959 г. 
Конфигурация DIP-переключатели в 16-контактном сквозном корпусе, который часто встречается в платах расширения ISA 80-х годов 
Современный EEPROM, подходящий для электронного хранения конфигурации карт расширения 
Разъем Thunderbolt 3, представленный Intel в декабре 2015 года, мультиплексирует до 4-х полосок PCIe 3.0 и 8-полосный порт DisplayPort 1.2 и может поддерживать внешнюю док-станцию ng station, вмещающая одну или несколько плат расширения с достаточной пропускной способностью для управления средним GPU В computing, платой расширения, также известной как плата расширения, плата адаптера или дополнительная плата - это печатная плата, которую можно вставить в электрический разъем или слот расширения на компьютере материнская плата, объединительная плата или переходная плата для добавления функциональности компьютерной системе через шину расширения.
Шина расширения - это компьютерная шина, которая перемещает информацию между внутренним оборудованием компьютерной системы (включая CPU и RAM ) и периферийные устройства. Это набор проводов, разъемов, форм-факторов и протоколов, которые позволяют расширять компьютер. В простейшем примере шина расширения может быть такой же простой, как ленточный кабель , который свисает с системного блока, что не налагает никаких ограничений форм-фактора на добавленную схему, кроме максимального длина провода для заданной частоты предполагаемой работы.
Обратите внимание, что функция провода - либо подача энергии, либо передача сигналов, оба из которых могут стать чрезвычайно сложными в частотной области. Провода ниже 8 МГц часто могут рассматриваться как элементы постоянного тока, провода выше 30 МГц на этой шкале длины должны рассматриваться как линии передачи ; между ними проектировщик может уйти от обращения с проводами как с элементами постоянного тока, если с заземляющей пластиной обращаться осторожно и провода короткие. Любая электроника редко превышает скорость передачи сигналов 10 МГц на параллельных межсоединениях.
. Как только частота передачи сигналов переходит в режим линии передачи, ограничения форм-фактора становятся жесткими, и карты расширения обычно имеют стандартизованные разъемы с жесткими производственными допусками и расширением. Сама карта, скорее всего, будет взаимодействовать с шиной через специальный интерфейсный чип, разработанный с учетом узких допусков шины для синхронизации и целостности сигнала. прототип с макетными платами или обмоткой проводов больше будет невозможно, и дизайн должен идти прямо на печатную плату, изготовление которой в небольших объемах обходится дорого.. В этом режиме шина расширения и карта расширения становятся в значительной степени синонимами.
Кроме того, с высокоскоростной электроникой электрический шкаф становится важным для защиты платы расширения от электромагнитных помех и соответствия нормам излучаемых помех. Электрические шкафы, такие как компьютерные корпуса, обычно предназначены для установки плат расширения заданных размеров со стандартизованными межсоединениями. Обычно на корпусе имеется гнездо краевого разъема, а на печатной плате платы расширения имеется ряд проводящих пальцев (обычно двусторонних), которые надежно вставляются в разъем. В большинстве корпусов указаны ограничения на энергопотребление и охлаждение в конструкции платы расширения. В современных компьютерах карты расширения - это сложные системные элементы, на которые влияет множество сложных конструктивных факторов.
По причинам совместимости карты расширения часто имеют систему ключей, которая предотвращает установку карт в несоответствующие гнезда (например, неправильное рабочее напряжение, которое может повредить одну или обе стороны). По этой причине часто требуется тщательный осмотр сокета, чтобы определить, какие форм-факторы совместимы. В некоторых случаях сокет может принимать карту с меньшим количеством открытых точек подключения, обычно для работы с более низкой производительностью, чем поддерживает сокет; В этом сценарии нередко сокет делится на пару из двух (редко более двух) коллинеарных разъемов, где короткая карта будет подключаться только к первому сокету, а длинная карта будет подключаться к обоим.
В персональных компьютерах примечательные шины расширения и стандарты карт расширения включают шину S-100 с 1974 года, связанную с CP / M операционная система, 50-контактные слоты расширения исходного компьютера Apple II 1977 года (только для Apple), IBM Industry Standard Architecture (ISA), представленная с IBM PC в 1981 году, Acorn шина расширения на BBC Micro также с 1981 года, запатентованная и собственная разработка IBM Архитектура Micro Channel (MCA) 1987 года, которая так и не завоевала популярность на рынке клонов, значительно улучшенный Peripheral Component Interconnect (PCI), который вытеснил ISA в 1992 году, и PCI Express с 2003 года, который разделяет межсоединение на высокоскоростные коммуникационные «полосы» и перекладывает все другие функции на программный протокол.
