В вычислительной технике плата расширения (также называемая платой расширения , картой адаптера , периферийной картой или вспомогательной картой ) представляет собой печатную плату , которую можно вставить в электрический разъем или слот расширения (также называемый слотом шины) на материнская плата компьютера (см. также объединительную плату ) 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 переходными отчасти потому, что они выступают вверх из платы и позволяют размещать карты расширения над материнской платой и параллельно ей.
Карты расширения позволяют расширить или дополнить 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 бухгалтерского учета, но может быть ключевой частью системы, используемой для управления производственными процессами. Карты расширения часто можно устанавливать или снимать в полевых условиях, что позволяет пользователю настраивать систему для конкретных целей. Некоторые карты расширения имеют форму «дочерних плат», которые подключаются к разъемам на поддерживающей системной плате.
В персональных компьютерах известные стандарты шин расширения и 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, ламповая шина расширения Acorn на BBC Micro также с 1981 года, запатентованная и проприетарная IBM архитектура Micro Channel (MCA) с 1987 года, которая так и не завоевала одобрения на рынке клонов , улучшенное соединение 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 остальные функции программному протоколу.
Компьютеры на электронных лампах имели модульную конструкцию, но отдельные функции для периферийных устройств заполняли шкаф, а не только печатную плату. Процессор, память и карты ввода-вывода стали возможными с развитием интегральных схем . [1] Карты расширения позволяют процессорным системам адаптироваться к потребностям пользователя, позволяя подключать к центральному процессору различные типы устройств, включая устройства ввода-вывода, дополнительную память и дополнительные функции (например, устройство с плавающей запятой ). Миникомпьютеры, начиная с PDP-8 , состояли из нескольких карт, обменивающихся данными через пассивную объединительную плату и получающих питание от нее .
Первым коммерческим микрокомпьютером , оснащенным слотами расширения, был Micral N в 1973 году. Первой компанией, установившей фактический стандарт , была Altair с Altair 8800 , разработанным в 1974–1975 годах, который позже стал стандартом нескольких производителей, S -100. автобус . Многие из этих компьютеров также представляли собой конструкции с пассивной объединительной платой, в которой все элементы компьютера (процессор, память и устройства ввода-вывода) подключались к каркасу для карт, который пассивно распределял сигналы и питание между картами.
Собственные реализации шины для таких систем, как Apple II, сосуществовали со стандартами разных производителей.
IBM представила то, что задним числом будет называться шиной промышленной стандартной архитектуры (ISA) вместе 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. При этом использовался второй разъем для расширения шины адреса и данных через XT, но он был обратно совместим; 8-битные карты по-прежнему можно было использовать в 16-битных слотах AT. Архитектура отраслевого стандарта (ISA) стала обозначением шины IBM AT после того, как были разработаны другие типы. Пользователи шины ISA должны были иметь глубокие знания об аппаратном обеспечении, 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 карте для их соответствия. настройки программного обеспечения драйвера.
Шина MCA компании IBM , разработанная для PS/2 в 1987 году, была конкурентом ISA, а также ее конструкции, но вышла из моды из-за признания ISA во всей отрасли и лицензирования MCA со стороны IBM. EISA, 32-битная расширенная версия ISA, поддерживаемая Compaq , использовалась на некоторых материнских платах ПК до 1997 года, когда Microsoft объявила ее «устаревшей» подсистемой в отраслевом 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 исключительно к шине ЦП 80386 и 80486 . [2] [3] [4] 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 в качестве замены ISA. Стандарт (сейчас версия 3.0) по сей день встречается на материнских платах ПК. Стандарт PCI поддерживает мостовое соединение шин: было протестировано до десяти последовательно соединенных шин PCI. CardBus , использующий разъем PCMCIA , представляет собой формат PCI, который подключает периферийные устройства к хост-шине PCI через мост PCI-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. Несмотря на то, что AGP называется шиной, он обычно поддерживает одновременно только одну карту ( проблемы с поддержкой устаревшего BIOS ). С 2005 года PCI Express заменяет PCI и AGP. Этот стандарт, одобренный [ кем? ] 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, поддерживающую карты меньшего форм-фактора. Поскольку он электрически совместим с шиной XT (также известной как 8-битная ISA или XT-ISA), можно использовать пассивный адаптер для подключения карт XT к разъему расширения PLUS. Еще одной особенностью карт PLUS является то, что их можно штабелировать. Другой шиной, которая предлагала наращиваемые модули расширения, была шина «sidecar», используемая IBM PCjr . Электрически это могло быть сравнимо с шиной XT; они, безусловно, имели некоторое сходство, поскольку оба по существу раскрывали адрес и шины данных ЦП 8088 с некоторой буферизацией и фиксацией, добавлением прерываний и DMA , обеспечиваемых дополнительными чипами Intel, а также несколькими линиями обнаружения системных сбоев (Power Good, Memory Проверка, проверка канала ввода-вывода). Опять же, коляски PCjr технически не являются платами расширения, а являются модулями расширения, с той лишь разницей, что коляска представляет собой карту расширения, заключенную в пластиковую коробку (с отверстиями, открывающими разъемы).
Ноутбуки, как правило, не поддерживают большинство карт расширения, предназначенных для настольных компьютеров. В результате было разработано несколько стандартов компактного расширения.
Исходный стандарт карт расширения PC Card по сути представляет собой компактную версию шины ISA. Стандарт карт расширения CardBus представляет собой развитие стандарта карт PC, превратив его в компактную версию шины PCI. Исходный стандарт ExpressCard действует так, как будто это 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 атак DMA , если на ноутбуке нет модуля IOMMU, настроенного для предотвращения этих атак.
Заметным исключением из вышеизложенного является включение единственного внутреннего слота для специальной уменьшенной версии настольного стандарта. Наиболее известные примеры — Mini-PCI или Mini PCIe . Такие слоты обычно предназначались для определенной цели, например, для предоставления «встроенной» беспроводной сети или обновления производственной системы с помощью дискретного графического процессора.
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 запатентованную систему с семью 50-контактными разъемами для периферийных карт Apple II , а затем позже использовала оба варианта Processor Direct Slot 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 в себя аппаратное обеспечение шины PCI, при условии, что для этого типа имеется программный драйвер. Видеокарты PCI и любые другие карты, содержащие собственный BIOS или другое ПЗУ, являются проблематичными, хотя видеокарты, соответствующие стандартам VESA, могут использоваться в качестве дополнительных мониторов. Рабочие станции DEC Alpha, IBM PowerPC и NEC MIPS использовали разъемы шины PCI. [5] И Zorro II, и NuBus были готовы к использованию 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 известные исторические стандарты включают VMEbus , STD Bus , SBus (специфичный для SPARCStation от Sun) и многие другие.
Многие другие игровые консоли, такие как Nintendo Entertainment System и Sega Genesis, в той или иной форме включали шины расширения; По крайней мере, в случае с Genesis шина расширения была собственной разработки. Фактически, слоты для картриджей во многих консолях с картриджами (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 аналогичны картам расширения, технически не являются картами расширения из-за своей физической формы.
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 видеокарта и плата контроллера жесткого диска ST-506 обеспечивали графические возможности и интерфейс жесткого диска соответственно. Некоторые одноплатные компьютеры не предусматривали установку карт расширения и могли иметь 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 платы на краю основной платы, в результате чего дорогостоящий соответствующий разъем включался 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, обеспечивающую несколько портов RS232 или несколько портов Ethernet с более высокой пропускной способностью. В этом случае материнская плата обеспечивает базовую функциональность, а карта расширения предлагает дополнительные или расширенные порты.
Один край карты расширения удерживает контакты (краевой разъем или штыревой разъем ), которые входят в слот. Они устанавливают электрический контакт между электроникой на карте и материнской плате. Карты расширения периферии обычно имеют разъемы для внешних кабелей. В ПК-совместимом персональном компьютере эти разъемы располагались в опорном кронштейне в задней части шкафа. В промышленных системах объединительных плат разъемы располагались 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 карт расширения. В системах объединительной платы можно установить 19 или более плат расширения. Когда в систему добавляется много карт расширения, ограничивающими факторами становятся общее энергопотребление и тепловыделение. Некоторые карты расширения занимают более одного слота. Например, многие видеокарты , представленные на рынке по состоянию на 2010 год, представляют собой двухслотовые видеокарты, в которых второй слот используется как место для установки активного радиатора с вентилятором.
Некоторые карты являются «низкопрофильными», то есть они короче стандартных карт и подходят для компьютерного корпуса меньшей высоты. (Существует стандарт «низкопрофильных карт PCI» [6] , который предусматривает гораздо меньшую площадь кронштейна и платы). Группа карт расширения, которые используются для внешних подключений, таких как сетевые карты , карты SAN или модемные карты, обычно называются картами ввода-вывода (или картами ввода-вывода).
Дочерняя плата , дочерняя плата , мезонинная плата или комбинированная плата — это плата расширения, которая подключается к системе напрямую. [7] Дочерние платы часто имеют вилки, розетки, контакты или другие приспособления для других плат. Дочерние платы часто имеют только внутренние соединения с компьютером или другими электронными устройствами и обычно имеют доступ к материнской плате напрямую, а не через компьютерную шину . Такие платы используются либо для улучшения различных объемов памяти компьютера, позволяют компьютеру подключаться к определенным типам сетей, к которым он ранее не мог подключиться, либо для того, чтобы позволить пользователям настраивать свои компьютеры для различных целей, таких как игры. [8]
Дочерние платы иногда используются в компьютерах, чтобы позволить картам расширения устанавливаться параллельно материнской плате, обычно для сохранения небольшого форм-фактора . Эту форму еще называют райзер-картами , или райзерами. Дочерние платы также иногда используются для расширения базовых функций электронного устройства, например, когда к определенной модели добавлены функции и она выпущена как новая или отдельная модель. Вместо того, чтобы полностью перепроектировать первую модель, можно добавить дочернюю плату к специальному разъему на основной плате. Они обычно помещаются поверх доски и параллельно ей, разделяются прокладками или стойками , и иногда их называют мезонинными картами , поскольку они складываются, как мезонин в театре . Карты волновых таблиц ( карты синтеза на основе сэмплов ) часто таким образом устанавливаются на звуковые карты .
.jpg/1280px-Raspberry_Pi_4B_DVB_TV_%CE%BCHat_(angle).jpg)
Некоторые стандарты интерфейса мезонинных карт включают 400-контактную мезонинную карту FPGA (FMC); 172-контактная высокоскоростная мезонинная плата (HSMC); [9] [10] мезонинная карта PCI (PMC); мезонины XMC; расширенная мезонинная карта ; IndustryPacks (VITA 4), мезонинные модули GreenSpring Computers ; и т. д.
Примеры плат расширения в виде дочерней платы: