Компоненты внутри РС взаимодействуют друг с другом различными способами. Большинство внутренних компонентов, включая процессор, кэш, память, карты расширения и запоминающие устройства взаимодействуют друг с другом с помощью одной или нескольких шин (buses).
Шина в компьютерах представляет собой канал, по которому передается информация между двумя или несколькими устройствами (обычно шина, соединяющая только два устройства, называется портом - port). Шина обычно имеет точки доступа, или места, к которым может подключиться устройство для превращения себя в часть шины, а устройства на шине могут посылать информацию другим устройствам и принимать информацию от других устройств. Понятие шины является довольно общим как для "внутренности" РС, так и для внешнего мира. Например, телефонное соединение в доме можно считать шиной: информация передается по проводникам в доме и можно подключиться к "шине", установив телефонную розетку, подключив к ней телефон и подняв трубку телефона. Все телефоны на шине могут разделять (share) информацию, т.е. речь.
Этот материал посвящен шинам современных РС. Вначале обсуждаются шины и их
характеристики, а затем подробно рассматриваются наиболее распространенные в
мире РС шины ввода-вывода
(Input/Output bus), называемые также шинами расширения
(expansion buses).
Функции и характеристики шин
Шины РС являются основными "трактами" данных на материнской плате. Главной из них является системная шина (system bus), которая соединяет процессор и основную память RAM. Раньше эта шина называлась локальной, а в современных РС называется передней шиной (Front Side Bus - FSB). Характеристики системной шины определяются процессором; современная системная шина имеет ширину 64 бита и работает на частоте 66, 100 или 133 МГц. Сигналы такой высокой частоты создают электрические помехи и ставят другие проблемы. Следовательно, частоту необходимо снизить, чтобы данные достигали карт расширения (expansion card), или адаптеров (adapters), и других более удаленных компонентов.
Однако первые РС имели только одну шину, которая была общей для процессора, памяти RAM и компонентов ввода-вывода. Процессоры первого и второго поколений работали с низкой частотой синхронизации и все компоненты системы могли поддерживать такую частоту. В частности, такая архитектура позволяла расширять емкость RAM с помощью карт расширения.
В 1987 г. разработчики компании Compaq решили отделить системную шину от шины
ввода-вывода с тем, чтобы они могли работать с различной скоростью. С тех пор
такая многошинная архитектура стала промышленным стандартом. Более того,
современные РС имеют несколько шин ввода-вывода.
Иерархия шин
В РС имеется иерархическая организация различных шин. Большинство современных РС имеет, как минимум, четыре шины. Иерархия шин объясняется тем, что каждая шина все больше отдаляется от процессора; каждая шина подключается к находящемуся выше ее уровню, объединяя различные компоненты РС. Каждая шина обычно медленнее шины, находящейся выше ее (по очевидной причине - процессор является наиболее быстрым устройством в РС):
- Шина внутреннего кэша: Это самая быстрая шина, которая соединяет процессор и внутренний L1-кэш.
- Системная шина: Это системная шина второго уровня, которая соединяет подсистему памяти с чипсетом и процессором. В некоторых системах шины процессора и памяти представляют собой одно и то же. Эта шина до 1998 г. работала со скоростью (частотой синхронизации) 66 МГц, а затем она была повышена до 100 МГц и даже 133 МГц. В процессорах Pentium II и выше реализована архитектура с двойной независимой шиной (Dual Independent Bus - DIB) - единственная системная шина заменена на две независимые шины. Одна из них предназначена для доступа к основной памяти и называется передней шиной (frontside bus), а вторая - для доступа к L2-кэшу и называется задней шиной (backside bus). Наличие двух шин повышает производительность РС, так как процессор может одновременно получать данные с обеих шин. В материнских платах и чипсетах пятого поколения L2-кэш подключен к стандартной шине памяти. Отметим, что системную шину называют также основной шиной (main bus), шиной процессора (processor bus), шиной памяти (memory bus) и даже локальной шиной (local bus).
- Локальная шина ввода-вывода: Эта быстродействующая шина ввода-вывода используется для подключения быстрых периферийных устройств к памяти, чипсету и процессору. Такую шину используют видеокарты, дисковые накопители и сетевые интерфейсы. Наиболее распространенными локальными шинами ввода-вывода являются VESA Local Bus (VLB) и шина Peripheral Component Interconnect (PCI).
- Стандартная шина ввода-вывода: К рассмотренным трем шинам подключается "заслуженная" стандартная шина ввода-вывода, которая применяется для медленных периферийных устройств (мышь, модем, звуковые карты и др.), а также для совместимости со старыми устройствами. Почти во всех современных РС такой шиной является шина ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура).
- Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus - USB), позволяющая подключать до 127 медленных периферийных устройств с использованием хаба (hub) или шлейфного соединения (daisy-chaining) устройств.
- Скоростная последовательная шина IEEE 1394 (FireWire) , предназначенная для подключения к РС цифровых камер, принтеров, телевизоров и других устройств, требующих исключительно высокой пропускной способности.
Несколько шин ввода-вывода, соединяющие различные периферийные устройства с процессором, подключаются к системной шине с помощью моста (bridge), реализованного в чипсете. Системный чипсет управляет всеми шинами и обеспечивает, что каждое устройство в системе правильно взаимодействует с каждым другим устройством.
В новых РС есть дополнительная "шина", которая специально предназначена только для графического взаимодействия. Фактически это не шина, а порт - ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP). Различие между шиной и портом заключается в том, что шина обычно рассчитана на разделение носителя несколькими устройствами, а порт предназначен только для двух устройств.
Как показано ранее, шины ввода-вывода фактически являются расширением системной
шины. На материнской плате системная шина заканчивается микросхемой чипсета,
которая образует мост к шине ввода-вывода. Шины играют важнейшую роль в обмене
данными в РС. Фактически все компоненты РС, за исключением процессора,
взаимодействуют друг с другом и системной памятью RAM через различные шины
ввода-вывода, как показано на рисунке слева.
Шины адреса и данных
Каждая шина состоит из двух разных частей: шина данных (data bus) и шина адреса (address bus). Говоря о шине, большинство людей понимает именно шину данных; по линиям этой шины передаются собственно данные. Шина адреса представляет собой набор линий, сигналы на которых определяют, куда передавать или откуда принимать данные.
Конечно, имеются сигнальные линии для управления функционированием шины и
сигнализации о доступности данных. Иногда эти линии называются шиной
управления
(control bus), хотя часто они и не упоминаются.
Ширина шины
Шина - это канал, по которому "течет" информация. Чем шире шина, тем больше информации может "течь" по каналу. Первая шина ISA в IBM PC имела ширину 8 битов; используемая сейчас универсальная шина ISA имеет ширину 16. Другие шины ввода-вывода, включая VLB и PCI, имеют ширину 32 бита. Ширина системной шины в РС с процессорами Pentium составляет 64 бита.
Ширину шины адреса можно определять независимо от ширины шины данных. Ширина
шины адреса показывает, сколько ячеек памяти можно адресовать при передаче
данных. В современных РС ширина шины адреса составляет 36 битов, что
обеспечивает адресацию памяти емкостью 64 ГБ.
Скорость (быстродействие) шины
Скорость шины
(bus speed) показывает, сколько битов информации можно
передавать по каждому проводнику шины в секунду. Большинство шин передают по
одному проводнику один бит в такте синхронизации, хотя новые шины, например AGP,
могут передавать два бита данных в такте синхронизации, что удваивает
производительность. В старой шине ISA для передачи одного бита требуются два
такта синхронизации, что снижает производительность вдвое.
Ширина полосы пропускания шины
|
Ширина полосы пропускания (bandwidth) называется также пропускной способностью (throughput) и показывает общий объем данных, который можно передать по шине за данную единицу времени. В таблице приведены теоретические пропускные способности современных шин ввода-вывода. Фактически шины не достигают теоретического показателя из-за служебных потерь на выполнение команд и других факторов. Большинство шин может работать с различной скоростью; в следующей таблице приведены наиболее типичные значения.
Сделаем замечание относительно четырех последних строк. Теоретически шину PCI
можно расширить до 64 битов и скорости 66 МГц. Однако по причинам совместимости
почти все шины PCI и устройства на шине рассчитаны только на 33 МГц и 32 бита.
AGP опирается на теоретический стандарт и работает на 66 МГц, но сохраняет
ширину 32 бита. AGP имеет дополнительные режимы x2 и x4, которые позволяют порту
выполнять передачи данных два или четыре раза в такте синхронизации, что
увеличивает эффективную скорость шины до 133 или 266 МГц.
Интерфейс шин
В системе с несколькими шинами чипсет должен обеспечить схемы для объединения
шин и взаимодействия устройства на одной шине с устройством на другой шине.
Такие схемы называются
мостом
(bridge) (отметим, что мостом называется также сетевое устройство
для соединения двух разнотипных сетей). Наиболее распространен мост PCI-ISA,
который является компонентом системного чипсета для РС с процессорами Pentium.
Шина PCI также имеет мост к системной шине.
Мастеринг шины
В шинах с большой пропускной способностью каждую секунду по каналу передается огромный объем информации. Обычно для управления этими передачами требуется процессор. Фактически процессор действует как "посредник" и, как это часто бывает в реальном мире, намного эффективнее убрать посредника и прямо выполнять передачи. Для этого разработаны устройства, которые могут управлять шиной и действовать самостоятельно, т.е. передавать данные непосредственно в системную память RAM; такие устройства называются ведущими шины (bus masters). Теоретически процессор одновременно с передачами данных по шине может выполнять и другую работу; на практике ситуация усложняется несколькими факторами. Для правильной реализации мастеринга шины (bus mastering) необходим арбитраж запросов шины, который обеспечивается чипсетом. Мастеринг шины называется также "first party" DMA, так как работой управляет устройство, выполняющее передачу.
Сейчас мастеринг шины реализован на шине PCI; добавлена также поддержка для
жестких дисков IDE/ATA реализации мастеринга шины на PCI при определенных
условиях.
Принцип локальной шины
Начало 90-х годов характеризуется переходом от текстовых приложений к графическим и ростом популярности операционной системы Windows. А это привело к огромному увеличению объема информации, который должен передаваться между процессором, памятью, видео и жесткими дисками. Стандартный экран монохроматического (черно-белого) текста содержит всего 4000 байтов информации (2000 для кодов символов и 2000 для экранных атрибутов), а стандартный 256-цветный экран Windows требует более 300 000 байтов! Более того, современная разрешающая способность 1600x1200 при 16 млн цветов требует 5.8 млн байтов информации на экран!
Переход программного мира с текста на графику означал также увеличение размеров программ и повышенные требования памяти. С точки зрения ввода-вывода для обработки дополнительных данных для видеокарты и жестких дисков огромной емкости требуется намного большая пропускная способность ввода-вывода. С этой ситуацией пришлось столкнуться при появлении процессора 80486, производительность которого была намного выше прежних процессоров. Шина ISA перестала удовлетворять возросшим требованиям и стала узким местом в деле повышения производительности РС. Повышение скорости процессора мало что дает, если он должен ожидать медленной системной шины для передачи данных.
Решение было найдено в разработке новой более быстрой шины, которая должна
была дополнить шину ISA и применяться специально для таких быстродействующих
устройств как видеокарты. Эта шина должна была размещаться на (или вблизи)
намного более быстрой шины памяти и работать примерно с внешней скоростью
процессора, чтобы передавать данные намного быстрее стандартной шины ISA. При
размещении таких устройств вблизи ("локально") процессора появилась локальная
шина
. Первой локальной шиной была VESA Local Bus (VLB), а современной
локальной шиной в большинстве РС является шина Peripheral Component Interconnect
(PCI).
Системная шина
Системная шина (system bus) соединяет процессор с основной памятью RAM и, возможно, с L2-кэшем. Она является центральной шиной компьютера и остальные шины "ответвляются" от нее. Системная шина реализована как набор проводников на материнской плате и должна соответствовать конкретному типу процессора. Именно процессор определяет характеристики системной шины. Вместе с тем, чем быстрее системная шина, тем быстрее должны быть остальные электронные компоненты РС.
|
Рассмотрим системные шины РС с процессорами нескольких поколений. В процессорах первого, второго и третьего поколений частота системной шины определялась рабочей частотой процессора. По мере повышения скорости процессора увеличивалась и скорость системной шины. Одновременно увеличивалось и адресное пространство: в процессорах 8088/8086 оно составляло 1 МБ (20-битовый адрес), в процессоре 80286 адресное пространство увеличено до 16 МБ (24-битовый адрес), а начиная с процессора 80386 адресное пространство составляет 4 ГБ (32-битовый адрес).
|
Как видно из таблицы для процессоров четвертого поколения, скорость системной шины вначале соответствовала рабочей частоте процессора. Однако технологические достижения позволяли повышать частоту процессора, а соответствие скорости системной шины требовало повышения быстродействия внешних компонентов, в основном, системной памяти, что было сопряжено со значительными трудностями и стоимостными ограничениями. Поэтому в процессоре 80486DX2-50 было впервые использовано удвоение частоты (clock doubling): процессор работал с внутренней частотой синхронизации 50 МГц, а внешняя скорость системной шины составляла 25 МГц, т.е. только половину рабочей частоты процессора. Этот прием значительно повышает производительность компьютера, особенно благодаря наличию внутреннего L1-кэша, который удовлетворяет большинство обращений процессора к системной памяти. С тех пор умножение частоты (clock multiplying) стало стандартным способом повышения производительности компьютера и применяется во всех современных процессорах, причем множитель частоты доведен до 8, 10 и более.
|
Продолжительное время системные шины РС с процессорами пятого поколения работали со скоростью 60 МГц и 66 МГц. Значительным шагом вперед стало увеличение ширины данных до 64 битов и расширение адресного пространства до 64 ГБ (36-битовый адрес).
Скорость системной шины была повышена до 100 МГц в 1998 г. благодаря освоению производства микросхем PC100 SDRAM. Микросхемы памяти RDRAM позволяют еще более повысить скорость системной шины. Однако переход от 66 МГц к 100 МГц оказал значительное влияние на процессоры и материнские платы с Socket 7. В модулях Pentium II до 70-80% трафика (передач информации) осуществляется внутри нового картриджа SEC (Single Edge Cartridge), в котором находятся процессор и оба кэша L1-кэш и L2-кэш. Этот картридж работает со своей скоростью, независящей от скорости системной шины.
|
Чипсеты i820 и i815, разработанные для процессора Pentium III, рассчитаны на
системную шину 133 МГц. Наконец, в процессоре AMD Athlon введены значительные
изменения в архитектуру и понятие системной шины оказалось ненужным. Этот
процессор может работать с различными типами RAM на максимальной частоте 200
МГц.
Типы шин ввода-вывода
В этом разделе речь пойдет о различных шинах ввода-вывода, причем большая часть его посвящена современным шинам. Общее представление об использовании шин ввода-вывода дает следующий рисунок, наглядно показывающий назначение различных шин ввода-вывода современного РС.
В следующей таблице приведены суммарные сведения о различных шинах ввода-вывода, которые применяются в современных РС:
| Шина | Год | Ширина | Скорость |
Макс. пропускная способность |
| PC и XT | 1980-82 | 8 битов | Синхронная: 4.77-6 МГц | 4-6 МБ/с |
| ISA (AT) | 1984 | 16 битов | Синхронная: 8-10 МГц | 8 МБ/с |
| MCA | 1987 | 32 бита | Асинхронная: 10.33 МГц | 40 МБ/с |
| EISA (для серверов) | 1988 | 32 бита | Синхронная: макс. 8 МГц | 32 МБ/с |
| VLB, для 486 | 1993 | 32 бита | Синхронная: 33-50 МГц | 100-160 МБ/с |
| PCI | 1993 | 32/64 бита | Асинхронная: 33 МГц | 132 МБ/с |
| USB | 1996 | Последовательная | 1.2 МБ/с | |
| FireWire (IEEE1394) | 1999 | Последовательная | 80 МБ/с | |
| USB 2.0 | 2001 | Последовательная | 12-40 МБ/с |
Старые шины
Новые современные шина PCI и порт AGP "родились" из старых шин, которые до
сих пор можно встретить в РС. Более того, самая старая шина ISA до сих пор
используется даже в новейших РС. Далее мы рассмотрим несколько подробнее старые
шины РС.
