Название: Вычислительная техника (Захаров Н. Г.)

Жанр: Энергетический

Просмотров: 1545


8.5. системные и периферийные шины пэвм

 

Все каналы передачи данных, применяемые в ПК, можно условно разделить на две группы – внутренние (шины) и внешние (интерфейсы). Шины данных при- меняются для соединения компонентов системной платы и подключения плат расши- рения, а интерфейсы – для подключения внешних относительно системной платы или ПК в целом устройств накопителей, устройств ввода-вывода, коммуникационного оборудования и др.

Системные шины

 

Шина (bus) – совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина ме- жду процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины яв- ляются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способ- ность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

Основные характеристики системных шин представлены в таблице 8.3.

 

Таблица 8.3

 

Характеристика

Шина ISA

EISA

MCA

VLB

PCI

AGP

Разрядность шины для

данных и адреса (бит)

 

16 / 24

 

32 / 32

 

32 / 32

32 / 32

64 / 64

32 / 32

64 / 64

32 / 32

64 / 64

Рабочая частота (МГц)

8

8–33

10–20

до 33

до 66

66 / 133

Пропускная

способность (Мбайт/с)

 

16

 

33

 

76

 

132

132 / 264 /

528

528 / 1056 /

2112

Число подключаемых

устройств (HIT )

 

6

 

15

 

15

 

4

 

10

 

1

 

 

Разрядность или ширина шины (bus width) – количество линий связи в шине,

 

то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно.

 

Тактовая частота шины (bus frequency) – частота, с которой передаются по-

 

следовательные биты информации по линиям связи.

 

Шина расширения ISA (Industry Standard Architecture – промышленная стан- дартная архитектура) – использовалась в первом компьютере IBM PC и позволяла до- бавлять в систему различные устройства.

 

Шина PC/XT – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рас- считанная на тактовую частоту 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA – Direct Memory Access). Ши- на адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088.

Шина PC/AT –16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц (16 МГц), имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 ка- нала DMA. Использовалась в МП 80286, совместима и с микропроцессором тактовой частотой больше 66 МГц. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространст- во увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Пропускная способность шины данных равна

5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования.

 

Шина EISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса создана как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт, работает на частоте 8–10 МГц.

Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering – режим еди- ноличного управления шиной со стороны любого из устройств на шине. Имеет сис- тему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается ав- томатическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем и применяется в скорост- ных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.

Шина MCA (Micro Channel Architecture) – 32-разрядная шина, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц. Шина МСА используется не очень широко из-за несовместимости плат адаптеров ISA с МСА.

Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных – 32 бита, для адреса – 30, реальная ско- рость передачи данных по VLB – 80 Мбайт/с.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонен- тов) – самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения раз- личных устройств. Шина PCI допускает подключение до 10 устройств, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до совре- менных Pentium. Тактовая частота PCI – 33 МГц, разрядность – 32 разряда для дан- ных и 32 разряда для адреса, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в

64-битовом варианте – 264 Мбайт/с.

 

Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 8.10.

 

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расшире- ния. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии ши- ны PCI подключаются не непосредственно к МП, а к самой шине PCI (через интер- фейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от про- цессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существен- но снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш- памятью, а в это время по сети на жесткий диск записывается информация.

Процессор

 

Шина процессора

(быстродействующая)

 

Внешний кэш

 

 

 

ОЗУ

Контроллер памяти шины

Графический адаптер

Сетевой адаптер

 

 

Локальная шина PCI

 

Контроллер

SCSI

Слот ввода-вывода

Интерфейс шины расширения

Слот ввода-вывода

 

Шина ISA/EISA или МСАI

 

Рис. 8.10. Конфигурация системы с шиной PCI

 

Шина AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт) – ин- терфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высокую скорость передачи графиче- ских данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения  AGP4x  (передаются  4  блока  данных  за  один  такт)  имеет  величину

1066  Мбайт/с,  а  в  режиме  восьмикратного  умножения  AGP8x  –  2112  Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих опера-

ций.

 

Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 8.11.

Процессор

 

Шина процессора

(быстродействующая)

 

Контроллер

 

Внешний кэш

 

Шина AGP     Графический

ОЗУ

 

памяти шины

 

адаптер

 

 

Локальная шина PCI

Локальный фрейм-буфер

 

 

Контроллер

SCSI

Слот ввода-вывода

Сетевой адаптер

 

 

Рис. 8.11. Конфигурация системы с шиной AGP

 

Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основ- ной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в сис- темной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последова- тельные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти.

