Шины, как известно, используются для передачи данных от центрального процессора к другим устройствам персонального компьютера. Для того, чтобы согласовать передачу данных к отдельным компонентам, работающих на своей частоте, используется чипсет – набор контроллеров, конструктивно объединенных в Северный и Южный мосты. Северный мост отвечает за обмен информацией с оперативной памятью и видеосистемой, Южный – за функционирование других устройств, подключаемых через соответствующие разъемы – жесткие диски, оптические накопители, а также устройств, находящихся на материнской плате (встроенная аудиосистема, сетевое устройство и др.), и для внешних устройств – клавиатура, мышь и т.д.
Схема системной платы показана ниже.
Для связи процессора с мостами используется шина FSB (Front Side Bus) (наиболее часто используемые в настоящее время Hyper-Transport и SCI), северный мост (иногда называемый системным контроллером) позволяет функционировать наиболее производительным устройствам – видеоадаптеру с помощью шины PCI Express 16x и оперативной памяти через шину памяти. Южный мост обеспечивает работу менее скоростных устройств, подключаемых с помощью карт расширения (аудиокарты, сетевые карты, видеокарты и т.д.) через шины PCI и шину PCI Express, оптических дисководов и жестких дисков через шины ATA (ранее называемых IDE, сейчас имеют название PATA (Parallel ATA) и более современные шины SATA. Еще более медленные устройства подключены к южному мосту через шину LPC – микросхема BIOS, мультиконтроллер для связи с внешними устройствами через последовательные и параллельные порты – клавиатурой, мышью, принтером и др.
Отметим, что в наиболее современных компьютерах функции северного моста выполняет центральный процессор (Intel Nehalem, AMD Sledgehammer).
В компьютере имеется несколько шин, по которым передаются данные. Основной является шина между центральным процессором и Северным мостом. О частоте этой шины можно прочитать в разделе о процессорах. Следующая шина имеется между процессором и оперативной памятью (раньше она была между Северным мостом и оперативной памятью). О ее характеристиках можно узнать из раздела об оперативной памяти. Остаются нерассмотренными шины, которые ведут к картам расширения, которые ниже и опишем.
Шина данных передает непосредственно данные, и чем больше она имеет линий, тем больше данных можно передать за один такт, поэтому число линий постоянно увеличивается. Для передачи данных внутри компьютера используются специальная шина, которая состоит из трех частей, по которым передаются данные, адреса, управляющие сигналы, а также заземление, напряжение и пр. То есть, практически данные передаются по трем частям: шина адреса, шина данных и шина управления. Число линий адресной шины определяет максимальное адресное пространство, куда можно пересылать данные, в основном, в оперативную память. Процессор 8086 имел 20 линий для адреса и мог адресовать 2 20 = 1 мегабайт памяти, в 286 имелось 24 линий (2 24 =16 мегабайт), в 386 – 32 линии (2 32 = 4 гигабайта), современные компьютеры имеют больше 32 линий. То есть, чем больше линий в адресной шине, тем большее количество оперативной памяти поддерживает материнская плата.
Шина данных передает непосредственно данные и чем больше имеет линий, тем больше данных можно передать за один такт. Поэтому число линий постоянно увеличивается, начиная от 8 в первых компьютерах до 32 в системах Pentium.
Через
разъемы материнской платы, через вставляемые платы передается
информация к/от процессора к внешним устройствам по отношению к
материнской плате. Через эти разъемы, естественно, нельзя передавать
больше данных, чем это поддерживает внутренняя системная шина, а обычно
меньше, в зависимости от типа шины, с которой работают карты
расширения. Существует несколько видов шин и, соответственно, разъемов:
ISA, EISA, PCI и другие. В последних моделях компьютеров применяется в
основном более производительная шина PCI-Е. Но довольно много устройств
до сих пор работают с менее производительными шинами. Поэтому в
современных материнских платах установлено до 5 различных шин и им
соответствующим разъемам.
Рассмотрим более подробно имеющиеся шины.
Шина ISA (Industry Standart Architecture – промышленная стандартная архитектура) появилась давно и была долгое время стандартом. Сейчас она безнадежно устарела. Всего в первых моделях ХТ было 8 линий для данных, что позволяло передавать байт, 20 адресных линий для адресации до 1 мегабайта памяти, и еще 34 линии для других целей. При переходе на модель РС АТ были добавлены еще 36 линий, среди них 8 для данных и 4 для адреса. 8-разрядная использовалась еще в PC XT, имела 62 контакта и позволяла адресовать 1 Мб памяти. Далее появилась 16-разрядная (иногда называемая AT BUS), работает с частотой 8 Мгц со скоростью 16 Мб/сек, позволяет адресовать до 16 Мегабайт. Она состоит из двух частей, первая из них соответствует 8-разрядному слоту шины ISA. Дополнительные 8 разрядов используется для дополнительных адресов ввода/вывода и содержат 36 разъемов (поэтому можно устанавливать 8-разрядные карты в 16-разрядный слот). Однако данное устройство имело тактовую частоту 8,33 Мгц, работало медленно, поэтому появились другие шины.
В настоящее время работает стандарт Plug-an d-Play (PnP), который позволяет при установке нового устройства производить настройку автоматически. При этом система сама определяет вид устройства, адрес порта ввода/вывода, номер прерывания и канал прямого доступа к памяти (DMA). Однако старые шины с трудом позволяют использовать этот стандарт. Так, шина ISA была разработана до появления PnP. Поэтому не все устройства, которые подключаются к этой шине, могут автоматически конфигурироваться. Для выхода из существующей ситуации в системе Windows 9х имеется список устройств, которые можно подключать к компьютеру и которые сами устанавливаются.
Шина ISA имеет следующие ограничения :
Наличие 16-разрядной шины, то есть возможность одновременно посылать два байта;
Максимальная тактовая частота 8,33 МГц;
Отсутствие совместного использования прерываний и каналов DMA для нескольких карт в разных разъемах;
Отсутствие возможности программного отключения карты при конфликте устройств;
Отсутствие программного управления адресов порта ввода/вывода, линий прерываний и каналов прямого доступа.
Для установки карты ISA в шину EISA обычно нужно иметь конфигурационный файл, чтобы запустить утилиту конфигурации шины EISA, которая будет затем распределять ресурсы для карты.
При установке нового устройства нужно, чтобы оно было совместимо физически и логически. Под физическим совмещением подразумевается, что вид разъема, количество контактов у вилки и разъема должны совпадать друг с другом. Логическое совмещение означает, что должны быть четко определены контакты, по которым подается напряжение, где имеется заземление и т.д. При этом сигнал, посылаемый по одному контакту, должен быть идентифицирован принимающим устройством как сигнал пересылки данных, а не как управляющий сигнал. Все это определяется стандартом шины.
Данный стандарт устанавливается, как правило, производителем, который начал массовый выпуск новых устройств. К ним относятся шина ЕIDE для подключения жестких дисков, последовательный и параллельный порт, шина для вывода графических изображений, шина для подключения карт расширений, шина USB, IrDA и пр., которые имеют свои стандарты. Однако на практике часто под понятием шины обозначают шину, к которой подключается плата расширения. Поэтому в этой книге и дальше просто шина будет называться шина PCI, VESA и т.д. В заключение отметим, что первые шины для компьютера назывались Multibus1 . Они выпускались в двух вариантах: PC/XT bus и PC/AT bus и имели 7 линий для аппаратных прерываний. В дальнейшем их вытеснила шина ISA.
Шина МСА (Microchannel - микроканал) появилась в 1987 году, разработана компанией IBM и установлена на компьютере PS/2 ISA. Имеется два вида: 16- и 32-разрядная. 32-разрядная работает с частотой 10 Мгц, со скоростью передачи данных до 20 Мб/с, позволяет адресовать до 4-х гигабайт. Карта расширения могла быть самостоятельно распознана и автоматически конфигурирована компьютером. Основным недостатком является несостыковка с шиной ISA, для которой были разработаны основные устройства, поэтому данная архитектура не нашла широкого распространения.
Шина EISA (Extended ISA - расширенная ISA ) выпущена группой конкурирующих с IBM фирм в 1988 году, так как шина МСА имела закрытое описание и ее могла использовать только компания IBM , также уже устарела. К достоинствам нужно отнести ее совместимость с разъемом ISA за счет расположения разъемов в два слоя, на одном ISA, на втором - EISA. Данная шина 32-разрядная, работает с частотой 8,33 Мгц и дает максимальную скорость передачи данных до 33 Мб/с. Конфигурация устанавливается программно, а не при помощи переключателей.
Чтобы
при установке карты, требующей разъем ISA, не были замкнуты два слоя, в
разъеме имеется заглушка, которая не позволяет соединиться с нижними
контактами. Карта EISA содержит в месте заглушки вырез, который
позволяет миновать эту заглушку.
Ввиду
дороговизны шина EISA не получила широкого применения в персональных
компьютерах, но использовалась в рабочих станциях и серверах.
Шина SCSI (Small Computer System Interface – небольшой системный компьютерный интерфейс) разработан для подключения к шине больших массивов устройств, таких как, жесткие диски, оптические накопители, стримеры, принтеры и пр. Поэтому используется в основном в серверных компьютерах или компьютерах с системой RAID . В домашних компьютерах практически не используется.
SCSI-1 появилась в 1986 году, имела 8 линий для передачи данных, каждое устройство со своим номером, причем адаптеру присвоен номер 7. Остальные устройства имеют номер от 0 до 6, причем номер устанавливается вручную на задней стороне подключаемого устройства или при помощи перемычек. Устройства на шине могут обмениваться между собой информацией без участия адаптера, который в этом случае определяет, кто кому может передавать данные. В то же время, когда информация проходит через него, он принимает в этом участие. Частота шины – 5 МГц, максимальной число подключаемых устройств – 8.
Fast SCSI появилась в 1991 г. и имела 8 линий для передачи данных, а также улучшенный кабельный разъем. Частота шины – 10 МГц, пропускная способность – 10 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 8.
Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 10 МГц, пропускную способность – 20 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.
Ultra SCSI появилась в 1992 году, имела 8 линий для передачи данных, частоту шины – 20 МГц, пропускную способность – 20 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 4-8.
Ultra Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 20 МГц, пропускную способность – 40 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 4 - 16.
Ultra 2 SCSI появилась в 1997 году, имела 8 линий для передачи данных, частоту шины – 10 МГц, пропускную способность – 40 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 8.
Ultra 2 Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 40 МГц, пропускную способность – 80 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.
Ultra 3 SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 40 МГц, пропускную способность – 160 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.
Ultra -320 SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 80 МГц, пропускную способность – 320 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.
Ultra -640 SCSI появился в 2003 году, имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 160 МГц, пропускную способность – 640 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.
В дальнейшем стала развиваться технология SAS (Serial Attached SCSI ) для работы с жесткими дисками и ленточными накопителями. К разъему SAS можно подключить устройства SATA , но не наоборот. Обеспечивает пропускную способность 1.5, 3.0, 6.0 Гбит/сек, ожидается 12 Гбит/сек. Позволяет подключать не только накопители в 3.5 дюйма, но и 2.5 дюйма.
Сам адаптер располагается на материнской плате (как у макинтоша) или на карте расширения. Карта вставляется в слот PCI. У кабеля устройств SCSI компьютеров Мак имеется розетка с разъемом DB25, таким же, как и для параллельного порта. Если его случайно подключить к принтеру или параллельному порту компьютеру или, наоборот, подключить принтерный кабель к устройству SCSI, то могут выгореть микросхемы устройства, к которому они подключены.
При передаче данных по кабелю в нем может возникнуть так называемая «стоячая волна». Чтобы ее не было, применяется специальная заглушка, которая ее гасит. Причем эта заглушка должна быть одна и находиться на конце кабеля. SCSI устройства могут иметь два разъема, один из которых подключается к SCSI шине, а на втором, если он находится на конце кабеля, должна быть заглушка. Если имеется две заглушки на двух устройствах на линии, то они могут мешать друг другу выполнять свою роль.
Шина SCSI несколько по-иному работает с жесткими дисками, нежели другие стандарты, рассматривая диск не как записи, имеющие головки, цилиндры, сектора, а как последовательность логических записей. Получая от центрального процессора информацию для жесткого диска о записи по определенному адресу, адаптер SCSI переводит ее в номер логической записи. В результате, если жесткий диск поставить на место любого SCSI устройства данного адаптера, он будет работать, но если установить в другие адаптеры, то система может не прочитать данные о приведении диска к новой структуре, вся информация на диске будет уничтожена.
Другие устройства (оптические накопители, Iomega) имеют специальные драйверы, при которых можно свободно перемещать их из одной системы в другую. В одном компьютере можно использовать как устройства, подключенные к адаптеру SCSI, так и EIDE одновременно.
Устройства SCSI требуют на конце кабеля, который их соединяет, оконечной нагрузки. Как правило, она на заводе устанавливается на каждое из устройств. Поэтому при установке всех устройств, кроме последнего, нужно их снять. Если устройства, подключаемые к шине SCSI, не поддерживают стандарт Plug & Play, то на них нужно установить при помощи перемычек номер устройства. При этом нужно иметь в виду, что некоторые адаптеры требуют, чтобы устройства с номером 0 и 1 были жесткими дисками.
Шина EIDE предназначается для подключения жестких дисков и оптических накопителей. Также называется как ATA или РАТА (параллельная АТА). Сейчас вытесняется шиной SATA , но, тем не менее, устанавливается и на современных платах, так как к нему можно подключить несколько оптических накопителей (два на каждый разъем). Более подробно это рассмотрено в пункте о жестких дисках. Первые дисководы подключались к компьютеру при помощи карт, на которых находился контроллер диска. Со временем, когда размеры микросхем уменьшились, контроллер стали устанавливать на жестком диске, а контроллер гибких дисков - на материнской плате, поэтому появилась возможность подключать жесткие диски непосредственно через разъем на материнской плате.
Так появилась шина IDE, являющаяся частью шины ISA, которая выведена на специальный разъем (в современных устройствах два разъема) на материнской плате. Сначала был разработан стандарт работы шины под названием АТА, затем ATAPI, который позволял работать с оптическими накопителями. Со временем появился расширенный вариант EIDE со стандартом АТА и в дальнейшем расширение стандарта - ATAPI. Если устройств, подключаемых к разъему EIDE, больше, чем может поддержать компьютер, то требуется установить специальную карту, к которой можно подключить еще несколько устройств.
Первые стандарты использовали жесткие диски, подключавшиеся к плате при помощи специальных карт, на которых размещался контроллер, к шине ISA. Со временем размеры электронных компонентов сократились и они стали устанавливаться на самом жестком диске. Далее диски стали подключаться к плате через соединитель IDE, затем появились два разъема, причем к каждому из разъемов можно было подключить до двух устройств, увеличилось быстродействие, была введена адресация логических блоков, появилась возможность подключения оптических накопителей и все это поддерживалось стандартом EIDE, которая работает с тактовой частотой 8,33 Мгц. Первые устройства работали со стандартом АТА, а затем ATAPI, которые позволили подключать к каналу оптического устройства. Так как по каналу стало возможно передавать за один такт 2 байта одновременно, по этим же линиям скорость передачи достигла 16,6 мбайт/сек. Со временем данные передавались за один такт не только при переходе с высокого напряжения на низкое, но и при переходе с низкого на высокий. Этот стандарт называется Ultra ATA или АТА33, так как позволяет передавать данные со скоростью 33,3 мбайт/сек.
Позже появился стандарт АТА66, в котором увеличилась тактовая частота в канале до 16,7 Мгц и передача данных происходит со скоростью 66,7 мбайт/сек. Кабель для подключения жесткого диска к материнской плате уже другой и содержит 80 проводов вместо 40, как было у предыдущих стандартов. Для подключения устройств к этому кабелю используется 40 проводов. Если подключить устройство, способное работать в АТА33, к этому каналу, или устройство, работающее со стандартом АТА66, к шине АТА33, то устройство будет работать со скоростью 33,3 мбайт/сек. В некоторых платах АТА и его расширение АТАРI позволяет подключать устройства с разными скоростями к одной шине без снижения производительности, но лучше все-таки разделить их на разные каналы.
Кабель для работы со стандартом IDE АТА (AT-Bus) – 16-битный, имеет 40 жил. Кабель XT IDE (8 бит) имеет также 40 жил, но не совместим с АТА, то есть его нельзя использовать для стандарта IDE.
Существует два режима работы канала DMA: Singleword и Multiword. Singleword DMA имеет mode 0, которая работает со скоростью 2.08 мб/сек., mode 1 – 4.16, mode 2 – 8.33, а Multiword DMA имеет mode 0, работающий со скоростью 4.12, mode 1 – 13.3, mode 2 – 16.6 мб/сек. Режим Ultra DMA имеет mode 0, работающий со скоростью – 16.6, mode 1 – 25, 2 – 33.
Кроме того, существуют другие режимы PIO, от 0 и выше, и чем больше номер, тем быстрее работает шина.
Режим АТА-2 работает в PIO Mode 3 multiword DMA Mode 1, поддерживает LBA и CHS. Fast ATA -2 поддерживает Multiword DMA mode 2 и PIO mode 4. АТА3 - это расширение АТА2 с Smart, то есть улучшает потребление питания. АТА/ATAPI-4 - расширение АТА3, имеет Ultra DMA, интерфейс ATAPI. E-IDE поддерживает PIO mode3, с multiword DMA mode 1 и работает с LBA и CHS. Для Ultra DMA нужен 80-жильный кабель с разъемами на 40 контактов с экранированием. Стандарт IDE Mastering позволяет внешнему устройству управлять системной шиной для передачи данных без управления шиной процессора, однако использование такой шины позволяет избавиться от проблем с распределением каналов DMA и ограничения возможностей. В частности, работает с 8- или 16-разрядными данными. Далее появились режимы работы АТА-3 (другое название EIDE ), АТА-4 (частота 16.7, 25, 33.3, другое название Ultra ATA /33), АТА-5 (частота 66 МГц, другое название Ultra ATA /66), АТА-6 (частота 100 МГц, другое название Ultra DMA 100 или UDMA 5 (100)), АТА-7 (частота 133 МГц, другое название Ultra DMA 133 или UDMA 6 (133)), АТА-8 (в развитии).
Шина VESA (Video Electronics Standard s Assoсiation - Ассоциация видео-электронных стандартов или VL -BUS или VLB или VESA local bus ) устарела, первой появилась после шины ISA и имела вчетверо большую скорость, чем ISA, однако она имела некоторые ограничения, в частности, можно было иметь только 2-3 разъема, что, несомненно, уменьшало возможность компьютера. Она представляет собой шину для подключения дисплея, но может быть использована и для других устройств, не является расширением шины ISA (как предыдущие шины). Данная карта напрямую связана с шиной CPU, обходя системную шину. Работает с частотой системной шины до 66 Мгц, использовалась в основном с 486, иногда с 386 компьютерами для видеоплат и жестких дисков. Для Pentium вышла новая версия 2.0, но широкого распространения не получила и в настоящее время практически не используется.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение периферийных компонентов) также не основана на шине ISA и является вполне самостоятельной, синхронной шиной, разработана компанией Intel, первые версии работали с частотой 33 Мгц, имела 32-битный (или 64-битный) канал и является независимой от центрального процессора, то есть позволяет передавать данные в то время, когда процессор занят другими вычислениями. Теоретическая пропускная способность шины была 133 Мбайт/сек, реально – 80 Мбайт/сек. Эта шина до сих пор имеет широкое распространение.
Шина PCI начала разрабатываться в одно время с шиной ISA, но была закончена позже. У шины PCI больше линий для передачи данных, чем в ISA, и работает она быстрее, чем ISA, причем общее число контактов в разъеме - 124. Шина позволяет выявить ошибки при передаче данных и работает без заглушки кабеля. Кроме того, позволяет при установке конфигурировать подключаемое устройство, то есть при этом компьютер считывает информацию из памяти устройства, где хранятся его основные параметры. Шина может работать не только с определенным набором микросхем на материнской плате, но и с разными устройствами, а также в других видах компьютеров. Кроме того, шина PCI способна использовать совместно прерывания и каналы DMA для разных устройств, что послужило толчком к ее активному внедрению, тогда как шина ISA не могла этого обеспечить.
В разъем шины PCI можно подключать карты: имеющие питание в 5 в (ключ 50, 51 контакт), 3.3В (ключ 12,13) и универсальный (ключ в 12, 13, 50, 51 контактах). 32-битный слот имеет по 62 контакта с каждой стороны, 64-битный – 94. Данная шина позволяет подключить до четырех устройств одновременно, то есть может иметь до четырех разъемов. Для использования большего количества подключаемых устройств применяется специальная микросхема - мост шины, для соединения двух шин. Для устройств промышленного использования имеется стандарт Compact PCI с 8 разъемами.
Пока разрабатывалась шина PCI, развивались и другие отрасли. Возросла тактовая частота внутренней шины до 100, 150 и выше Мгц, увеличилось число линий передачи данных до 64 и продолжает увеличиваться, однако тип шины PCI остался 32-разрядный, но в дальнейшем шина PCI также будет развиваться.
У каждого слота имеется 256 восьмибитных регистра, где содержатся конфигурационные параметры. После включения питания компьютера происходит запрос на конфигурирование шины во время выполнения программы Post, после установки параметров шина может производить операции ввода/вывода. Основное преимущество шины заключается в том, что передача данных происходит без задействования центрального процессора, то есть во время передачи данных от одного устройства к другому центральный процессор может заниматься своими задачами.
Шина PCI 1.0 – 32-разрядная с полосой пропускания 132 Мб/с, с адресацией до 4 гигабайт, а PCI 2.0 - 64-разрядная с полосой пропускания 528 Мб/с. Данная шина приспособлена для технологии Plug&Play, то есть конфигурация плат происходит программно. Для промышленного применения используется стандарт Compact PCI, в котором можно устанавливать до восьми устройств одновременно.
Разрешение конфликтов прерываний в шине PCI обеспечивается за счет того, что шине предоставляется возможность обслуживать обработку каждого из устройств по очереди. Шина PCI обеспечивает 32 линии данных при тактовой частоте 33 Мгц, затем стала 64-разрядной, с тактовой частотой 66 Мгц, причем в новый вариант шины можно вставлять старые платы PCI, а также новую карту в старый разъем. Более новые версии PCI могут увеличивать тактовую частоту и позволяют использовать старые карты расширений для их работы, а также устанавливать новые платы в старые разъемы.
Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) разработана компанией Intel в 1997 году специально для работы с видеокартой, при частоте 66 Мгц имеет 32-разрядную шину данных. В настоящее время вытеснена шиной PCI -E . Шина позволяет использовать конвейеризацию обращений, то есть посылать данные в виде непрерывных пакетов. В шине PCI посылается предыдущее данное и адрес для следующего данного, после чего происходят временные задержки, а в шине AGP посылаются несколько адресов и несколько данных один за другим, что уменьшает задержки. Имеется возможность постановки в очередь до 256 запросов и поддерживать две очереди для операций чтения/записи с высоким и низким приоритетом. Сдвоенная передача, то есть передача за один такт двух данных вместо одного, позволяет иметь пропускную способность при частоте 66 Мгц до 528 Мбайт/сек. Позволяет работать на частоте до 100 Мгц и выше с более высокой пропускной способностью. Учетверенная передача позволяет передавать до 1 056 Мбайт/сек.
Для шины AGP существует несколько стандартов: AGP 1Х, 2Х, 4Х, Pro и 8Х. Большинство карт работает со стандартом 4Х и 8Х. В оперативной памяти хранятся не только части изображения, но и графические текстуры. Чтобы видеосистема могла обращаться только к тем областям памяти, которые ее касаются, используется специальная таблица GART (Graphics Address Remapping Table – графическая таблица переадресации адресов), которая определяет эти области памяти.
В шине имеется возможность для видеопроцессора обращаться непосредственно к участкам оперативной памяти, так же как и к видеопамяти, и обрабатывать там текстуры в режиме DiMe (Direct Memory Execution), при этом адресация одинакова. Шина применяется для процессоров Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и Pentium IV , но может работать и с процессорами Pentium.
SATA (Serial ATA ) является развитием интерфейса IDE . Ее особенностью является не параллельная передача данных, а последовательная, что хотя и медленнее, но позволяет использовать более высокие частоты без необходимости синхронизации сигнала. Первый стандарт SATA 1.x мог работать на частоте 1.5 ГГц с пропускной способностью 1.2 Гбит/сек (потери за счет передачи большого количества служебной информации). Стандарт 2.х работает на частоте 3 ГГц с пропускной способностью до 2.4 Гбит/сек и стандарт 3.0 на частоте 6.0 Гбит/сек, с пропускной способностью 4.8 Гбит/сек.
Для подключения устройств внутри системного блока, они подключаются к информационному разъему с 7 контактами SATA на материнской плате и 15-разъемным кабелем питания к блоку питания. Существуют устройства, которые позволяют подключить как 15 разъемный кабель, так и 4 разъемный кабель электрического питания Molex . Нужно иметь в виду, что подключение двух кабелей одновременно может сжечь устройство.
Существуют переходники с SATA на IDE и обратно.
eSATA (External SATA – внешний SATA ) предназначен для подключения устройств в режиме горячей замены, то есть, при включенном компьютере. Для того, чтобы можно было это сделать в Windows XP нужно установить драйвер AHCI . Был создан в 2004 году. Имеет разъем, аналогичный SATA , но добавлено экранирование разъема. Поэтому не совместим с разъемом SATA , так как электрически совместимы, а физически нет. Длина кабеля увеличена до 2 метров (1 метр у SATA ).
Существует совмещенный разъем eSATA +USB = Power eSATA , который имеет не только информационные линии, но и линии питания.
PCI - E (или PCI Express или PCI -E ) появилась в 2002 году, использует связь между устройствами типа звезда, позволяет горячую замены устройств. Существует несколько вариантов х1, х2, х4, х8, х12, х16, х32, которые имеют разные разъемы. Чем меньше число, тем меньше контактов и меньше длина разъема. Устройства, которые предназначены для разъема х8 можно подключать в разъемы с числом большим, в данном случае, х12, х16, х32. Это правило применяется для других видов.
Имеется три стандарта. Стандарт 1.0 позволяет передавать в одну сторону для х1 - 2 Гбит/сек, в двух направлениях – 4 Гбит для х1. Пропускная способность других видов можно рассчитать умножив вышеуказанную цифру на число в названии. Например, для х16 пропускная способность в одном направлении составляет 2 х 16 = 32 Гбит/сек. Стандарт 2.0 вышел в 2007 году, имеет пропускную способность в одном направлении (в двух направлениях удвоенную) для х1 – 4 Гбит/сек. Также можно вычислить пропускную способность для других видов. Стандарт 3.0 вышел в 2010 году, позволяет передавать данные со скоростью 8 Гбит/сек. Стандарт 4.0 планируется выпустить к 2015 году и он будет в два раза быстрее, чем 3.0.
В настоящее время на материнских платах наиболее распространены х16 для подключения видео карт и х2 для подключения других устройств.
Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная серийная шина) предназначена для подключения периферийных устройств (например, клавиатуры, мыши, джойстика, принтера и других). Ее миссия – подключение различных устройств к работающему компьютеру, например, тостеров, клавиатуры, микроволновой печи, светодиодных светильников, вентиляторов и пр., без необходимости устанавливать переключатели, перемычки, использовать для этого матобеспечение (драйверы) и пр.
Первый стандарт 1.0 появился в 1994 году и имеет режим с низкой пропускной способностью в 1.5 Мбит/сек (Low speed ), с высокой пропускной способностью (Full-speed) до 12 Мбит/сек. Шина USB может работать в двух режимах: в низкоскоростном, в котором работает клавиатура, мышь и т.д., с небольшой скоростью передачи (длина кабеля – 5 метров) и высокоскоростном режиме (длина кабеля – 3 метра), что позволяет работать с максимальной скоростью принтера.
В версии 1.1 были исправлены имеющиеся ошибки.
В стандарте 2.0 появился новый режим (Hi -speed ) c пропускной способностью 25480 Мбит/сек.
В этой шине можно подключать устройства, а компьютер сам определит устройство, которое подключено. При этом имеется возможность не только подключить новое устройство непосредственно к компьютеру, но и к устройству, которое уже подключено к компьютеру. Например, к клавиатуре можно подключить жесткий диск, микрофон и прочие устройства.
Она может использовать концентратор, к которому можно подключить до 127 устройств, поддерживает технологию Plug&Play. При этом шина автоматически присваивает номер для устройств, с которым оно работает. По этим проводам, помимо пересылки данных, передается и электроэнергия, но в небольшом количестве, которого хватает для клавиатуры, но может быть недостаточно для динамиков. Поэтому динамики с большой выходной мощностью требуют отдельного электропитания.
Шина позволяет подключать устройства при включенном компьютере. При подключении они запрашивают главное устройство, которое назначает им адреса, после чего они могут начинать работать. Помимо данных, передается также и электроэнергия, которая служит для питания устройств. Если электроэнергии недостаточно, то устройства можно подключить к дополнительному источнику питания.
Помимо увеличения производительности компьютера, необходимость в модернизации может возникнуть при добавлении новых устройств, для чего требуется соответствующая мощность блока питания, определенное количество и тип разъемов для плат расширения на материнской плате и количество свободных отсеков внутри системного блока. Со временем, при распространении стандарта USB, многие устройства, которые в настоящее время можно будет подключать, расположены не внутри, а вывести их вне системного блока. Таким образом, все больше и больше будет выпускаться внешних устройств и количество разъемов внутри корпуса и отсеков не будет являться проблемой при установке большого количества дополнительных устройств.
Последний стандарт USB 3.0 появился в 2008 году, разъемы совместимы с более ранними стандартами. Однако добавлены еще четыре линии связи в виде двух витых пар и сам кабель стал толще. Разъемы на материнской плате для подключения таких кабелей стали синего цвета, и сами штекеры имеют вставки синего цвета. Таким образом была повышена максимальная скорость передачи данных до 4,8 Гбит в секунду, а скорость передачи выросла до 600 Мбайт в секунду (показатель выше, чем у стандарта USB 2.0 в десять раз). Одновременно повысилась сила пропускаемого тока с 500 мА до 900 мА, что позволяет подключить более энергоёмкие устройства.
Шина PCMCIA используется в ноутбуках и имеет возможность передавать данные по 16 разрядам с адресацией до 64 Мегабайт, с частотой шины 33 мегагерц. Данная шина позволяет подключать разные устройства - жесткие диски, модемы, расширители памяти и др. Многие адаптеры выпускаются по технологии РnР и имеют возможность подключать устройства, не выключая компьютер. Все устройства, подключаемые к данному разъему, имеют пониженное энергопотребление. Шина имеет большие перспективы в будущем и будет устанавливаться и в настольных компьютерах.
Карты PCMCIA, называемыя также РС картой, предназначены для оперативной памяти, модемов, жестких дисков и пр. устройств и бывают трех видов. Они имеют длину и ширину 85х54 мм, а толщина зависит от типа. I тип имеет толщину 3,3 мм, II тип - 5 мм, III тип - 10,5 мм. Карта вставляется в разъем шины ISA, приспособленной для этих карт, которая также называется PCMCIA.
Тип I используется для оперативной памяти, иногда для модемов или сетевой карты, обладает 16 разрядным интерфейсом, толщина 3.3 мм, тип II для этих же устройств, но они потолще (5 мм), в тип III можно установить также жесткий диск (толщина 10,5 мм). В ноутбуке есть отсек, куда можно установить либо одну карту типа I или II, либо в современных моделях - две карты типа I и II или одну типа III.
Для модема на конце карты установлен специальный разъем (X-jack) к которому подключается провод, на другом конце имеется телефонный разъем (RG11) для подключения к телефонной линии. При установке нужно просто вставить карту в отверстие до щелчка, а для того, чтобы вынуть, нужно нажать на рядом расположенную клавишу, и карта выскочит наружу. PC Card AT называется разъем PCMCIA для подключения к блокнотным и стационарным компьютерам.
Card Bus является дальнейшим развитием РС Card, которые передают данные через 32-разрядный интерфейс (карты PCMCIA стали называть РС Card). Шина соединяет карту с системой видеоизображений, что позволяет миновать шину ISA. Эта шина называется Zoomed Video Port – порт увеличенного видео.
IEEE 1394 – разработана Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers ) на основе шины компании Apple – FireWire в 1995 году, где номер 1394 обозначает порядковый номер шины, которая разработана данной организацией. Шина позволяет подключить до 16 устройств к одному узлу, при этом каждому устройству присваивается номер, который имеет размерность 16 бит, то есть всего можно адресовать более 64 000 устройств. К каждой шине подключается до 63 устройств, при этом каждому узлу присваивается номер, состоящий из 6 бит. Между собой можно соединить 1023 шины при помощи мостов, каждая из которых имеет разрядность 10 бит, в шине возможна «горячая замена». Каждое новое устройство может быть подключено к любому свободному порту, на одном аппарате их бывает от одного до трех, но возможно - до 27. Единственное исключение заключается в запрете организации петель устройств, так как шина поддерживает древовидную структуру.
Существует три класса устройств с передачей данных 98,3; 196,6 и 339,2 Мбит/сек, или их обычно округляют до 100, 200 и 400 Мбит/сек.по стандарту IEEE 1394a и 800 и 1600 по стандарту IEEE 1394b . По стандарту IEEE 1394.1, разработанному в 2004 году, можно подключать до 64 449 устройств, по стандарту IEEE 1394с, разработанному в 2006 году, можно использовать кабель от сети Ethernet . При этом максимальная длина кабеля составляет до 100 метров, а скорость до 800 Мбит/сек.
Существует три вида разъема: 4 pin – без питания, устанавливается на ноутбуках и видеокамерах, (IEEE 1394a без питания), 6 pin –с дополнительными двумя контактами для питания (IEEE 1394a) и 9 pin с дополнительными контактами для приема и передачи (IEEE 1394 b). Также может быть разъем RJ -45 (IEEE 1394с) .
Если кабель состоит из 6 медных проводов, два на питание, остальные две пары для данных, причем каждая пара экранирована и также экранированы все провода вместе. Так как обеспечивается электропитание от 8 до 40 вольт при токе до 1,5 ампер, то многие устройства не требуют дополнительного подключения к сети. Между двумя устройствами можно установить кабели до 4,5 метров, разъемы шин простые, с возможностью легкого подсоединения.
Шина работает в синхронном и асинхронном режимах. При асинхронной передаче отправляются данные, организованные в пакеты, и при возникновении ошибок передача повторяется, что важно для точной передачи данных. Синхронная передача используется в мультимедиа, для передачи звуковых и видеоданных, но если данные пропали, то это не критично, так как производится передача следующей порции данных.
Шина IEEE 1394 передает данные в цифровом виде, поэтому качество видеоизображения лучше по сравнению с аналоговым. Компьютер может программным образом включать и выключать устройства, подключенные к нему. Шина является независимой от компьютера, то есть возможна её работа при отсутствии компьютера, например, для передачи данных от видеокамеры к видеомагнитофону. Данную шину поддерживает Windows 98 (нужно обновление), Windows МЕ, Windows 2000, Windows ХР и другие.
Для ускорения работы была введена хост-шина (иногда называемая шиной процессора). Предназначена для передачи данных с 64-разрядностью между процессором, оперативной памятью и кэш-памятью 2-го уровня и работает с частотой 50, 60, 66, 75, 100, 133 Мгц, в то время как шина PCI - с половинной частотой (25; 30; 33; 37,5 Мгц).
Эксплуатация . Если одна из старых карт перестала работать, то можно попробовать ее снять и прочистить контакты обыкновенным ластиком, который удалит налеты и окись. После установки проверьте работу платы. Неиспользуемые слоты желательно закрыть специальными крышками.
11 Системная шина, режимы работы системной шины, программируемые системные устройства
Шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
Системная шина - предназначена для передачи информации между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По системной шине осуществляется адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных но назначению (данные, адреса, управление).Системная шина представляет собой набор проводников электрических сигналов и систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. Тип и характеристики протоколов передачи информации по системной шине определяют скорость передачи информации между отдельными устройствами материнской платы. Системные шины персональных компьютеров стандартизируются как по числу контактов и разрядности (числу проводников, используемых для одновременной передачи данных), так и по протоколам общения устройств через проводники. Системная шина соединяет все устройства компьютера в единое целое и обеспечивает их взаимодействие, взаимоуправление и работу с центральным процессором. В персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VLB и PSI. В наше время теперь используют только шину PCI, конечно еще можно встретить ISA, но она слишком медленная в сравнении с PCI, поэтому её больше не выпускаю.
18 Видеосистема ЭВМ. Принципы работы. Области применения
Видеокарта (видеоадаптер) Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора. С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти. За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: МDA (монохромный); СGA (4 цвета); ЕGA (16 цветов);VGА (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGА, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640x480, 800x600,1024x768, 1152x864; 1280x1024 точек и далее). Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало. Если программа имеет сложную систему управления и большое число экранных элементов, они не полностью помещаются на экране. Это приводит к снижению производительности труда и неэффективной работе. Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана. Максимально возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком разрешении экрана на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти, так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной. Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день- 256 цветов хотя большинство программ требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Coloг) Наиболее комфортная работа достигается при глубине цвета 16,7 млн. цветов (резких Тruе Соlоr). Работа в полно цветном режиме Тruе Со1оr с высоким экранным разрешением требует значительных размеров видеопамяти. Современные видеоадаптеры способны также выполнять функции обработки изображения, снижая нагрузку на центральный процессор ценой дополнительных затрат видеопамяти. Еще недавно типовым считались видеоадаптеры с объемом памяти 2-4 Мбайт, но уже сегодня обычным считается объем 16 Мбайт. Видеоускорение - одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнена математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем - преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя. Видеоускорители могут входить в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видео карта обладает функциями аппаратного ускорения), но могут поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемого к видеоадаптеру. Различают два типа видео ускорителей - ускорители плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые наиболее эффективны для работы с прикладными программами (обычно офисного применения) и оптимизированы для операционной системы Windows, а вторые ориентированы на работу мультимедийных развлекательных программ, в первую очередь компьютерных игр и профессиональных программ обработки трехмерной графики. Обычно в этих случаях используют разные математические принципы автоматизации графических операций, но существуют ускорители, обладающие функциями и двумерного, и трехмерного ускорения.
Неотъемлемой частью (хотя впервые дисплей был реализован на некоторых ЭВМ второго поколения, например, на «МИР-2» - очень интересной во многих отношениях отечественной разработке). Рисунок 3.1 - Шинная архитектура ЭВМ Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а...
Пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее оклик. Принцип действия. Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечения для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в...
Введение
1. Внутренние шины
1.1.1 PCI Express 1.0
1.1.2 PCI Express 2.0
1.1.3 PCI Express 3.0
1.2 HyperTransport
2. Внешние шины
2.3.1 SATA Revision 2.x
2.3.2 SATA Revision 3.x
2.4 SerialAttachedSCSI
2.4.2 Новые функции SAS 2.0
Заключение
Список информационных источников
Компьютерная ши́на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch - двунаправленный универсальный коммутатор) - в архитектуре компьютера, подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.
Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины.
Компьютерная шина служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий, которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины могут различаться разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные, синхронные или асинхронные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная).
1.1.1 PCI Express 1.0
PCI Express - компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.
Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP.
Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.
Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.
На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.
Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:
· карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
· слот большего физического размера может использовать не все lane’ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).
В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane’ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).
PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI. Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, GigabitEthernet), информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует ставший общепринятым метод кодирования 8B/10B (8 бит данных заменяются на 10 бит, передаваемых по каналу, таким образом 20% трафика является избыточными), который позволяет поднять помехозащищённость.
Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную способность 133 или 266 Мб/сек, но эта пропускная способность делится между всеми устройствами PCI. Частота, на которой работает шина PCI Express - 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек для каждого устройства PCI Express x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCI Express является двунаправленной шиной (Табл.1).
Табл.1 таблица пропускной способности PCI.
Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:
· горячая замена карт;
· гарантированная полоса пропускания (QoS);
· управление энергопотреблением;
· контроль целостности передаваемых данных.
1.1.2 PCI Express 2.0
Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основные нововведения в PCI Express 2.0:
· Увеличенная пропускная способность - спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
· Динамическое управление скоростью - для управления скоростью работы связи.
· Оповещение о пропускной способности - для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.
· Расширения структуры возможностей - расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом.
· Службы управления доступом - опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
1.1.3 PCI Express 3.0
PCI-SIG в середине августа 2010 года представила версию 0.9 спецификации PCI Express 3.0.
Для пользователей основное отличие между PCI Express 2.0 и PCI Express 3.0 будет заключаться в значительном увеличении максимальной пропускной способности. У PCI Express 2.0 сигнальная скорость передачи составляет 5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), то есть пропускная способность равняется 500 Мбайт/с для каждой линии. Таким образом, основной графический слот PCI Express 2.0, который обычно использует 16 линий, обеспечивает двунаправленную пропускную способность до 8 Гбайт/с.
У PCI Express 3.0 мы получим удвоение этих показателей. PCI Express 3.0 использует сигнальную скорость 8 ГТ/с, что даёт пропускную способность 1 Гбайт/с на линию. Таким образом, основной слот для видеокарты получит пропускную способность до 16 Гбайт/с.
На первый взгляд увеличение сигнальной скорости с 5 ГТ/с до 8 ГТ/с не кажется удвоением. Однако стандарт PCI Express 2.0 использует схему кодирования 8B/10B.
PCI Express 3.0 переходит на намного более эффективную схему кодирования 128B/130B, устраняя 20% избыточность. Поэтому 8 ГТ/с – это уже не "теоретическая" скорость; это фактическая скорость, сравнимая по производительности с сигнальной скоростью 10 ГТ/с, если бы использовался принцип кодирования 8b/10b.
1.2 HyperTransport
Шина HyperTransport (HT)- это двунаправленная последовательно-параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками.
HyperTransport работает на частотах от 200 МГц до 3,2 ГГц (у шины PCI - 33 и 66 МГц). Кроме того, она использует DDR, что означает, что данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации, что позволяет осуществлять до 5200 миллионов посылок в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.
Шина HyperTransport основана на передаче пакетов. Каждый пакет состоит из 32-разрядных слов, вне зависимости от физической ширины шины (количества информационных линий). Первое слово в пакете - всегда управляющее слово. Если пакет содержит адрес, то последние 8 бит управляющего слова сцеплены со следующим 32-битным словом, в результате образуя 40-битный адрес. Шина поддерживает 64-разрядную адресацию - в этом случае пакет начинается со специального 32 разрядного управляющего слова, указывающего на 64 разрядную адресацию, и содержащего разряды адреса с 40 по 63 (разряды адреса нумеруются начиная с 0). Остальные 32-битные слова пакета содержат непосредственно передаваемые данные. Данные всегда передаются 32-битными словами, вне зависимости от их реальной длины (например, в ответ на запрос на чтение одного байта по шине будет передан пакет, содержащий 32 бита данных и флагом-признаком того, что значимыми из этих 32 бит являются только 8).
Пакеты HyperTransport передаются по шине последовательно. Увеличение пропускной способности влечёт за собой увеличение ширины шины. HyperTransport может использоваться для передачи служебных сообщений системы, для передачи прерываний, для конфигурирования устройств, подключённых к шине и для передачи данных.
Шина HyperTransport нашла широкое применение в качестве процессорной шины. Она имеет оригинальную топологию (Рис.1) на основе линков, тоннелей, цепей и мостов, что позволяет этой архитектуре легко масштабироваться. HyperTransport призвана упростить внутрисистемные сообщения посредством замены существующего физического уровня передачи существующих шин и мостов, а также снизить количество узких мест и задержек. При всех этих достоинствах HyperTransport характеризуется также малым числом выводов (low pin counts) и низкой стоимостью внедрения. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, допуская ширину от 2 до 32 бит в каждом направлении (Таблица 2), кроме того, она позволяет передавать асимметричные потоки данных к периферийным устройствам и от них.
Шина процессора - соединяет процессор с северным мостом или контроллером памяти MCH. Она работает на частотах 66–200 МГц и используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Схема взаимодействия шин в типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на рисунке.
На этом рисунке четко видна трехуровневая архитектура, в которой на самом верхнем уровне иерархии находится , далее следует шина PCI и за ней шина ISA. Большинство компонентов системы подключается к одной из этих трех шин.
В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэш-память второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100 МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой тактовой частотой рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно низкой частоте системной платы. Например, в наиболее быстродействующих системах Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора при множителе 3,5х достигает только 66 МГц. Следовательно, кэш-память второго уровня также работает на частоте 66 МГц. Возьмем, например, систему Socket 7, использующую процессоры AMD K6-2 550, работающие на частоте 550 МГц: при множителе 5,5х ч астота шины процессора равна 100 МГц. Следовательно, в этих системах частота кэш-памяти второго уровня достигает только 100 МГц.
Проблема медленной кэш-памяти второго уровня была решена в процессорах класса P6, таких как Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, а также AMD Athlon и Duron. В этих процессорах использовались разъемы Socket 8, Slot 1, Slot 2, Slot A, Socket A или Socket 370. Кроме того, кэш-память второго уровня была перенесена с системной платы непосредственно в процессор и соединена с ним с помощью встроенной шины. Теперь эта шина стала называться шиной переднего плана (Front-Side Bus - FSB), однако я, согласно устоявшейся традиции, продолжаю называть ее шиной процессора.
Включение кэш-памяти второго уровня в процессор позволило значительно повысить ее скорость. В современных процессорах кэш-память расположена непосредственно в кристалле процессора, т.е. работает с частотой процессора. В более ранних версиях кэш-память второгоуровня находилась в отдельной микросхеме, интегрированной в корпус процессора, и работала с частотой, равной 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора. Однако даже в этом случае скорость интегрированной кэш-памяти была значительно выше, чем скорость внешнего кэша, ограниченного частотой системной платы Socket 7.
В системах Slot 1 кэш-память второго уровня была встроена в процессор, но работала только на его половинной частоте. Повышение частоты шины процессора с 66 до 100 МГц привело к увеличению пропускной способности до 800 Мбайт/с. Следует отметить, что в большинство систем была включена поддержка AGP . Частота стандартного интерфейса AGP равна 66 МГц (т.е. вдвое больше скорости PCI), но большинство систем поддерживают порт AGP 2x, быстродействие которого вдвое выше стандартного AGP, что приводит к увеличению пропускной способности до 533 Мбайт/с. Кроме того, в этих системах обычно использовались модули памяти PC100 SDRAM DIMM, скорость передачи данных которых равна 800 Мбайт/с.
В системах Pentium III и Celeron разъем Slot 1 уступил место гнезду Socket 370. Это было связано главным образом с тем, что более современные процессоры включают в себя встроенную кэш-память второго уровня (работающую на полной частоте ядра), а значит, исчезла потребность в дорогом корпусе, содержащем несколько микросхем. Скорость шины процессора увеличилась до 133 МГц, что повлекло за собой повышение пропускной способности до 1066 Мбайт/с. В современных системах используется уже AGP 4x со скоростью передачи данных 1066 Мбайт/с.
Шина процессора на основе hub-архитектуры
Обратите внимание на hub-архитектуру Intel, используемую вместо традиционной архитектуры “северный/южный мост”. В этой конструкции основное соединение между компонентами набора микросхем перенесено в выделенный hub-интерфейс со скоростью передачи данных 266 Мбайт/с (вдвое больше, чем у шины PCI), что позволило устройствам PCI использовать полную, без учета южного моста, пропускную способность шины PCI. Кроме того, микросхема Flash ROM BIOS , называемая теперь Firmware Hub, соединяется с системой через шину LPC. Как уже отмечалось, в архитектуре “северный/южный мост” для этого использовалась микросхема Super I/O. В большинстве систем для соединения микросхемы Super I/O вместо шины ISA теперь используется шина LPC. При этом hub-архитектура позволяет отказаться от использования Super I/O. Порты, поддерживаемые микросхемой Super I/O, называются традиционными (legacy), поэтому конструкция без Super I/O получила название нетрадиционной (legacy-free) системы. В такой системе устройства, использующие стандартные порты, должны быть подсоединены к компьютеру с помощью шины USB . В этих системах обычно используются два контроллера и до четырех общих портов (дополнительные порты могут быть подключены к узлам USB).
В системах, созданных на базе процессоров AMD, применена конструкция Socket A, в которой используются более быстрые по сравнению с Socket 370 процессор и шины памяти, но все еще сохраняется конструкция “северный/южный мост”. Обратите внимание на быстродействующую шину процессора, частота которой достигает 333 МГц (пропускная способность - 2664 Мбайт/с), а также на используемые модули памяти DDR SDRAM DIMM, которые поддерживают такую же пропускную способность (т.е. 2664 Мбайт/с). Также следует заметить, что большинство южных мостов включает в себя функции, свойственные микросхемам Super I/O. Эти микросхемы получили название Super South Bridge (суперъюжный мост).
Система Pentium 4 (Socket 423 или Socket 478), созданная на основе hub-архитектуры, показана на рисунке ниже. Особенностью этой конструкции является с тактовой частотой 400/533/800 МГц и пропускной способностью соответственно 3200/4266/6400 Мбайт/с. Сегодня это самая быстродействующая шина. Также обратите внимание на двухканальные модули PC3200 (DDR400), пропускная способность которых (3200 Мбайт/с) соответствует пропускной способности шины процессора, что позволяет максимально повысить производительность системы. В более производительных системах, включающих в себя шину с пропускной способностью 6400 Мбайт/с, используются двухканальные модули DDR400 с тактовой частотой 400 МГц, благодаря чему общая пропускная способность шины памяти достигает 6400 Мбайт/с. Процессоры с частотой шины 533 МГц могут использовать парные модули памяти (PC2100/DDR266 или PC2700/DDR333) в двухканальном режиме для достижения пропускной способности шины памяти 4266 Мбайт/с. Соответствие пропускной способности шины памяти рабочим параметрам шины процессора является условием оптимальной работы.
Шиной (Bus ) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шины предназначены для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом . На рис. 1 дана структура шины.
Шина имеет места для подключения внешних устройств – слоты , которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.
Рис. 1. Структура шины
Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению :
- системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к и обратно (см. также рис. 1);
- шина предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 1);
- шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;
- шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.
Локальная шина ввода/вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port ).
Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время – шина USB.
Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовывать важнейшие ее свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:
- линии для обмена данными (шина данных);
- линии для адресации данных (шина адреса);
- линии управления данными (шина управления);
- контролер шины.
Контроллер шины осуществляет управление процессором обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.
Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 – 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium – 64-разрядную шину данных.
Читайте нашу лекцию!
Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство ПК. По шине адреса передается идентификационный код (адрес ) отправителя и (или) получателя данных.
Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных – оперативная память – RAM . При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2 n , где n – разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.
В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2 n , где n – число линий шины адреса.
Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2 20 =1 048 576 байт=1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.
Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.
Основные характеристики шины
Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV – 64-разрядные.
Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду.
При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2 х) или четыре (режим 4 х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).
Внешние устройства к шинам подключается посредством интерфейса (Interface – сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.
К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен, только если интерфейсы этих компоненты совместимы.
Стандарты шин ПК
Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.
Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:
- GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;
- EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.
Шины совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.
Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. В начале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключить дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM – к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.
Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.
Таблица 2 . Характеристики шин ввода/вывода
| Шина | Разрядность, бит | Тактовая частота, МГц | Пропускная способность, Мбайт/с |
| ISA 8-разрядная | 08 | 8,33 | 0008,33 |
| ISA 16-разрядная | 16 | 8,33 | 0016,6 |
| EISA | 32 | 8,33 | 0033,3 |
| VLB | 32 | 33 | 0132,3 |
| PCI | 32 | 33 | 0132,3 |
| PCI 2.1 64-разрядная | 64 | 66 | 0528,3 |
| AGP (1 x) | 32 | 66 | 0262,6 |
| AGP (2 x) | 32 | 66х2 | 0528,3 |
| AGP (4 x) | 32 | 66х2 | 1056,6 |
Шина VESA , или VLB , предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными.
Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершено новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных
материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.
Шина AGP – высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системой памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот.
Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом , или концентратором , с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 4.
Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер (Host Adapter ). Каждое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другими устройством.
Шина IEEE 1394 – это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между
ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбайт/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI.
Подключить к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройств, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.
4 / 5 ( 4 votes )
Помогая проекту BEST-EXAM, вы делаете образование более доступным для каждого человека, внесите и вы свой вклад -
поделитесь этой статьей в социальных сетях!