Шина Industry Standard Architecture (ISA)
Это самая распространенная и действительно стандартная шина для РС, которая используется даже в новейших компьютерах несмотря на то, что практически не изменилась с момента своего расширения до 16 битов в 1984 г. Конечно, сейчас она дополнена более быстрыми шинами, но "выживает" благодаря наличию огромной базы периферийного оборудования, рассчитанного на этот стандарт. Кроме того, имеется много устройств, для которых скорости ISA более чем достаточно, например для модемов. По мнению некоторых экспертов до "умирания" шины ISA пройдет не менее 5-6 лет.
Выбор ширины и скорости шины ISA определился процессорами, с которыми она работала в первых РС. Оригинальная шина ISA в IBM PC имела ширину 8 битов, соответствуя 8 битам внешней шины данных процессора 8088, и работала на частоте 4.77 МГц, что также соответствует скорости процессора 8088. В 1984 г. появился компьютер IBM AT с процессором 80286 и ширина шины была удвоена до 16 битов, как у внешней шины данных процессора 80286. Одновременно была повышена до 8 МГц скорость шины, что также соответствовало скорости процессора. Теоретически пропускная способность шины составляет 8 МБ/с, но практически она не превышает 1-2 МБ/с.
В современных РС шина ISA действует как внутренняя шина , которая используется для клавиатуры, гибкого диска, последовательных и параллельных портов, и как внешняя шина расширения , к которой можно подключить 16-битовые адаптеры, например звуковую карту.
Впоследствии процессоры AT стали быстрее, а затем была увеличена и их шина данных, но теперь требование совместимости с существующими устройствами заставило производителей придерживаться стандарта и шина ISA с того времени практически не изменилась. Шина ISA обеспечивает достаточную пропускную способность для медленных устройств и наверняка гарантирует совместимость почти с каждым выпущенным РС.
Многие карты расширения, даже современные, до сих пор являются 8-битовыми (об этом можно узнать по разъему карты - 8-битовые карты используют только первую часть разъема ISA, а 16-битовые карты используют обе части). Для этих карт невысокая пропускная способность шины ISA не играет роли. Однако доступ к прерываниям от IRQ 9 до IRQ 15 обеспечивается через проводники в 16-битовой части разъемов шины. Именно поэтому большинство модемов нельзя подключить к IRQ с большими номерами. Линии IRQ между устройствами ISA нельзя разделять.
Документ The PC99 System Design Guide
, подготовленный компаниями Intel
и Microsoft, категорически требует удаления слотов шины ISA с материнских плат,
поэтому можно ожидать, что дни этой "заслуженной" шины сочтены.
Шина MicroChannel Architecture (MCA)
Эта шина стала попыткой компании IBM сделать шину ISA "больше и лучше". При появлении в середине 80-х годов процессора 80386DX с 32-битовой шиной данных компания IBM решила разработать шину, соответствующую такой ширине шины данных. Шина MCA имела ширину 32 бита и имела несколько преимуществ по сравнению с шиной ISA.
Шина MCA имела несколько прекрасных возможностей с учетом того, что она появилась в 1987 г., т.е. за семь лет до появления шины PCI с аналогичными возможностями. В некоторых отношениях шина МСА просто опередила свое время:
- Ширина 32 бита: Шина имела ширину 32 бита, как и локальные шины VESA и PCI. Ее пропускная способность была намного выше по сравнению с шиной ISA.
- Мастеринг шины: Шина MCA эффективно поддерживала адаптеры с мастерингом шины, включая правильный арбитраж шины.
- Шина MCA автоматически конфигурировала карты адаптеров, поэтому перемычки стали ненужными. Это произошло за 8 лет до того, как Windows 95 превратила технологию PnP в общепринятую для РС.
Шина MCA имела огромные потенциальные возможности. К сожалению, компания IBM приняла два таких решения, которые не способствовали распространению этой шины. Во-первых, шина МСА была несовместимой с шиной ISA, т.е. карты ISA вообще не работали в РС с шиной МСА, а компьютерный рынок очень чувствителен к проблеме обратной совместимости. Во-вторых, компания IBM решила сделать шину МСА своей собственностью, не продавая лицензию на ее применение.
Эти два фактора совместно с более высокой стоимостью систем с шиной МСА
привели к забвению шины МСА. Поскольку компьютеры PS/2 больше не выпускаются,
шина МСА "умерла" для рынка РС, хотя компания IBM до сих пор использует ее в
своих серверах RISC 6000 UNIX. История с шиной МСА является одним из
классических примеров того, как в мире компьютеров нетехнические вопросы часто
доминируют над техническими.
Шина Extended Industry Standard Architecture (EISA)
Эта шина никогда не стала таким стандартом, каким является шина ISA, и не получила широкого распространения. Фактически она была ответом компании Compaq на шину МСА и привела к аналогичным результатам.
Компания Compaq при разработке шины EISA избежала двух важнейших ошибок компании IBM. Во-первых, шина EISA была совместимой с шиной ISA и, во-вторых, было разрешено использовать ее всем производителям РС. В общем, шина EISA имела значительные технические преимущества над шиной ISA, но рынок ее не воспринял. Основные особенности шины EISA:
- Совместимость с шиной ISA: Карты ISA могли работать в слотах EISA.
- Ширина шины 32 бита: Ширина шины увеличена до 32 битов.
- Мастеринг шины: Шина EISA эффективно поддерживала адаптеры с мастерингом шины, включая правильный арбитраж шины.
- Технология Plug and Play (PnP): Шина EISA автоматически конфигурировала карты адаптеров аналогично стандарту PnP современных систем.
Системы на базе EISA сейчас иногда встречаются в сетевых файловых серверах, а
в настольных РС она не применяется из-за более высокой стоимости и отсутствию
широкого выбора адаптеров. Наконец, пропускная способность ее значительно
уступает локальным шинам VESA Local Bus и PCI. Практически шина сейчас EISA
близка к "умиранию".
Шина VESA Local Bus (VLB)
Первая довольно популярная локальная шина VESA Local Bus (VL-Bus или VLB) появилась в 1992 г. Аббревиатура VESA означает Video Electronics Standards Association, а эта ассоциация была создана в конце 80-х годов для решения проблем видеосистем в РС. Основной причиной разработки шины VLB было улучшение производительности видеосистем РС.
Шина VLB представляет собой 32-битовую шину, которая является прямым расширением шины памяти процессора 486. Слот шины VLB - это 16-битовый слот ISA с добавленными в конце третьим и четвертым разъемами. Шина VLB обычно работает на частоте 33 МГц, хотя в некоторых системах возможна и большая скорость. Поскольку она является расширением шины ISA, карту ISA можно использовать в слоте VLB, но имеет смысл вначале занять обычные слоты ISA и оставить небольшое число слотов VLB для карт VLB, которые, конечно, не работают в слотах ISA. Применение видеокарты VLB и контроллера ввода-вывода значительно повышает производительность системы по сравнению с системой, имеющей только одну шину ISA.
Несмотря на то, что шина VLB была очень популярна в РС с процессором 486, появление в 1994 г. процессора Pentium и его локальной шины PCI привело к к постепенному "забвению" шины VLB. Одной из причин этого стали усилия фирмы Intel по продвижению шины PCI, но было и несколько технических проблем, связанных с реализацией VLB. Во-первых, конструкция шины очень сильно "привязана" к процессору 486, а переход к Pentium вызвал проблемы совместимости и другие проблемы. Во-вторых, сама шина имела технические недостатки: небольшое число карт на шине (часто две или даже одна), проблемы синхронизации при использовании нескольких карт и отсутствие поддержки мастеринга шины и технологии Plug and Play.
Сейчас шина VLB считается устаревшей и даже в последних материнских платах с
процессором 486 используется шина PCI, а с процессорами Pentium - только PCI.
Однако РС с шиной VLB недороги и их иногда можно еще встретить.
Шина Peripheral Component Interconnect (PCI)
Наиболее популярная сейчас шина ввода-вывода взаимодействия периферийных компонентов (Peripheral Component Interconnect - PCI) разработана фирмой Intel в 1993 г. Она ориентировалась на системы пятого и шестого поколений, но применялась и в последнем поколении материнских плат с процессором 486.
Как и шина VESA Local Bus, шина PCI имеет ширину 32 бита и обычно работает на частоте 33 МГц. Главное преимущество PCI над шиной VESA Local Bus кроется в чипсете, который управляет шиной. Шиной PCI управляют специальные схемы в чипсете, а шина VLB была, в основном, просто расширением шины процессора 486. Шина PCI в этом отношении не "привязана" к процессору 486 и ее чипсет обеспечивает правильные управление шиной и арбитраж шины, позволяя PCI делать намного больше, чем могла шина VLB. Шина PCI также применяется и вне платформы РС, обеспечивая универсальность и сокращая стоимость разработки систем.
В современных РС шина PCI действует как внутренняя шина
, которая
подключается к каналом EIDE на материнской плате, и как внешняя шина
расширения
, которая имеет 3-4 слота расширения для PCI-адаптеров.
Шина PCI соединяется с системной шиной через специальный "мост" (bridge) и
работает на фиксированной частоте независимо от частоты синхронизации
процессора. Она ограничена пятью слотами расширения, но каждый из них можно
заменить двумя устройствами, встроенными в материнскую плату. Процессор может
также поддерживать несколько микросхем мостов. Шина PCI более строго
специфицирована по сравнению с шиной VL-Bus и предоставляет несколько
дополнительных возможностей. В частности, она поддерживает карты, имеющие
напряжение питания +3.3 В и 5 В, с помощью специальных ключей, которые не
позволяют вставить карту в неподходящий слот. Далее функционирование шины PCI
рассмотрено более подробно.
Производительность шины PCI
Шина PCI фактически имеет наибольшую производительность среди общих шин ввода-вывода в современных РС. Это объясняется несколькими факторами:
- Пакетный режим (burst mode): Шина PCI может передавать информацию в пакетном режиме, когда после начальной адресации можно подряд передавать несколько наборов данных. Этот режим похож на пакетизацию кэша (cache bursting).
- Мастеринг шины: Шина PCI поддерживает полный мастеринг, что способствует повышению производительности.
- Опции высокой полосы пропускания: Версия 2.1 спецификации шины PCI допускает расширение до 64 битов и 66 МГц, что повышает текущую производительность в четыре раза. На практике 64-битовая шина PCI пока в РС не реализована (хотя уже применяется в некоторых серверах) и скорость сейчас ограничена 33 МГц, в основном, из-за проблем совместимости. Некоторое время придется ограничиваться 32 битами и 33 МГц. Однако благодаря AGP в несколько измененной форме будет реализована и более высокая производительность.
Скорость шины PCI в зависимости от чипсета и материнской платы можно установить как синхронную или асинхронную. При синхронной настройке (используемой в большинстве РС) шина PCI работает с половинной скоростью шины памяти; поскольку шина памяти обычно работает на 50, 60 или 66 МГц, шина PCI работает на частоте 25, 30 или 33 МГц. При асинхронной настройке скорость шины PCI можно задавать независимо от скорости шины памяти. Этим обычно управляют с помощью перемычек на материнской плате или параметрами BIOS. "Разгон" (overclocking) системной шины в РС, который использует синхронную шину PCI, вызовет "разгон" и периферийных устройств PCI, часто вызывая проблемы неустойчивой работы системы.
В первоначальной реализации шина PCI работала на частоте 33 МГц, а
последующая спецификация PCI 2.1 определила частоту 66 МГц, что соответствует
пропускной способности 266 МБ/с. Шину PCI можно конфигурировать на ширину данных
32 и 64 бита и допускается применять 32- и 64-битовые карты, а также разделять
прерывания, что удобно в высокопроизводительных системах, в которых не хватает
линий IRQ. С середины 1995 г. все скоростные устройства РС взаимодействуют друг
с другом по шине PCI. Чаще всего она применяется для контроллеров жестких дисков
и графических контроллеров, которые монтируются непосредственно на материнской
плате или на картах расширения в слотах шины PCI.
Слоты расширения шины PCI
Шина PCI допускает больше слотов расширения, чем шина VLB, не вызывая технических проблем. Большинство систем с PCI поддерживают 3 или 4 слота PCI, а некоторые и значительно больше.
Примечание: В некоторых системах не все слоты обеспечивают мастеринг шины. Сейчас это встречается реже, но все же рекомендуется посмотреть руководство по материнской плате.
Шина PCI допускает большее разнообразие карт расширения по сравнению с шиной
VLB. Чаще всего встречаются видеокарты, хост-адаптеры SCSI и скоростные сетевые
карты. (Жесткие диски также работают на шине PCI, но они обычно подключаются
непосредственно к материнской плате.) Однако отметим, что шина PCI не реализует
некоторые функции, например последовательные и параллельные порты должны
оставаться на шине ISA. К счастью, даже сейчас шина ISA остается более чем
достаточной для этих устройств.
Внутренние прерывания шины PCI
Шина PCI использует свою внутреннюю систему прерываний для обработки запросов от карт на шине. Эти прерывания часто называются "#A", "#B", "#C" и "#D", чтобы избежать путаницы с обычно пронумерованными системными IRQ, хотя иногда они называются также от "#1" до "#4". Эти уровни прерываний обычно невидимы пользователю за исключением экрана настройки BIOS для PCI, где их можно использовать для управления работой карт PCI.
Эти прерывания, если они требуются картам в слотах, отображаются на обычные
прерывания, чаще всего на IRQ9 - IRQ12. Слоты PCI в большинстве систем можно
отобразить на большинство четыре обычных IRQs. В системах, имеющих больше
четырех слотов PCI или имеющих четыре слота и контроллер USB (который использует
PCI), два или больше устройств PCI разделяют IRQ.
Мастеринг шины PCI
Напомним, что мастеринг шины (bus mastering) представляет собой способность устройств на шине PCI (отличающихся, конечно, от системного чипсета) брать на себя управление шиной и непосредственно выполнять передачи. Шина PCI стала первой шиной шиной, которая привела к популярности мастеринга шины (наверное, потому что операционная система и программы смогли использовать его преимущества).
Шина PCI поддерживает полный мастеринг шины и обеспечивает средства арбитража
шины через системный чипсет. Конструкция PCI допускает одновременный мастеринг
шины нескольких устройств, а схема арбитража гарантирует, что ни одно устройство
на шине (включая процессор!) не заблокирует никакое другое устройство. Однако
разрешается одному устройству использовать полную пропускную способность шины,
если другие устройства ничего не передают. Другими словами, шина PCI действует
как крохотная локальная сеть внутри компьютера, в которой несколько устройств
могут взаимодействовать друг с другом, разделяя коммуникационный канал, и
которой управляет чипсет.
Технология Plug and Play для шины PCI
Шина PCI является частью стандарта Plug and Play (PnP), разработанного компаниями Intel, Microsoft и многими другими. Системы с шиной PCI первыми популяризировали применение PnP. Схемы чипсета PCI управляют идентификацией карт и совместно с операционной системой и BIOS автоматически производят распределение ресурсов для совместимых карт.
Шина PCI постоянно совершенствуется и разработками руководит Группа PCI Special Interest Group, в которую входят компании Intel, IBM, Apple и др. Результатом этих разработок стало повышение частоты шины до 66 МГц и расширение данных до 64 битов. Однако создаются и альтернативные варианты, например ускоренный графический порт (AGP) и скоростная последовательная шина FireWire (IEEE 1394). Фактически AGP представляет собой шину PCI 66 МГц (версия 2.1), в которую введены некоторые усовершенствования, ориентированные на графические системы.
Еще одной инициативой является шина PCI-X , называемая также "Project One" и "Future I/O". Компании IBM, Mylex, 3Com, Adaptec, Hewlett-Packard и Compaq хотят разработать специальную высокоскоростную серверную версию шины PCI. Эта шина будет иметь пропускную способность 1 ГБ/с (64 бита, 133 МГц). Компании Intel и Dell Computer не участвуют в этом проекте.
Компании Dell Computer, Hitachi, NEC, Siemens, Sun Microsystems и Intel в ответ на Project One выступили с инициативой разработки шины Next-Generation I/O (NGIO ), ориентированной на новую архитектуру ввода-вывода для серверов.
В августе 1999 г. семь лидирующих компаний (Compaq, Dell, Hewlett-Packard,
IBM, Intel, Microsoft, Sun Microsystems) объявили о намерении объединить лучшие
идеи шин Future I/O и Next Generation I/O. Новая открытая архитектура
ввода-вывода для серверов должна обеспечить пропускную способность до 6 ГБ/с.
Ожидается, что новый стандарт NGIO будет принят в конце 2001 г.
Ускоренный графический порт
Необходимость повышения полосы пропускания между процессором и видеосистемой вначале привела к разработке в РС локальной шины ввода-вывода, начиная с VESA Local Bus и кончая современной шиной PCI. Эта тенденция продолжается, причем требование повышенной полосы пропускания для видео уже не удовлетворяет даже шина PCI с ее стандартной пропускной способностью 132 МБ/с. Трехмерная графика (3D graphics) позволяет моделировать на экране виртуальные и реальные миры с мельчайшими деталями. Отображение текстур и скрывание объектов требуют огромных объемов данных и видеокарта должна иметь быстрый доступ к этим данным, чтобы поддержать высокую частоту регенерации.
Трафик на шине PCI становится очень напряженным в современных РС, когда видео, жесткие диски и другие периферийные устройства конкурируют между собой за единственную полосу пропускания ввода-вывода. Чтобы предотвратить насыщение шины PCI видеоинформацией, фирма Intel разработала новый интерфейс специально для видеосистемы, который называется ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP).
Порт AGP разработан в ответ на требование все большей производительности для видео. По мере использования программами и компьютерами таких областей, как трехмерная акселерация и воспроизведение видеофильмов (full-motion video playback), процессор и видео-чипсет должны обрабатывать все больше и больше информации. В таких приложения шина PCI достигла своего предела тем более, что ее используют еще и жесткие диски и другие периферийные устройства.
Кроме того, требуется все больше и больше видеопамяти. Для трехмерной графики нужно больше памяти и не только для экранного изображения, но и для производства вычислений. Традиционно эта проблема решается размещением все больше памяти на видеокарте, но при этом возникают две проблемы:
- Стоимость: Видеопамять дороже обычной памяти RAM.
- Ограниченная емкость: Емкость памяти на видеокарте ограничена: если разместить на карте 6 МБ и для буфера кадра требуется 4 МБ, то для обработки остается всего 2 МБ. Эту память расширить непросто и ее нельзя использовать для чего-то другого, если видеообработка не нужна.
AGP решает эти проблемы, разрешая видеопроцессору обращаться к основной системной памяти для производства вычислений. Этот прием намного эффективнее, так как эту память можно динамически разделять между системным процессором и видеопроцессором в зависимости от потребностей системы.
Идея реализации AGP довольно проста: создать быстрый специализированный интерфейс между видео-чипсетом и системным процессором. Интерфейс реализуется только между этими двумя устройствами, что обеспечивает три основных преимущества: проще реализовать порт, проще повысить скорость AGP и можно ввести в интерфейс специфические для видео усовершенствования. AGP-чипсет действует как посредник между процессором, L2-кэшем Pentium II, системной памятью, видеокартой и шиной PCI, реализуя так называемый счетверенный порт (Quad Port).
AGP считается портом, а не шиной, так как он объединяет только два устройства (процессор и видеокарту) и не допускает расширения. Одно из главных достоинств AGP состоит в том, что он изолирует видеосистему от остальных компонентов РС, исключая конкуренцию за полосу пропускания. Поскольку видеокарта удаляется с шины PCI, остальные устройства могут работать быстрее. Для AGP на материнской плате предусмотрен специальный сокет, который похож на сокет шины PCI, но размещается в другом месте платы. На следующем рисунке сверху видны два сокета шины ISA (черные), затем два сокета шины PCI (белые) и сокет ADP (коричневый).
AGP появился в конце 1997 г. и первой его поддержал чипсет 440LX Pentium II.
Уже в следующем году появились AGP-чипсеты других компаний. Подробнее об AGP см.
сайт
http://developer.intel.com/technology/agp/
.
Интерфейс AGP
Интерфейс AGP во многих отношениях похож на шину PCI. Сам слот имеет такие же
физические форму и размеры, но смещен от края материнской платы дальше, чем
слоты PCI. Спецификация AGP фактически опирается на спецификацию PCI 2.1,
которая допускает скорость 66 МГц, но эта скорость не реализована в РС.
Материнские платы AGP имеют один слот расширения для видеокарты AGP и на один
слот PCI меньше, а в остальном похожи на материнские платы PCI.
Ширина, скорость и полоса пропускания шины
Шина AGP имеет ширину 32 бита, как и шина PCI, но вместо работы с половинной скоростью шины памяти, как это делает PCI, она работает с полной скоростью. Например, на стандартной материнской плате Pentium II шина AGP работает на 66 МГц вместо 33 МГц шины PCI. Это сразу же удваивает полосу пропускания порта - вместо предела в 132 МБ/с для PCI порт AGP имеет в режиме наименьшей скорости полосу 264 МБ/с. Кроме того, он не разделяет полосу с другими устройствами шины PCI.
В дополнение к удвоению скорости шины в AGP определен режим 2X , в котором используются специальные сигналы, позволяющие передавать через порт вдвое больше данных при одной и той же частоте синхронизации. В этом режиме информация передается по нарастающему и спадающему фронтам сигнала синхронизации. Если шина PCI передает данные только по одному фронту, AGP передает данные по обоим фронтам. В результате производительность еще удваивается и теоретически доходит до 528 МБ/с. Планируется также реализовать режим 4X , в котором в каждом такте синхронизации осуществляются четыре передачи, что повысит производительность до 1056 МБ/с.
Конечно, все это впечатляет и для видеокарты ширина полосы в 1 ГБ/с очень хорошая, но возникает одна проблема: в современном РС имеется несколько шин. Напомним, что в процессорах класса Pentium ширина шины данных 64 бита и она работает на 66 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность 524 МБ/с, поэтому полоса в 1 ГБ/с не дает значительного выигрыша, если не повысить скорость шины данных сверх 66 МГц. В новых материнских платах скорость системной шины повышена до 100 МГц, что увеличивает пропускную способность до 800 МБ/с, но и этого недостаточно для того, чтобы оправдать передачи режима 4X .
Кроме того, процессор должен обращаться к системной памяти, а не только к
видеосистеме. Если вся системная полоса 524 МБ/с занята видео через AGP, что же
остается делать процессору? В этом случае переход к системной скорости 100 МГц
даст определенный выигрыш.
Видео-конвейеризация порта AGP
Одно из достоинств AGP состоит в возможности конвейеризовать запросы данных.
Конвейеризация впервые использовалась в современных процессорах как способ
повышения производительности за счет перекрытия последовательных фрагментов
задач. Благодаря AGP видео-чипсет может использовать аналогичный прием при
запросе информации из памяти, что значительно повышает производительность.
Доступ AGP к системной памяти
Важнейшая особенность AGP заключается в возможности разделять основную системную память с видео-чипсетом. Это обеспечивает видеосистеме доступ к большей памяти для реализации трехмерной графики и другой обработки, не требуя размещения на видеокарте большой видеопамяти. Память на видеокарте разделяется между буфером кадра (frame buffer) и другими применениями. Поскольку для буфера кадра требуется быстродействующая и дорогая память, например VRAM, в большинстве карт вся память выполняется на VRAM, хотя этого и требуется для областей памяти кроме буфера кадра.
Отметим, что AGP не относится к унифицированной архитектуре памяти (Unified Memory Architecture - UMA). В этой архитектуре вся память видеокарты, включая и буфер кадра, берется из основной системной памяти. В AGP буфер кадра остается на видеокарте, где он и размещается. Буфер кадра является наиболее важным компонентом видеопамяти и требует наивысшей производительности, поэтому целесообразнее оставить его на видеокарте и использовать для него VRAM.
AGP разрешает видеопроцессору обращаться к системной памяти для решения других задач, требующих памяти, например текстурирования и других операций трехмерной графики. Эта память не столь критична, как буфер кадра, что позволяет удешевить видеокарты за счет уменьшения емкости памяти VRAM. Обращение к системной памяти называется прямым выполнением из памяти (DIrect Memory Execute - DIME). Специальное устройство, называемое таблицей переотображения графической апертуры (Graphics Aperture Remapping Table - GART), оперирует адресами RAM таким образом, что их можно распределить в системной памяти небольшими блоками, а не одной большой секции, и предоставляет их видеокарте как бы частью видеопамяти. Наглядное представление о функциях AGP дает следующий рисунок:
Требования AGP
Чтобы использовать в системе AGP, необходимо выполнить несколько требований:
- Наличие видеокарты AGP: Это требование вполне очевидно.
- Наличие материнской платы с чипсетом AGP: Разумеется, чипсет на материнской плате должен поддерживать AGP.
- Поддержка операционной системы: Операционная система должна поддерживать новый интерфейс с помощью своих внутренних драйверов и процедур.
- Поддержка драйверов: Конечно, видеокарте требуются специальные драйверы, чтобы поддерживать AGP и использовать его специальные возможности, например режим 3X .
Новые последовательные шины
Уже 20 лет многие периферийные устройства подключаются к тем же параллельным и последовательным портам, которые появились в первом РС, и за исключением стандарта Plug and Play "технология ввода-вывода" с 1081 г. мало изменилась. Однако к концу 90-х годов прошлого века пользователи все сильнее стали ощущать ограничения стандартных параллельных и последовательных портов:
- Пропускная способность : Последовательные порты имеют максимальную пропускную способность 115.2 Кб/с, а параллельные порты (в зависимости от типа) около 500 Кб/с. Однако для таких устройств, как цифровые видеокамеры требуется значительно более высокая пропускная способность.
- Простота использования : Подключать устройства к старым портам очень неудобно, особенно через переходные разъемы параллельных портов. Кроме того, все порты расположены сзади РС.
- Аппаратные ресурсы : Для каждого порта требуется своя линия IRQ. РС имеет всего 16 линий IRQ, большинство из которых уже занято. Некоторые РС для подключения новых устройств имеют всего пять свободных линий IRQ.
- Ограниченное число портов : Многие РС имеют два последовательных порта СОМ и один параллельный порт LPT. Допускается добавить больше портов но за счет использования ценных линий IRQ.
В последние годы технология ввода-вывода превратилась в одну из наиболее
динамичных областей развития настольных РС и два разработанных стандарта
последовательных передач данных сильно изменили способы подключения периферийных
устройств и подняли концепцию Plug and Play на новую высоту. Благодаря новым
стандартам любой пользователь сможет подключить к РС почти неограниченное
множество устройств буквально за несколько секунд, не имея специальных
технических знаний.
Универсальная последовательная шина
Разработанный компаниями Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom стандарт универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus - USB) предоставляет новый разъем для подключения всех распространенных устройств ввода-вывода, устраняя множество современных портов и разъемов.
Шина USB допускает подключение до 127 устройств с помощью шлейфного соединения (daisy-chaining) или использования USB-хаба (USB hub). Сам хаб, или концентратор , имеет несколько сокетов и вставляется в РС или другое устройство. К каждому USB-хабу можно подключить семь периферийных устройств. Среди них может быть и второй хаб, к которому можно подключить еще семь периферийных устройств, и т.д. Вместе с сигналами данных шина USB передает и напряжение питания +5 В, поэтому небольшие устройства, например ручные сканеры, могут не иметь собственного блока питания.
Устройства подключаются непосредственно в 4-контактный сокет (розетку) на РС или хабе в виде прямоугольного сокета Типа А. Все кабели, которые постоянно подключены к устройству, имеют вилку Типа А. Устройства, которые используют отдельный кабель, имеют квадратный сокет Типа В, а кабель, который подключает их, имеет вилку Типа А или Типа В.
Шина USB снимает ограничения скорости последовательных портов на базе UART. Она работает со скоростью 12 Мб/с, что соответствует сетевым технологиям Ethernet и Token Ring и обеспечивает достаточную пропускную способность для всех современных периферийных устройств. Например, пропускной способности шины USB достаточно для поддержки таких устройств, как внешние накопители CD-ROM и ленточные накопители, а также интерфейсов ISDN обычных телефонов. Ее также достаточно для передачи сигналов цифрового звука непосредственно в динамики, оснащенные цифро-аналоговыми преобразователя, что устраняет необходимость иметь звуковую карту. Однако шина USB не предназначена заменить сети. Чтобы получить приемлемо низкую стоимость, расстояние между устройствами ограничено 5 м. Для медленных устройств типа клавиатуры и мыши можно установить скорость передачи данных 1.5 Мб/с, экономя пропускную способность для более быстрых устройств.
Шина USB полностью поддерживает технологию Plug and Play. Она устраняет необходимость установки карт расширения внутри РС и последующего реконфигурирования системы. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и при необходимости отключать периферийные устройства в то время, когда РС и другие устройства работают. Не нужно инсталлировать драйверы, выбирать последовательные и параллельные порты, а также определять линии IRQ, DMA-каналы и адреса ввода-вывода. Все это достигается путем управления периферийными устройствами с помощью хост-контроллера на материнской плате или на карте PCI. Хост-контроллер и подчиненные контроллеры в хабах управляют периферийными устройствами, снижая нагрузку на процессор и повышая общую производительность системы. Самим хост-контроллером управляет системное программное обеспечение в составе операционной системы.
Данные передаются по двунаправленному каналу, которым управляют хост-контроллер и подчиненные контроллеры хабов. Улучшенный мастеринг шины позволяет постоянно зарезервировать для конкретных периферийных устройств части общей пропускной способности; такой способ называется изохронной передачей данных (isochronous data transfer). Интерфейс шины USB содержит два основных модуля: машину последовательного интерфейса (Serial Interface Engine - SIE), отвечающую за протокол шины, и корневой хаб (Root Hub), используемый для расширения числа портов шины USB.
Шина USB выделяет каждому порту 500 мА. Благодаря этому маломощные устройства, которые обычно требуют отдельный преобразователь переменного тока (AC adapter), можно питать через кабель - USB позволяет РС автоматически определять требуемую мощность и доставлять ее в устройство. Хабы допускают полное питание от шины USB (bus powered), но могут иметь свой преобразователь переменного тока. Хабы с собственным питанием, предоставляющие 500 мА на порт, обеспечивают максимальную гибкость для будущих устройств. Хабы с переключением портов изолируют все порты друг от друга, поэтому одно "закороченное" не нарушает работу других.
Шина USB обещает создание РС с единственным портом USB вместо современных
четырех или пяти различных разъемов. К нему можно подключить одно большое мощное
устройство, например монитор или принтер, которое будет действовать как хаб,
обеспечивая подключение других меньших устройств, например мыши, клавиатуры,
модема, сканера, цифровой камеры и т.д. Однако для этого потребуется разработка
специальных драйверов устройств. Однако у такой конфигурации РС имеются
недостатки. Некоторые специалисты считают, что архитектура USB довольно сложная,
а необходимость поддержки многих разнотипных периферийных устройств требует
разработки целого набора протоколов. Другие полагают, что принцип хаба просто
смещает стоимость и сложность с системного блока в клавиатуру или монитор. Но
главным препятствием успеху USB является стандарт IEEE 1394 FireWire.
Шина IEEE 1394 FireWire
Этот стандарт быстродействующей периферийной шины разработан компаниями Apple Computer, Texas Instruments и Sony. Он разрабатывался как дополнение шины USB, а не как альтернатива ей, поскольку в одной системе могут использоваться обе шины, аналогично современным параллельным и последовательным портам. Однако крупные производители цифровых камер и принтеров заинтересованы в шине IEEE 1394 больше, чем в шине USB, потому что для цифровых камер лучше подходит сокет 1394, а не порт USB.Шина IEEE 1394 (обычно называемая FireWire - "Огненный провод") во многом похожа на шину USB, также являясь последовательной шиной с горячей заменой, но намного быстрее. В IEEE 1394 есть два уровня интерфейса: один для шины на материнской плате компьютера и второй для интерфейса типа "точка-точка" между периферийным устройством и компьютером по последовательному кабелю. Простой мост объединяет эти два уровня. Интерфейс шины поддерживает скорости передачи данных в 12.5, 25 или 50 МБ/с, а интерфейс кабеля - 100, 200 и 400 Мб/с, что намного больше скорости шины USB - 1.5 МБ/с или 12 Мб/с. Спецификация 1394b определяет другие способы кодирования и передачи данных, что позволяет повысить скорость до 800 Мб/с, 1.6 Гб/с и более. Такая высокая скорость позволяет применять IEEE 1394 для подключения к РС цифровых камер, принтеров, телевизоров, сетевых карт и внешних запоминающих устройств.
Разъемы кабеля IEEE 1394 сделаны так, что электрические контакты находятся внутри корпуса разъема, что предотвращает возможности электрического удара пользователя и загрязнения контактов руками пользователя. Эти небольшие и удобные разъемы аналогичны игровому разъему Nintendo GameBoy, который показал отличную долговечность. Кроме того, эти разъемы можно вставлять вслепую сзади РС. Не требуется никаких оконечных устройств (терминаторов - terminators) и ручной установки идентификаторов.
Шина IEEE 1394 рассчитана на 6-проводный кабель длиной до 4.5 м, который содержит две пары проводников для передачи данных и одну пару для питания устройства. Каждая сигнальная пара экранирована и весь кабель также экранирован. Кабель допускает напряжение от 8 В до 400 В и ток до 1.5 А и сохраняет физическую непрерывность устройства, когда устройство выключено или неисправно (что очень важно для последовательной топологии). Кабель обеспечивает питание для подключенных к шине устройств. По мере совершенствования стандарта ожидается, что шина обеспечит большие расстояния без повторителей и еще большую пропускную способность.
Основой любого соединения IEEE 1394 служит микросхема физического уровня и коммуникационного уровня, причем для устройства необходимы две микросхемы. Физический интерфейс (PHY) одного устройства соединяется с PHY другого устройства. Он содержит схемы, необходимые для выполнения функций арбитража и инициализации. Коммуникационный интерфейс соединяет PHY, а также внутренние схемы устройства. Он передает и принимает пакеты в формате IEEE 1394 и поддерживает асинхронные или изохронные передачи данных. Возможность поддержки асинхронных и изохронных форматов в одном и том же интерфейсе допускает работу на шине некритичных ко времени приложений, например сканеров или принтеров, а также приложений реального времени, например видео и звук. Все микросхемы физического уровня используют одну и ту же технологию, а микросхемы коммуникационного уровня специфичны для каждого устройства. Такой подход позволяет шине IEEE 1394 действовать как система "узел-узел" (peer-peer) в отличие от подхода клиент-сервер в шине USB. В результате системе IEEE 1394 не требуется ни обслуживающий хост, ни РС.
Асинхронная передача является традиционным способом передач данных между компьютерами и периферийными устройствами. Здесь данные передаются в одном направлении и сопровождаются последующим подтверждением источнику. В асинхронной передаче данных упор сделан на доставку, а не на производительность. Передача данных гарантирована и поддерживаются повторные передачи (retries). Изохронная передача данных обеспечивает поток данных с предопределенной скоростью, поэтому приложение может обрабатывать их с учетом временных соотношений. Это особенно важно для критичных во времени мультимедийных данных, когда доставка точно во времени (just-in-time delivery) устраняет необходимость в дорогом буферировании. Изохронные передачи данных работают по принципу широкого вещания (broadcast), когда одно или несколько устройств могут "прослушивать" (listen) передаваемые данные. По шине IEEE 1394 можно одновременно передавать несколько каналов (до 63) изохронных данных. Так как изохронные передачи могут занимать максимум 80% пропускной способности шины, остается достаточная полоса пропускания и для дополнительных асинхронных передач.
Масштабируемая архитектура шины IEEE 1394 и гибкая топология делают ее идеальной для подключения высокоскоростных устройств: от компьютеров и жестких дисков до цифрового аудио- и видеооборудования. Устройства можно подключать в виде шлейфной или древовидной топологии. Рисунок слева показывает две отдельные рабочие области, соединенные мостом шины IEEE 1394. Рабочая область #1 состоит из видеокамеры, РС и видеомагнитофона, которые все соединены через IEEE 1394. РС также подключен к физически удаленному принтеру через повторитель 1394, который увеличивает расстояние между устройствами, усиливая сигналы шины. На шине IEEE 1394 допускается до 16 "скачков" (hops) между любыми двумя устройствами. Размножитель (splitter) 1394 используется между мостом и принтером, чтобы предоставить еще один порт для подключения моста шины IEEE 1394. Размножители обеспечивают для пользователей большую гибкость топологии.
Рабочая область #2 содержит на сегменте шины 1394 только РС и принтер, а также соединение с мостом шины. Мост изолирует трафик данных внутри каждой рабочей области. Мосты шины IEEE 1394 допускают передавать выбранные данные из одного сегмента шины в другой. Поэтому PC #2 может запросить изображения от видеомагнитофона в рабочей области #1. Так как кабель шины передает и питание сигнальный интерфейс PHY всегда с питанием и данные передаются даже в том в том случае, если PC #1 выключен.
Каждый сегмент шины IEEE 1394 допускает подключение до 63 устройств. Сейчас каждое устройство может находиться на расстоянии до 4.5 м; большие расстояния возможны как с повторителями, так и без них. Усовершенствования кабелей позволят разносить устройства на большие расстояния. С помощью мостов можно объединять более 1000 сегментов, что обеспечивает значительный потенциал для расширения. Еще одно достоинство состоит в возможности выполнять транзакции с разными скоростями по одному носителю для устройства. Например, некоторые устройства могут работать со скоростью 100 Мб/с, а другие - со скоростями 200 Мб/с и 400 Мб/с. Разрешается горячая замена (подключение или отключение устройств) на шине даже тогда, когда шина полностью работает. Автоматически распознаются изменения в топологии шины. Благодаря этому становятся ненужными коммутаторы адресов и другие вмешательства пользователя для реконфигурирования шины.
Благодаря технологии передачи пакетов шину IEEE 1394 можно организовать так, как если бы между устройствами распределено пространство памяти, или как будто устройства находятся в слотах на материнской плате. Адрес устройства состоит из 64 битов, причем 10 битов отводятся для идентификатора сети, 6 битов для идентификатора узла и 48 битов для адресов памяти. В результате можно адресовать 1023 сети из 63 узлов, причем каждый имеет память 281 ТБ. Адресация памяти, а не каналов, считает ресурсы регистрами или памятью, к которым можно обратиться с помощью транзакций процессор-память. Все это обеспечивает простую сетевую организацию; например, цифровая камера может легко передать изображения прямо в цифровой принтер без компьютера-посредника. Шина IEEE 1394 показывает, что РС теряет свою доминирующую роль по объединению среды и его можно считать очень интеллектуальным узлом.
Необходимость использования двух микросхем вместо одной делает периферийные устройства для шины IEEE 1394 более дорогими по сравнению с устройствами для SCSI, IDE или USB, поэтому она не годится для медленных устройств. Однако ее достоинства для высокоскоростных приложений, например цифрового видеоредактирования, превращает шину IEEE 1394 в основной интерфейс для бытовой электроники.
Несмотря на достоинства шины IEEE 1394 и появление в 2000 г. материнских плат
со встроенными контроллерами этой шины, будущий успех FireWire не гарантирован.
Появление спецификации USB 2.0 значительно усложнило ситуацию.
Спецификация USB 2.0
В разработке этой спецификации, ориентированной на поддержку высокоскоростных периферийных устройств, принимали участие компании Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC и Philips. В феврале 1999 г. было объявлено о повышении существующей производительности в 10 - 20 раз, а в сентябре 1999 г. по результатам инженерных исследований оценки были повышены до 30 - 40 раз по сравнению с USB 1.1. Высказывались опасения, что при такой производительности шина USB навсегда "похоронит" шину IEEE 1394. Однако по общему мнению эти две шины ориентируются на различные применения. Цель USB 2.0 состоит в том, чтобы обеспечить поддержку всех современных и будущих популярных периферийных устройств РС, а шина IEEE 1394 ориентирована на подключение бытовых аудио- и видео-устройств, например цифровых видеомагнитофонов, DVD и цифровых телевизоров.
Согласно USB 2.0 пропускная способность повышается с 12 Мб/с до 360-480 Мб/с. Ожидается, что шина USB 2.0 будет совместима с USB 1.1, что обеспечит пользователям безболезненный переход к новой шине. Для нее будут разработаны новые скоростные периферийные устройства, которые расширят диапазон применений РС. Скорости 12 Мб/с вполне достаточно для таких устройств, как телефоны, цифровые камеры, клавиатура, мышь, цифровые джойстики, ленточные накопители, накопители на гибком диске, цифровые динамики, сканеры и принтеры. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит функциональность периферийных устройств, обеспечивая поддержку камер с высокой разрешающей способностью для видеоконференций, а также скоростных сканеров и принтеров следующего поколения.