С точки зрения электрического проектирования, в первые годы революции микропроцессоров, упаковка микросхем была высокой. В модели Motorola 68000 1979 года выпуска был усовершенствован 64-контактный DIP из пластика, когда 40-контактные DIP все еще были нормой, и те, кто участвовал в этом, прозвали его «техасским тараканом», потому что все возможные деформации и дефекты наблюдались на ранних этапах усилий (в то время 64-контактный DIP в проверенном керамическом корпусе мог стоить 25 долларов только за корпус). При этих ограничениях прямым и экономичным способом реализации высокопроизводительной шины расширения было соединение существующего интерфейса памяти ЦП для обработки периферийных устройств. S-100, Apple II, ISA и Acorn Tube были разработаны в рамках этой модели. Обычно он открывает все содержимое системной памяти для любой имеющейся карты расширения. Обычно не существовало модели безопасности или ограничений доступа. Этот идеал продолжился при разработке стандартов интерфейсов, таких как IEEE 1394 (также известный как FireWire), которые по-прежнему подвержены так называемой атаке DMA.
, если только карта расширения не была предназначена для только для вывода, карте потребуется механизм для предупреждения основного ЦП об асинхронном событии, которое необходимо обработать. Если бы временные ограничения были умеренными, это можно было бы реализовать дешево, заставив основной ЦП выполнять периодический опрос (обычно считается неэффективным), но в противном случае карта расширения будет реализовывать строку прерывания предназначен для сигнализации об асинхронном событии. Однако обычной практикой проектирования шины было разделение небольшого количества отдельных линий прерывания на большее количество слотов расширения (в частности, шины ISA), и это создавало множество конфликтов ресурсов. Иногда это можно было решить, вручную привязав карту расширения к желаемой строке IRQ. Это может быть выполнено с помощью блоков перемычек, DIP-переключателей или в более поздних поколениях путем электрического программирования встроенной конфигурации EEPROM.
, поскольку карты расширения обычно отображаются на На основной системной шине карты обычно отображены в памяти. Слоты расширения можно спроектировать так, чтобы каждый слот имел выделенный блок адресов памяти для связи с главным процессором. Но из соображений стоимости шины расширения обычно проектировались таким образом, чтобы каждый слот был идентичным, и пользователю было предоставлено право выбирать / настраивать устройства, которые в настоящее время представляют собой уникальные блоки адресов. Это оказалось особенно подверженным конфликтам, когда пользователь хотел расширить систему несколькими экземплярами одной и той же платы расширения, например, большим количеством последовательных портов для реализации системы доски объявлений.
В домашних условиях неискушенные пользователи неизменно требовали автоматического определения вновь вставленных аппаратных карт, не имея технических знаний, чтобы взять детальную настройку в свои руки. Многие операционные системы проводят серию зондов во время процесса загрузки для обнаружения известных устройств с помощью некоторой наблюдаемой электронной подписи (например, ответа на адрес ввода-вывода, когда к такому устройству обычно обращаются). Стандарт Microsoft plug and play от 1995 года был ярким примером такой практики (широко высмеиваемой как «включи и молись» во время его долгой стадии прорезывания, когда казалось, что он активно мешает ручным усилиям по исправлению своих многочисленных ошибок).
С древнейших времен карты расширения часто содержали дополнительное ПЗУ, где карта расширения поставляла свою собственную прошивку инициализации, а иногда также свой собственный драйвер устройства. Это упростило перечисление устройств. В частности, платы расширения контроллера диска имели тенденцию реализовывать ПЗУ со сложными опциями, потому что до тех пор, пока контроллер диска не заработал, главный компьютер не мог подключиться к дисковой памяти для выполнения своей собственной функции загрузки. Если по какой-либо причине дополнительное ПЗУ оказалось несовместимым с BIOS хост-системы, такую проблему, как правило, невозможно было решить без обновления прошивки с той или иной стороны; неудачное обновление прошивки могло быстро превратить целевое устройство в кирпич, поэтому обновления прошивки обычно рассматривались как последнее средство.
Даже компьютеры на основе электронных ламп имели модульную конструкцию, но отдельные функции для периферийных устройств заполняли шкаф, а не только печатная плата. Платы процессора, памяти и ввода-вывода стали возможными с разработкой интегральных схем. Карты расширения позволяли адаптировать процессорную систему к потребностям пользователя, позволяя варьировать тип подключенных устройств, добавлять к памяти или дополнительные функции центрального процессора (например, блок с плавающей запятой ). Миникомпьютеры, начиная с PDP-8, состояли из нескольких плат, все питались и обменивались данными через пассивную объединительную плату.
Первый коммерческий микрокомпьютер со слотами расширения был Micral N в 1973 году. Первой компанией, установившей стандарт де-факто, был Altair с Altair 8800, разработанным в 1974–1975 годах, который позже стал стандарт нескольких производителей, шина S-100. Многие из этих компьютеров также были конструкциями пассивной объединительной платы, где все элементы компьютера (процессор, память и ввод / вывод) были подключены к каркасу для карт, который пассивно распределял сигналы и питание между картами.
Собственные реализации шины для таких систем, как Apple II, сосуществовали со стандартами нескольких производителей.
IBM представили то, что задним числом будет называть шиной Industry Standard Architecture (ISA) с IBM PC в 1981 году. В то время 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 по XT, но он был обратно совместим; 8-битные карты все еще можно было использовать в 16-битных слотах AT. Промышленная стандартная архитектура (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 для правильного подключения устройств, поскольку адреса памяти, адреса портов ввода-вывода и каналы DMA должны были быть настроены переключателями или перемычками на карте для соответствия настройки в программном драйвере.
Шина IBM MCA, разработанная для PS / 2 в 1987 году, была конкурентом ISA, также их дизайн, но потеряла популярность из-за широкого признания ISA и IBM лицензирование MCA. EISA, 32-разрядная расширенная версия ISA, отстаиваемая Compaq, использовалась на некоторых материнских платах ПК до 1997 года, когда Microsoft объявила ее "устаревшей" подсистемой в PC 97 -бумага. Фирменные локальные шины (q.v. Compaq), а затем VESA Local Bus Standard, были шинами расширения конца 1980-х годов, которые были связаны, но не эксклюзивно, с шиной 80386 и 80486 CPU. Шина PC / 104 - это встроенная шина, которая копирует шину ISA.
Intel выпустила свои наборы микросхем шины PCI вместе с процессорами Pentium на базе P5 в 1993 году. Шина PCI был представлен в 1991 году как замена ISA. Стандарт (теперь это версия 3.0) и по сей день используется на материнских платах ПК. Стандарт PCI поддерживает мостовое соединение шины: было протестировано до десяти шин PCI с последовательным подключением. Cardbus, использующий разъем PCMCIA, представляет собой формат PCI, который подключает периферийные устройства к главной шине PCI через мост PCI-PCI. Cardbus заменяется форматом ExpressCard.
Intel представила шину AGP в 1997 году как специализированное решение для ускорения видео. Устройства AGP логически подключаются к шине PCI через мост PCI-to-PCI. Хотя это и называется шиной, AGP обычно поддерживает одновременно только одну карту (Legacy BIOS проблемы поддержки). С 2005 года PCI-Express заменяет PCI и AGP. Этот стандарт, утвержденный в 2004 году, реализует логический протокол PCI через интерфейс последовательной связи. PC / 104 (-Plus) или Mini PCI часто добавляются для расширения на платах малого форм-фактора, таких как Mini-ITX.
для их 1000 EX и 1000 моделей HX, Tandy Computer разработала интерфейс расширения PLUS, адаптированный для поддерживающих XT-bus карт меньшего форм-фактора. Поскольку он электрически совместим с шиной XT (также известной как 8-битный ISA или XT-ISA), можно сделать пассивный адаптер для подключения карт XT к разъему расширения PLUS. Еще одна особенность карточек PLUS - их штабелирование. Другой шиной, предлагавшей наращиваемые модули расширения, была шина «sidecar», используемая IBM PCjr. Это могло быть электрически сопоставимо с шиной XT; он определенно имел некоторое сходство, поскольку оба по существу открывали адресную шину процессора 8088 и шины данных с некоторой буферизацией и фиксацией, добавлением прерываний и DMA, предоставляемых дополнительными чипами Intel, и несколько линий обнаружения неисправности системы (Power Good, Memory Check, I / O Channel Check). Опять же, коляски PCjr технически не являются картами расширения, а модулями расширения, с той лишь разницей, что коляска представляет собой карту расширения, заключенную в пластиковую коробку (с отверстиями, открывающими разъемы).
Большинство других компьютерных линий, в том числе от Apple Inc. (Apple II, Macintosh ), Tandy, Commodore, Amiga и Atari предложили 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 NuBus для своей серии Macintosh до 1995 года, когда они перешли на шину PCI. Как правило, карты расширения PCI будут работать на любой платформе CPU при наличии программного драйвера для этого типа. Видеокарты PCI и другие карты, содержащие BIOS, вызывают проблемы, хотя видеокарты, соответствующие стандартам VESA, могут использоваться для вторичных мониторов. На рабочих станциях DEC Alpha, IBM PowerPC и NEC MIPS использовались разъемы шины PCI. И Zorro II, и NuBus были Plug and Play, не требуя от пользователя конфигурации оборудования.
Даже многие игровые приставки, такие как Sega Genesis, имели шины расширения; по крайней мере, в случае Genesis шина расширения была проприетарной, и на самом деле слоты для картриджей на многих консолях на основе картриджей (не включая Atari 2600 ) можно было бы квалифицировать как шины расширения, поскольку они открывали оба и возможности 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.
Другие компьютерные шины использовались для промышленного управления, приборов и научных систем. Некоторыми из этих стандартов были VMEbus, STD Bus и другие.
Ноутбуки обычно не поддерживают большинство карт расширения. Было разработано несколько компактных стандартов расширения. Исходная стандартная плата расширения PC Card по сути является компактной версией шины ISA. Стандарт плат расширения CardBus - это эволюция стандарта плат PC-карт, превращающая его в компактную версию шины PCI. Исходный стандарт ExpressCard действует как периферийное устройство USB 2.0 или устройство PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 добавляет SuperSpeed USB в качестве еще одного типа интерфейса, который может использовать карта. К сожалению, CardBus и ExpressCard уязвимы для DMA-атак, если на портативном компьютере нет IOMMU, настроенного для предотвращения этих атак.
Основная цель платы расширения - предоставить или расширить функции, не предлагаемые материнской платой. Например, исходный IBM PC не имел встроенной графики или возможности жесткого диска. В этом случае графическая карта и карта контроллера жесткого диска ST-506 обеспечивали графические возможности и интерфейс жесткого диска соответственно. В некоторых одноплатных компьютерах не предусмотрены карты расширения, а на плате могут быть только гнезда для микросхем для ограниченных изменений или настроек. Поскольку надежные многополюсные разъемы относительно дороги, в некоторых системах массового потребления, таких как домашние компьютеры, не было слотов расширения и вместо этого использовался разъем на краю платы на краю основной платы, что позволяло использовать дорогостоящий соответствующий разъем. в стоимость периферийного устройства.
В случае расширения встроенных возможностей материнская плата может иметь одиночный последовательный порт RS232 или порт Ethernet. Можно установить плату расширения, чтобы предложить несколько портов RS232 или несколько портов с более высокой пропускной способностью Ethernet. В этом случае материнская плата обеспечивает базовую функциональность, но карта расширения предлагает дополнительные или улучшенные порты.
Один край платы расширения удерживает контакты (крайний разъем или контактный разъем ), которые входят в слот. Они устанавливают электрический контакт между электроникой на карте и материнской плате. Платы периферийного расширения обычно имеют разъемы для внешних кабелей. В PC-совместимый персональный компьютер, эти разъемы находились в опорном кронштейне на задней стенке корпуса. В промышленных системах объединительной платы разъемы устанавливались на верхнем крае карты, напротив контактов объединительной платы.
В зависимости от форм-фактора материнской платы и корпуса в компьютерную систему можно добавить от одной до семи плат расширения. В системы объединительной платы можно установить 19 или 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 , представленные на рынке по состоянию на 2010 г., представляют собой двухслотовые видеокарты, в которых второй слот используется как место для установки активного радиатора с вентилятором.
Некоторые карты являются «низкопрофильными», 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 площадь платы). Группа карт расширения, которые используются для внешнего подключения, такие как сетевая, SAN или модемные карты, обычно называются входами / выходами. карты (или карты ввода / вывода).
Звуковая карта с присоединенной дочерней платой MIDI 
Дочерняя плата для серверной платформы Inventec, которая действует как RAID-контроллер на базе чипсета LSI 1078 A дочерняя плата, дочерняя плата, мезонинная плата или дополнительная плата - это плата расширения, которая подключается к системе напрямую. Дочерние платы часто имеют вилки, розетки, штыри 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.
Дочерние платы иногда используются в компьютерах, чтобы карты расширения могли устанавливаться параллельно с материнская плата, обычно для поддержания небольшого форм-фактора . Эта форма также называется переходными платами или переходными платами. Дочерние платы также иногда используются для расширения основных функций электронного устройства, например, когда к определенной модели добавлены функции и она выпущена 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, разделены прокладками или стойками и иногда называются мезонинными картами из-за того, что они сложены, как мезонин театр. Карты Wavetable (карты синтеза на основе сэмплов ) часто монтируются на звуковых картах таким образом.
Некоторые стандарты интерфейса мезонинных плат включают 400-контактную мезонинную плату FPGA (FMC); 172-контактная высокоскоростная мезонинная карта (HSMC); мезонинная карта PCI (PMC); Антресоли XMC; Продвинутая мезонинная карта ; IndustryPacks (VITA 4), мезонинные модули GreenSpring Computers ;
Примеры плат расширения в виде дочерних плат включают:
