Board, card, slot, expansion bus

Navrhnout a vyrobit počítač dnes není žádný problém. Horší je to již s tím, jak vyhovět lidem všem - uživatelé si mohou chtít různě dotvářet či vylepšovat své počítače dodatečným instalováním či výměnou disků, rozšiřováním operační paměti nebo přidáváním různých dalších hardwarových doplňků. Proto vcelku oprávněně požadují, aby jejich počítač takovéto úpravy připouštěl, a pokud možno jim i vycházel vstříc.

V případě operačních pamětí se upustilo od původního osazování paměťových čipů přímo na systémovou desku (tzv. motherboard) nebo do patic na této desce, a přešlo se na osazování paměťových čipů na samostatné, miniaturní desky s plošnými spoji, které se pak velmi jednoduchým způsobem zasouvají do konektorů na systémové desce. Tyto tzv. SIMM moduly (Single In-line Memory Modules) se prodávají s různými kapacitami (např. á 256 KB, 1 MB, 4 MB), a sám si je může nainstalovat snad opravdu každý, kdo se nebojí podívat svému počítači do útrob.

U pevných disků a disketových mechanik je situace vcelku jednoduchá - jde vždy o samostatné "kusy", které není principiálním problémem vyměnit za jiné či nainstalovat až dodatečně.

Poněkud jiná situace ale nastává u dalších nezbytných součástí dnešních počítačů: videoadaptérů, řadičů disků a disket, různých rozhraní včetně síťových apod. Výrobce má možnost je zaintegrovat přímo do systémové desky (motherboardu), což je pro něj z mnoha důvodů výhodné (mj. i kvůli spolehlivosti a minimalizaci konfliktů s dodatečně připojovaným hardwarem od jiných výrobců). Na druhé straně je ale toto řešení jen velmi málo flexibilní, protože nedovoluje prakticky žádnou variabilitu při sestavování různých modelů počítačů ani v jejich následném "vylepšování". V tomto ohledu je vhodné si uvědomit také to, jak se v dnešní době vyrábějí osobní počítače řady PC. Až na některé světlé (a hlavně drahé) výjimky, jsou tyto počítače sestavovány z komponent, které dodávají různé firmy, vesměs specializované na příslušný druh hardwaru. Systémová deska (motherboard) je pak od jedné firmy, skříňka (tzv. case) od jiné, podobně moduly SIMM s operační pamětí, diskové a disketové mechaniky, videoadaptér, monitor at d. I když se pak pod celý komplet podepíše jen jedna firma, přesto je výsledný celek stavebnicí, kterou si stejně tak dobře mohl sestavit věci znalý uživatel sám.

Pro stavebnicový charakter dnešních osobních počítačů je nezbytné, aby jejich systémové desky umožňovaly připojit různé další prvky (například právě zmíněné videoadaptéry, nejrůznější řadiče apod.). Ty mají nejčastěji opět formu desek s plošnými spoji, a proto se jim říká karty (cards) či jednoduše desky (boards): příkladem může být karta, resp. deska videoadaptéru, karta se sériovými a paralelními rozhraními, síťová karta, zvuková karta apod. Systémová deska (motherboard), ke které se tyto desky (karty) připojují, pak vystupuje v roli matiční či mateřské desky (odsud anglické: motherboard), ke které se ostatní desky připojují v roli dceřinných desek (proto se jim v angličtině někdy říká také daughterboards). Mnohem častěji jsou ale tyto desky označovány přívlastkem rozšiřující (expansion), protože rozšiřují možnosti a schopnosti systémové desky.

Konkrétní způsob připojování rozšiřujících desek ovšem musí být dostatečně standardizován. To se samozřejmě netýká jen fyzických rozměrů rozšiřujících desek a konektorů, kterými se připojují k systémové desce, ale také zapojení těchto konektorů, resp. jednotlivých signálů na nich, skladby těchto signálů a koncepce samotné systémové desky, která musí pamatovat na to, že některé funkce budou zajišťovány rozšiřujícími deskami.

Systémové desky počítačů PC (obecně i jiných počítačů) proto bývají vybaveny určitým počtem přípojných míst pro připojování rozšiřujících desek. Těmto přípojným místům se říká sloty (slots), a jsou tvořeny konektorem, zabudovaným do systémové desky (v případě počítačů PC jde o patici pro tzv. přímý konektor, vyleptaný přímo do rozšiřující desky). Skříňka, do které se systémová deska zabudovává, je pak opatřena ještě různými mechanickými držáky pro pevné uchycení rozšiřujících desek v jednotlivých slotech.

Rozšiřující desky, které se instalují do jednotlivých slotů, musí být samozřejmě uzpůsobeny zapojení konektoru, který na systémové desce příslušný slot vytváří. Jednotlivé signály na těchto konektorech tvoří tzv. rozšiřující sběrnici (expansion bus), která má jak datovou a adresovou část (tj. signály, resp. vodiče pro přenos dat a adres), tak i část řídící, s celou řadou různých řídících signálů. V současné době je u počítačů PC nejpoužívanější rozšiřující sběrnice, označovaná jako ISA (od: Industry Standard Architecture). Ta vznikla z původní 8-bitové rozšiřující sběrnice počítačů PC, a je 16-bitová (čímž je míněno to, že přenáší data najednou po 16 bitech, k čemuž potřebuje 16-bitovou datovou sběrnici).

Pro správné pochopení toho, co rozšiřující sběrnice skutečně je (a hlavně co není), je dobré si blíže ozřejmit její postavení v rámci celého počítače. Každý procesor (resp. mikroprocesor) je opatřen určitým počtem vstupů a výstupů, které slouží pro přenos dat a adres mezi ním a jeho okolím. Například mikroprocesor Intel 8088 má osm datových vstupů/výstupů, mikroprocesory i8086 a 80286 jich mají 16, a i80386 a i80486 jich mají 32. Prostřednictvím těchto datových vstupů/výstupů pak mikroprocesor získává data od operační paměti - tedy buď po 8 bitech, či po 16, resp. po 32 bitech najednou. Mezi mikroprocesorem a pamětí tedy existuje datová sběrnice, která je tak široká, kolik bitů má datový vstup/výstup mikroprocesorů. Také rychlost přenosu dat po této sběrnici je závislá na taktovací frekvenci procesoru. Rozšiřující sběrnice je ale až o jeden "stupeň" dále (od mikroprocesoru a operační paměti je oddělena dalšími obvody), a její šířka a rychlost obecně nezávisí na konkrétním mikroprocesoru.

Například rozšiřující sběrnice ISA přenáší data po 16 bitech (i když procesor může být 32-bitový a s pamětí si koresponduje po 32 bitech najednou), má jen 24 adresových vodičů (tj. dovoluje adresovat jen 16 MB paměti, i když operační paměť může být mnohem větší a procesor ji dokáže adresovat celou) a pracuje svou vlastní rychlostí (typicky s frekvencí 8 MHZ, nezávisle na taktovací frekvenci mikroprocesoru). Není proto divu, že tato rozšiřující sběrnice, původně určená pro počítače PC/AT s mikroprocesory 80286, není pro dnešní výkonná PC s rychlými 32-bitovými mikroprocesory zdaleka optimální - především proto, že není 32-bitová.

Firma IBM proto vytvořila novou rozšiřující sběrnici, kterou nazvala MCA (Micro Channel Architecture). Ta již je 32-bitová, ale není zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA. To v praxi znamená, že žádná z rozšiřujících desek, uzpůsobených sběrnici ISA, není v počítačích s rozšiřující sběrnicí MCA použitelná. Navíc firma IBM si svou sběrnici MCA nechala patentovat a za její použití jinými výrobci si účtuje licenční poplatky. Hlavně to je asi důvod, proč se tato její rozšiřující sběrnice do praxe příliš neprosadila, a lze se s ní setkat většinou jen u originálních počítačů firmy IBM řady PS/2.

Ostatní na to reagovali po svém - devět vlivných výrobců vytvořilo vlastní standard 32-bitové rozšiřující sběrnice, nazývaný EISA (Extended ISA). Tato sběrnice je také 32-bitová, a je zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA. Rozšiřující kartu pro sběrnici ISA tedy můžeme použít i ve slotech sběrnice EISA, jejichž konektory ostatně mají stejné fyzické rozměry, jako konektory sběrnice ISA. S rozdílným počtem signálů obou sběrnic se sloty pro EISA sběrnici vyrovnávají velmi zajímavým způsobem: konektor EISA slotu má dvě vrstvy kontaktů nad sebou. Deska pro sběrnici ISA je tlustší a do konektoru ji lze zasunout pouze tak, že se dotýká jen horní řady kontaktů. U rozšiřujících desek pro sběrnici EISA je ta jejich část, která se do konektoru zasouvá, poněkud tenčí, a tak ji lze zasunout hlouběji. Tak hluboko, aby se dotýkala druhé řady kontaktů.