В вычислительной технике плата расширения (также называемая платой расширения , адаптерной картой , периферийной картой или вспомогательной картой ) представляет собой печатную плату , которая может быть вставлена в электрический разъем или слот расширения (также называемый слотом шины) на материнской плате компьютера (см. также объединительная плата ) для добавления функциональности компьютерной системе. Иногда конструкция корпуса компьютера и материнской платы подразумевает размещение большинства (или всех) этих слотов на отдельной съемной карте. Обычно такие карты называются переходными картами отчасти потому, что они выступают вверх от платы и позволяют размещать карты расширения над материнской платой и параллельно ей.
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 не будет полезна в персональном компьютере, используемом для 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 пользователю выполнять определенную настройку для конкретных целей. Некоторые карты расширения имеют форму «дочерних плат», которые подключаются к разъемам на поддерживающей системной плате.
В персональных компьютерах к известным стандартам шин расширения и плат расширения относятся шина S-100 1974 года, связанная с операционной системой CP/M , 50-контактные слоты расширения оригинального компьютера Apple II 1977 года (уникальные для Apple), стандартная архитектура промышленности IBM (ISA), представленная с IBM PC в 1981 году, шина расширения Tube от Acorn на BBC Micro также с 1981 года, запатентованная и собственная архитектура Micro Channel (MCA) IBM 1987 года, которая так и не завоевала популярности на рынке клонов , значительно улучшенная архитектура Peripheral Component Interconnect (PCI), которая заменила ISA в 1992 году, и PCI Express 2003 года, которая абстрагирует межсоединение в высокоскоростные коммуникационные «линии» и переносит все остальные функции в программный протокол.
Компьютеры на основе вакуумных ламп имели модульную конструкцию, но отдельные функции для периферийных устройств заполняли корпус, а не только печатную плату. Процессор, память и карты ввода-вывода стали возможны с развитием интегральных схем . [1] Карты расширения делают процессорные системы адаптируемыми к потребностям пользователя, позволяя подключать различные типы устройств, включая ввод-вывод, дополнительную память и дополнительные функции (например, блок с плавающей точкой ) к центральному процессору. Мини-компьютеры, начиная с PDP-8 , состояли из нескольких карт, взаимодействующих через пассивную объединительную плату и питаемых от нее .
Первым коммерческим микрокомпьютером со слотами расширения был Micral N , выпущенный в 1973 году. Первой компанией, установившей фактический стандарт , была Altair с Altair 8800 , разработанным в 1974–1975 годах, который позже стал стандартом для многих производителей, шиной S-100 . Многие из этих компьютеров также имели пассивные конструкции объединительной платы, где все элементы компьютера (процессор, память и ввод-вывод) подключались к каркасу для карт, который пассивно распределял сигналы и питание между картами.
Фирменные реализации шин для таких систем, как Apple II, сосуществовали со стандартами разных производителей.
IBM представила то, что впоследствии будет называться шиной Industry Standard Architecture (ISA) с IBM PC в 1981 году. В то время эта технология называлась шиной PC . IBM XT , представленный в 1983 году, использовал ту же шину (с небольшим исключением). 8-битная шина PC и XT была расширена с появлением IBM AT в 1984 году. Он использовал второй разъем для расширения шины адреса и данных по сравнению с XT, но был обратно совместим; 8-битные карты все еще можно было использовать в 16-битных слотах AT. Industry Standard Architecture (ISA) стала обозначением для шины IBM AT после того, как были разработаны другие типы. Пользователи шины ISA должны были иметь глубокие знания оборудования, которое они добавляли, чтобы правильно подключать устройства, поскольку адреса памяти, адреса портов ввода-вывода и каналы DMA должны были быть настроены переключателями или перемычками на карте для соответствия настройкам в программном обеспечении драйвера.
Шина MCA от IBM , разработанная для PS/2 в 1987 году, была конкурентом ISA, также их разработки, но вышла из моды из-за общеотраслевого признания ISA и лицензирования MCA компанией IBM. EISA, 32-битная расширенная версия ISA, продвигаемая Compaq , использовалась на некоторых материнских платах ПК до 1997 года, когда Microsoft объявила ее «устаревшей» подсистемой в отраслевом документе PC 97. Фирменные локальные шины (см. Compaq), а затем стандарт локальной шины VESA были шинами расширения конца 1980-х годов, которые были привязаны, но не эксклюзивны для шин ЦП 80386 и 80486. [2] [3] [4] Шина PC/104 — это встроенная шина, которая копирует шину ISA.
Intel выпустила свои чипсеты шины PCI вместе с процессорами Pentium на базе P5 в 1993 году. Шина PCI была представлена в 1991 году в качестве замены ISA. Стандарт (теперь версии 3.0) встречается на материнских платах ПК и по сей день. Стандарт PCI поддерживает шинные мосты: было протестировано до десяти последовательно соединенных шин PCI. CardBus , использующий разъем PCMCIA , представляет собой формат PCI, который подключает периферийные устройства к шине PCI Host через мост PCI to PCI. Cardbus вытесняется 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-PCI. Хотя AGP и называется шиной, она обычно поддерживает только одну карту за раз ( проблемы поддержки Legacy BIOS ). С 2005 года PCI Express заменяет как PCI, так и AGP. Этот стандарт, одобренный [ как кто? ] 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 шины XT, поддерживающей карты меньшего форм-фактора. Поскольку она электрически совместима с шиной XT (она же 8-битная ISA или XT-ISA), можно сделать пассивный адаптер для подключения карт XT к разъему расширения PLUS. Еще одной особенностью карт PLUS является то, что они могут быть объединены в стек. Еще одной шиной, которая предлагала объединенные в стек модули расширения, была шина «sidecar», используемая IBM PCjr . Она могла быть электрически сопоставима с шиной XT; она, безусловно, имела некоторые сходства, поскольку обе по сути раскрывали адресные и информационные шины ЦП 8088 с некоторой буферизацией и защелкиванием, добавлением прерываний и DMA, предоставляемых дополнительными чипами Intel, и несколькими линиями обнаружения неисправностей системы (Power Good, Memory Check, I/O Channel Check). Опять же, платы расширения PCjr технически не являются картами расширения, а модулями расширения, с той лишь разницей, что платы расширения представляют собой плату расширения, заключенную в пластиковый корпус (с отверстиями, открывающими доступ к разъемам).
Ноутбуки, как правило, не могут принять большинство карт расширения, предназначенных для настольных компьютеров. В связи с этим было разработано несколько стандартов компактного расширения.
Первоначальный стандарт карты расширения PC Card по сути является компактной версией шины ISA. Стандарт карты расширения CardBus является развитием стандарта PC Card, превратившим его в компактную версию шины PCI. Первоначальный 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, CardBus и ExpressCard уязвимы для атак DMA , если только на ноутбуке нет IOMMU, настроенного на предотвращение этих атак.
Одним из заметных исключений из вышесказанного является включение одного внутреннего слота для специальной версии уменьшенного размера стандарта настольного компьютера. Наиболее известными примерами являются Mini-PCI или Mini PCIe . Такие слоты обычно предназначались для определенной цели, например, для предоставления «встроенной» беспроводной сети или модернизации системы на производстве с помощью дискретного графического процессора.
Большинство других компьютерных линеек, включая Apple Inc. , Tandy , Commodore , Amiga и Atari, Inc. , предлагали собственные шины расширения. Amiga использовала Zorro II . Apple использовала фирменную систему с семью 50-контактными слотами для периферийных карт Apple II , а затем использовала обе вариации Processor Direct Slot и NuBus для своей серии Macintosh до 1995 года, когда они перешли на шину PCI.
В общем, большинство карт расширения PCI будут работать на любой платформе ЦП , которая включает в себя оборудование шины PCI, при условии наличия программного драйвера для этого типа. Видеокарты PCI и любые другие карты, которые содержат собственный BIOS или другое ПЗУ, являются проблемными, хотя видеокарты, соответствующие стандартам VESA, могут использоваться для дополнительных мониторов. Рабочие станции DEC Alpha, IBM PowerPC и NEC MIPS использовали разъемы шины PCI. [5] И Zorro II, и NuBus были plug and play , не требуя никакой аппаратной настройки пользователем.
Другие компьютерные шины использовались для промышленного управления, инструментов и научных систем. Одним из конкретных примеров является HP-IB (или Hewlett Packard Interface Bus), который в конечном итоге был стандартизирован как IEEE-488 (он же GPIB). Некоторые известные исторические стандарты включают VMEbus , STD Bus , SBus (специфичный для SPARCStations от Sun) и множество других.
Многие другие игровые консоли, такие как Nintendo Entertainment System и Sega Genesis, включали в себя шины расширения в той или иной форме; в случае, по крайней мере, Genesis, шина расширения была фирменной. Фактически, слоты картриджей многих консолей на основе картриджей (не считая Atari 2600 ) можно было бы квалифицировать как шины расширения, поскольку они предоставляли возможности чтения и записи внутренней шины системы. Однако модули расширения, подключенные к этим интерфейсам, хотя функционально и являются теми же, что и карты расширения, технически не являются картами расширения из-за своей физической формы.
Основная цель платы расширения — предоставить или расширить функции, не предлагаемые материнской платой. Например, оригинальный IBM PC не имел встроенной графики или возможности жесткого диска. В этом случае графическая карта и плата контроллера жесткого диска ST-506 обеспечивали графические возможности и интерфейс жесткого диска соответственно. Некоторые одноплатные компьютеры не предусматривали возможности для плат расширения и могли предоставлять только гнезда для микросхем на плате 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 карты на краю основной платы, внося дорогостоящий соответствующий разъем в стоимость периферийного устройства.
В случае расширения возможностей платы материнская плата может предоставить один последовательный порт RS232 или порт Ethernet . Плата расширения может быть установлена для предоставления нескольких портов RS232 или нескольких и более высокопропускных портов Ethernet . В этом случае материнская плата обеспечивает базовую функциональность, но плата расширения предлагает дополнительные или улучшенные порты.
Один край платы расширения удерживает контакты (краевой разъем или штыревой разъем ), которые вставляются в слот. Они устанавливают электрический контакт между электроникой на карте и на материнской плате. Периферийные платы расширения обычно имеют разъемы для внешних кабелей. В ПК-совместимом персональном компьютере эти разъемы располагались в опорном кронштейне на задней стороне корпуса. Промышленные системы объединительной платы имели разъемы, установленные на верхнем крае карты, напротив штырьков объединительной платы.
В зависимости от форм-фактора материнской платы и корпуса , в компьютерную систему можно добавить от одной до семи карт расширения. В системах с объединительной платой можно установить 19 или более карт расширения. Когда в систему добавляется много карт расширения, общее энергопотребление и рассеивание тепла становятся ограничивающими факторами. Некоторые карты расширения занимают более одного слота. Например, многие графические карты на рынке по состоянию на 2010 год являются двухслотовыми графическими картами, использующими 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 корпусов компьютеров с меньшей высотой, таких как HTPC и SFF . (Существует стандарт «низкопрофильной карты PCI» [6] , который определяет гораздо меньшую площадь кронштейна и платы). Группа карт расширения, которые используются для внешнего подключения, такие как сетевые карты , карты SAN или модемные карты, обычно называются картами ввода-вывода (или картами ввода-вывода).
Дочерняя плата , дочерняя плата , мезонинная плата или плата-переходник — это плата расширения, которая подключается к системе напрямую. [7] Дочерние платы часто имеют штекеры, гнезда, штырьки или другие крепления для других плат. Дочерние платы часто имеют только внутренние соединения в компьютере или других электронных устройствах и обычно имеют 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. [8]
Дочерние платы иногда используются в компьютерах для того, чтобы позволить картам расширения устанавливаться параллельно материнской плате, как правило, для сохранения малого форм-фактора . Эта форма также называется платами расширения или райзерами. Дочерние платы также иногда используются для расширения базовой функциональности электронного устройства, например, когда определенная модель имеет добавленные к ней функции и выпускается как новая или отдельная модель. Вместо того, чтобы полностью переделывать первую модель, дочерняя плата может быть добавлена к специальному разъему на основной плате. Они обычно устанавливаются поверх и параллельно плате, разделенные проставками или стойками , и иногда называются мезонинными картами из-за того, что они уложены друг на друга , как мезонин театра . Карты Wavetable (карты синтеза на основе сэмплов ) часто монтируются на звуковых картах таким образом.
.jpg/1280px-Raspberry_Pi_4B_DVB_TV_%CE%BCHat_(angle).jpg)
Некоторые стандарты интерфейсов мезонинных плат включают 400-контактную мезонинную плату FPGA (FMC); 172-контактную высокоскоростную мезонинную плату (HSMC); [9] [10] мезонинную плату PCI (PMC); мезонины XMC; усовершенствованную мезонинную плату ; IndustryPacks (VITA 4), мезонинные модули GreenSpring Computers и т. д.
Примеры плат расширения в виде дочерних плат включают в себя: