Архітектура комп'ютерів

Модификация PCI 2.1 работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug&Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров. Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). 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 расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами.

Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 10.2. В настоящее время разработано несколько модификаций этой шины, в частности, стандарта AGP (графический вариант).

Рис. 10.2. Конфигурация системы  с шиной PCI

 

3. Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандарта PCI v2.1.

Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет значение 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 (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Первые версии AGP предусматривали возможность подключения только одного устройства (видеоконтроллера), а начиная с версии 3 — двух устройств. Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-кило-байтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table, или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде AGP-видео-адаптера, устанавливаемого в отдельный разъем. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Конфигурация системы  с шиной AGP

 

В настоящее время семейство  шин PCI (кроме PCI 1.0, PCI 2.1) имеет следующие версии:

□   PCI 2.2 с рабочей частотой 133 МГц и пропускной способностью 1066 Мбит/с;

□   PCI X 266 (PCI DDR - Double Data Rate) с удвоенной рабочей частотой и пропускной способностью 2100 Мбайт/с;

□   PCI X 533 (PCI QDR — Quard Data Rate) с учетверенной рабочей частотой и пропускной способностью 4300 Мбайт/с;

□   Compact PCI и Mini PCI для промышленных и портативных компьютеров;

□   семейство последовательных интерфейсов PCI Express, которое будет рассмотрено несколько дальше.

Ожидается также версия беспроводной шины PCI.

 

Таблица 10.1. Основные характеристики шин

Характеристика	ISA	EISA	MCA	VLB	PCI 1.0	PCI 2.1
Разрядность шины данных и адреса, бит	16/24	32	32	32/64	32/64	64
Рабочая частота, МГц	8	8-33	10-20	До 33	До 66	66
Пропускная способность, Мбайт/с	16	33	76	133	133, 266, 533	533
Число подключаемых устройств, шт.	6	15	15	4	10	10
Характеристика	X 1.0	X DDR	X QDR	AGP	AGP 3.0 4x	AGP 3.0 8x
Разрядность шины данных и адреса, бит	64	64	64	32/64	64	64
Рабочая частота, МГц	66/133	133	133	66/133	66	66
Пропускная способность, Мбайт/с	533/1066	2132	4264	533, 1066, 2132	2132	4264
Число подключаемых устройств, шт.	10	10	10	1	2	2

 

Лекция 10

Периферийные шины

 

Периферийные шины обеспечивают связь центральных устройств  машины с внешними устройствами (дисковые накопители, клавиатура, мышь, сканер и др.). Они являются внешними интерфейсами ЭВМ, отличаются большим разнообразием.

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

2.   Интерфейс АТА,  широко известный и под именем Integrated Drive Electronics (IDE), предложен в 1988 году пользователям ПК IBM PC AT. Он ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайт (по причине организации адресного пространства в традиционной BIOS «головка—цилиндр—сектор»: 16 головок х 1024 цилиндра х 63 сектора х 512 байт в секторе = 504 Мбайт -- 528 482 304 байт) и обеспечивает теоретическую скорость передачи данных 5-10 Мбайт/с.

Существует много модификаций  и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA (тоже с номерами), Ultra ATA (и их несколько) и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в литературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоящее время более 90 % всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE. Кратко рассмотрим некоторые модификации.

□   Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE — расширенный IDE), использующий как традиционную (но расширенную) 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 стандарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе CD-ROM и НКМЛ.

□   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 самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно.

□ UDMA (Ultra Direct Memory Access) — режим прямого доступа к памяти. Обычный метод обмена с жестким диском IDE — это программный ввод-вывод, РIO (Programmed Input/Output), 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.

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 интерфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные 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 вы-

полняет функции обмена данными между устройством и  компьютером — часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA — прямого доступа к памяти или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента шины).

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, различающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI включены средства поддержки технологии Plug&Play — автоматического опознания типа и функционального назначения устройств, настройки без помощи пользователя или при минимальном его участии. Это обеспечивает возможность замены устройств во время работы и т.п.

Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

□   RS-232 — интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (СОМ-порту). Управление работой СОМ-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляет специальная микросхема UART16550A, расположенная на материнской плате. Физически разъем СОМ-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется подключение и работа таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

□   IEEE 1284 — стандарт, описывающий 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 возможностями), 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 стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

 

Универсальные последовательные шины

В 2003-2004 годах произошли революционные  изменения в интерфейсных системах ЭВМ: сначала произошел переворот  в сторону последовательных интерфейсов, а в 2004 году стали активно развиваться и беспроводные интерфейсы.

Тенденция перехода на последовательные и беспроводные интерфейсы связана  с усложнением функциональности интегральных микросхем (специальным  кодированием и декодированием данных, устранением сложных процедур синхронизации каналов, эффективной защитой от ошибок, оптимизацией маршрутизации, поддержкой режима «горячего» подключения устройств и др.).

Последовательные интерфейсы используют вместо широченных многожильных (до 64 жил) шлейфов и кабелей 2-8-жильные. То есть они проще и удобнее параллельных и, как это ни парадоксально, могут быть и существенно более скоростными. Пропускная способность последовательных интерфейсов увеличивается ввиду соединений с устройствами по типу «точка—точка» вместо общей шины и уменьшения паразитных индуктивностей и емкостей проводов, а следовательно, и возможности работы на более высоких рабочих частотах. Так, рабочие частоты параллельных интерфейсов лежат в пределах десятков- сотен мегагерц, а последовательных — до десятка гигагерц (например, последовательный интерфейс PCI Express имеет рабочую частоту 2,5 ГГц).

Первыми на последовательные интерфейсы перебрались клавиатуры, мыши, модемы, принтеры и сканеры, а с 2003 года эта  тенденция наблюдается и для прочих внешних устройств, включая дисковую память (интерфейсы USB, SATA, SAS и др.). Есть попытки перевода на эти интерфейсы и системы оперативной памяти (технология Rambus).

Основные достоинства  последовательных интерфейсов:

□  большая гибкость и функциональность шин;

□ удобство отладки и использования  ввиду переноса «центра тяжести» выполнения этих технологий на микросхемы;

□  высокая пропускная способность  из-за снижения паразитных индуктивностей и емкостей в линиях связи и  отсутствия сложных процедур синхронизации;

□   миниатюризация и снижение стоимости монтажа, сокращение количества контактов, проводов, экранов;

□  возможность «горячего» подключения  устройств, то есть динамического конфигурирования системы и ее масштабирования;

□  облегчение арбитража шин и организации прерываний;

□  лучшая помехозащищенность и  надежность работы.

 

Последовательная шина USB

Первая и самая распространенная сейчас последовательная шина — это  USB (Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина. Она появилась в 1995 году и была призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (СОМ-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть прийти на смену последовательным и параллельным клавиатурным и «мышиным» портам — все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug&Play («включай и работай»), которая позволяет производить «горячую» замену устройств без необходимости выключения и перезагрузки компьютера.