PCI  Express  –  новая  архитектура  соединения  компонентов,  введенная  под эгидой  PCI  SIG,  известная  и  под  названием  3GIO  (3-Generation  Input-Output, ввод/вывод 3-го поколения). Здесь шинное соединение устройств с параллельным интерфейсом заменено на двухточечные последовательные соединения с использова- нием коммутаторов.

Спецификация    PCI    Express  регламентирует  последовательное  соединение типа точка-точка. Масштабирование происходит увеличением не частоты, а числа каналов – PCI Express   может   состоять   из   1, 2, 4, 8, 16 или 32 линий,   данные

передаются по обоим фронтам сигнала. Пропускная способность PCI Express достига-

 

ет 4 Гбайт/с в 16-канальной конфигурации. Характеристика современных шин пред-

 

ставлена в таблице 8.4.

 

Таблица 8.4

 

 

Кол-во

линий

Частота,

МГц

Бит

за такт

Пропускная способность,

Гбайт/с

AGP 3.0

32

66

8

2,1

HI 2.0

16

266

2

1,06

HT16x16

32

800

2

6,4

MuTIOL

16

133

4

1,2

PCI 32-бит

32

33

1

133

PCI 64 бит

64

66

1

533

PCI Express 32-бит

32

250

2

1,6

PCI-X

64

133

1

1,06

PCI-X 2.0

64

133

2,4

2,1–4,2

 

 

Тенденция перехода на последовательные шины еще ярче просматривается в интерфейсах для внешних устройств и накопителей. Для подключения периферий- ного оборудования применяются интерфейсы USB 2.0 и Fire Wire (IEEE 1394) – про- пускная способность 480 и 400 Мбит/с.

Периферийные интерфейсы

 

Периферийные шины IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (AT Attachment – подключаемый к AT), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface), SATA используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запо- минающих устройств.

Обычный метод обмена с жестким диском IDE – это программный ввод-вывод, при котором процессор, используя команды ввода-вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод-вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена.

Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA, Ultra ATA и EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д.

Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE – расширенный IDE), использующий как традиционную адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address – LBA), поддерживает емкость диска до 2500

Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стан- дарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и накопитель на магнитной ленте.

ATAPI (ATA Package Interface) – стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD-ROM, стримеры, сканеры и т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra ATA обслуживают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с, поддерживают технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology – технологию самостоятель- ного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неис- правностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA66, 100, 133 обеспечивают пиковую пропускную способность 66, 100, 133 Мбайт/с, соответственно.

На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.

SCSI (Small Computer System Interface) является более сложным и мощным ин- терфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это уни- версальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров – например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования-декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т. п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером – часто в автономном режиме, без участия центрального процессора.

Интерфейсы  SCSI-1  имеют  8-битовую  шину;  SCSI-2  и  SCSI-3  –  16-  или

 

32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся     пиковой     пропускной    способностью,     максимальным    числом

подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Пропускная способность может достигать 80, 160 Мбайт/с и более. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, уста- навливаемой в свободный разъем на материнской плате. Выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

RS-232 – интерфейс обмена  данными  по  последовательному  коммуникаци- онному порту (СОМ-порту). Управление работой СОМ-портов осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически   разъем   СОМ-порта   может   быть   25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1284) – стандарт, описываю- щий  спецификации  параллельных  скоростных  интерфейсов  SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ЕСР (Extended Capabilities Port – порт с расширенными возмож- ностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандарт- ный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

Serial ATA. В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) анонсировала новый чрезвычайно эффективный по- следовательный интерфейс Serial ATA, обеспечивающий пропускную способность от

1500 Мбит/с по 8-жильному кабелю (вместо 80-жильного, используемого параллель- ным АТА). Интерфейс SATA широко применяется в компьютерах Pentium 4 для под- ключения винчестеров.

Разъемы и соединительные кабели Serial ATA благодаря малому количеству контактов весьма компактны, что упрощает подключение накопителей и благоприят- но  сказывается  на  организации  охлаждения  компонентов  ПК.  Контроллеры  Serial ATA вводятся в качестве дополнительных некоторыми изготовителями системных

плат, а разработчики наборов микросхем уже предложили модификации «южных мостов», совместимые с этим интерфейсом. Тем временем организация Serial ATA Working Group, отвечающая за разработку этого стандарта, уже опубликовала специ- фикацию второй версии последовательного дискового интерфейса – Serial ATA-II, обеспечивающего  пропускную  способность  до  300  Мбайт/с  и  полную  обратную

совместимость с первой версией Serial ATA (табл. 8.5).

 

Таблица 8.5

 

 

Пропускная способность, Мбайт/с

АТА133

133

Ultra320 SCSI

320

FibreChannel

200

Serial ATA

150

Serial ATA-II

300

USB 2.0

60

FireWire (IEEE 1394)

50

 

 

Универсальные последовательные периферийные шины

 

USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина, появилась в 1995 году и призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (СОМ- порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть прийти на смену по- следовательным и параллельным портам – все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств и позволяет произво- дить замену, устройств без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматиче- ски конфигурируются. Шина USB самостоятельно определяет, что именно подклю- чили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству. Для адекват- ной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает. В данном случае такой ОС является Windows 98, 2000, ХР. К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств, практически любых: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т. д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора – то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен

по интерфейсу – пакетный, скорость обмена – 12 Мбит/с. В 2001 году появилась сле- дующая спецификация интерфейса USB 2.0 (начальный стандарт USB 1.1), обеспечи- вающая пропускную способность 480 Мбит/с. Поддерживается также дополнитель- ный подканал со скоростью обмена данными в 1,5 Мбит/с для медленных устройств (клавиатуры, мыши, модема).

 

Шина USB реализует как синхронный (нужный, например, при проведении телеконференций), так и асинхронный режимы передачи данных.

IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – стандарт Ин- ститута инженеров по электротехнике и электронике 1394) – новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних ком- понентов компьютера и внешних устройств. IEEE 1394 известен также под именем Fire Wire. Цифровой последовательный интерфейс FireWire характеризуется высокой надежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантиро- ванную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение ви- део- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины FireWire можно подсоединить друг к другу огромное количество раз- личных устройств по технологии Plug and Play и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от названных ранее трудно конфигурируемых шин типа SCSI. К одному контроллеру возможно подключение до 63 устройств на один порт с помощью единого шестижильного кабеля.

Пропускная    способность   интерфейса    составляет  от  100–400  Мбит/с  до

 

1600 Мбит/с. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д.

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – ассоциа- ция производителей плат памяти для персональных компьютеров) – внешняя шина компьютеров класса ноутбуков. Другое название модуля PCMCIA – PC Card. Шина имеет разрядность 16/26 (данные/адрес, адресное пространство – 64 Мбайт), поддер- живает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктов – миниатюрный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

ACPI (Advanced Configuration Power Interface – расширенный интерфейс кон- фигурирования и питания) – интерфейс, представляющий собой единую систему управления  питанием  для  всех  компонентов  компьютера.  Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.

Радиоинтерфейс Bluetooth

 

В 1998 г. разработана технология беспроводной передачи данных, которая получила название Bluetooth. Новый интерфейс позволил соединять друг с другом практически любые устройства: ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мобильные телефоны. Для беспроводного интерфейса Bluetooth отведен частотный диапазон от 2,4 до 2,48 ГГц. Поскольку радиоэфир имеет помехи естественного и ис- кусственного происхождения, то для использования в интерфейсе Bluetooth был предложен принцип скачкообразной перестройки частоты в пределах отведенного диапазона по псевдослучайному алгоритму.

Дальность надежного соединения для устройств с интерфейсом Bluetooth со- ставляет от 10 до 100 м и более. Скорость передачи данных в асимметричном режиме до 721 Кбит/с, а в симметричном – 432,6 Кбит/с в обоих направлениях. Для целей безопасности в спецификации интерфейса предложено использовать аутентификацию и шифрование данных с ключом длиной от 8 до 128 битов.

 

Контрольные вопросы

 

1. Состав системного блока ПЭВМ.

 

2. Что такое чипсет (ChipSets)?

 

3. Что входит в архитектуру системной платы?

 

4. Какие функции выполняет микропроцессор?

 

5. Основные характеристики микропроцессора.

 

6. Виды памяти в ПЭВМ?

 

7. Назовите назначение ОЗУ и ПЗУ.

 

8. Логическая структура основной памяти ПЭВМ.

 

9. Принцип работы клавиатуры.

 

10. Основные типы и характеристики системных шин ПЭВМ.