Существующие периферийные устройства для USB будут без изменений работать в
системе с шиной USB 2.0. Таким устройствам, как клавиатура и мышь, не требуется
повышенная пропускная способность USB 2.0 и они будут работать как устройства
USB 1.1. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит диапазон
периферийных устройств, которые можно будет подключать к РС, а также позволит
большему числу USB-устройств разделять имеющуюся пропускную способность шины
вплоть до архитектурных пределов шины USB. Обратная совместимость USB 2.0 с USB
1.1 может стать решающим преимуществом в борьбе с шиной IEEE 1394 за интерфейс
потребительских приборов.
Стандарт DeviceBay
DeviceBay представляет собой новый стандарт, который разработан вслед за стандартами шин IEEE 1394 и USB. Эти шины допускают подключение и отключение устройств "на лету", т.е. в процессе работы РС. Такая возможность горячей замены (hot swap, hot plug) потребовала нового специального соединения между устройствами и ответом на это требование стал стандарт DeviceBay. Он стандартизует отсеки, в которые можно вставлять жесткие диски, накопители CD-ROM и другие устройства. Монтажная рама устанавливается без инструментов и в процессе работы РС. Если стандарт DeviceBay получит широкое распространение, он покончит с плоскими кабелями внутри корпуса РС. Весь РС можно оформить в виде модульной конструкции, в которой все модули подключаются к шинам USB или FireWire как устройства DeviceBay. При этом устройство можно будет свободно перемещать между РС и другими домашними приборами.
Стандарт DeviceBay рассчитан на подключение таких устройств, как накопители Zip, накопители CD-ROM, ленточные накопители, модемы, жесткие диски, считыватели PC-карт и др.
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.
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.
Шины персонального компьютера
Средний процент в баллах: 100%
всего голосов: 1
среднее: 5
Помогая проекту BEST-EXAM, вы делаете образование более доступным для каждого человека, внесите и вы свой вклад -
поделитесь этой статьей в социальных сетях!
Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.
Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.
- Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
- Шина AGP . Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
- Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI . Шина PCI-Expres - это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение - 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
- Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
- Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI - компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
- Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.
Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser (CNR). Подобные специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выполнение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являются универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к какой-либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как стандартные, так и расширенные системные платы, не резервируя на них место для установки дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъемы AMR/CNR имеют узкоспециализированное назначение.
В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем, например hub-интерфейса и шины LPC. Hub-интерфейс представляет собой четырехтактную (4x) 8-разрядную шину с рабочей частотой 66 МГц, которая используется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях. Некоторые современные наборы микросхем для рабочих станций и серверов, а также последняя серия 9xx от Intel для настольных компьютеров используют более быстродействующие версии этого hub-интерфейса. Сторонние производители наборов микросхем системной логики также реализуют свои конструкции высокоскоростных шин, соединяющих отдельные компоненты набора между собой.
Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 16,67 Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значительно меньше контактов. Она позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.
Набор микросхем системной логики можно сравнить с дирижером, который руководит оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к собственной шине.
- Шины ISA, EISA, VL-Bus и MCA в современных конструкциях системных плат не используются. Мбайт/с. Мегабайт в секунду.
- ISA. Industry Standard Architecture (архитектура промышленного стандарта), известная также как 8-разрядная PC/XT или 16разрядная AT-Bus.
- LPC. Шина Low Pin Count (шина с малым количествомконтактов).
- VL-Bus. VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus (расширение ISA).
- MCA. MicroChannel Architecture (микроканальная архитектура) (системы IBM PS/2).
- PC-Card. 16-разрядный интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). CardBus. 32-разрядная шина PC-Card.
- Hub Interface. Шина набора микросхем Intel серии 8xx.
- PCI. Peripheral Component Interconnect (шина взаимодействия периферийных компонентов).
- AGP. Accelerated Graphics Port (ускоренный графический порт).
- RS-232. Стандартный последовательный порт, 115,2 Кбайт/с.
- RS-232 HS. Высокоскоростной последовательный порт, 230,4 Кбайт/с.
- IEEE-1284 Parallel. Стандартный двунаправленный параллельный порт.
- IEEE-1284 EPP/ECP. Enhanced Parallel Port/Extended Capabilities Port (параллельный порт с расширенными возможностями).
- USB . Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина).
- IEEE-1394. Шина FireWire, называемая также i.Link.
- ATA PIO. AT Attachment (известный также как IDE) Programmed I/O (шина ATA с программируемым вводом-выводом).
- ATA-UDMA. AT Attachment Ultra DMA (режим Ultra-DMA шины ATA).
- SCSI. Small Computer System Interface (интерфейс малых компьютерных систем).
- FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
- EDO. Extended Data Out (расширенный ввод-вывод).
- SDRAM. Synchronous Dynamic RAM (синхнонное динамическое ОЗУ).
- RDRAM. Rambus Dynamic RAM (динамическое ОЗУ технологии Rambus).
- RDRAM Dual. Двухканальная RDRAM (одновременное функционирование).
- DDR-SDRAM. Double-Data Rate SDRAM (SDRAM с удвоенной скоростью).
- CPU FSB. Шина процессора (или Front-Side Bus).
- Hub-интерфейс. Шина набора микросхем Intel 8xx.
- HyperTransport. Шина набора микросхем AMD.
- V-link. Шина набора микросхем VIA Technologies.
- MuTIOL. Шина набора микросхем SiS.
- DDR2. Новое поколение памяти стандарта DDR.
Для повышения эффективности во многих шинах в течение одного такта выполняется несколько циклов передачи данных. Это означает, что скорость передачи данных выше, чем это может показаться на первый взгляд. Существует достаточно простой способ повысить быстродействие шины с помощью обратно совместимых компонентов.
Служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на мат. плате. ПУ подключается к шине через контроллеры (открытая архитектура). передача информации по сист. шине осущ-ся по тактам.
Сист. шина включает в себя:
Кодовую шину данных для //-ой передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно (64 разряда)
Кодовую шину адреса ячейки ОЗУ (32 разряда)
Кодовую шину инструкций (команд и управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ (32 разряда)
Шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания
Сист. шина обеспечивает 3 направления передачи информации: -между МП и ОЗУ; -между МП и контроллером устройств; -между ОЗУ и Внеш Устр-вами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти)
Все устройства подключаются к сист. шине через контроллеры -- устр-ва, обеспечивающие взаимодействие ВУ и сист. шины.
Для освобождения МП от управления обменом информацией между ОЗУ и ВУ предусмотрен режим Прямого доступа в память (DMA - direct memory access).
Характеристики сист. шины: кол-во обслуживаемых ею устройств и пропускная способность, т.е. макс. возможная скорость передачи информации.
Пропускная способность шины зависит от:
Разрядности шины (или ширины) - кол-во бит, кот. м.б. передано по шине одновременно (сущ-ют 8,16,32, и 64-рязрядные шины);
Тактовой частоты шины - частоты, с кот. передаются биты информации по шине.
Основные характеристики шин:
PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:
- Plug and Play (PnP ) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;
- Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.
AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.
Основные характеристики шинЛекция 5
18. Память эвм и ее характеристики и назначение. Пзу, озу, взу. Организация и физическое представление данных в эвм.
Постоянное и оперативное ЗУ.
ЗУ в ЭВМ состоят из последовательности ячеек, каждая из которых содержит значение 1-ого байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранятся в двоичном виде (0,1).
ЗУ характеризуется 2-мя параметрами:
Объем памяти - размер в байтах, доступных для хранения информации
Время Доступа к ячейкам памяти - средний временной интервал в течении кот. находится требуемая ячейка памяти и из нее извлекаются данные.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается. (В ЭВМ на базе процессоров Intel Pentium используется 32-разрядная адресация. Т.е число адресов 2 32 , то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 10 6 мкс.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM – Read Only Memory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.
Энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), в которой хранятся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOS RAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOS RAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.
ПЗУ и память CMOS RAM составляют базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System).
Внешние ЗУ. ВЗУ для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с сист. шиной через контроллеры ВЗУ (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и сист. шины в режиме прямого доступа к памяти, т.е. без участия МП. ИНТЕРФЕЙС -- это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.
ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на ПЕРЕНОСНЫЕ и СТАЦИОНАРНЫЕ. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключ-ого к порту вв/вывода (обычно ЮСБ), (флеш-память) или носителя и привода (накопители на ГМД, приводы СиДи и ДВД). В стационарных ВЗУ носитель и привод объединены в единое устройство (НЖМД). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.
Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо ОТФОРМАТИРОВАТь - записать на носитель служебную информацию.
Основные Технические Характеристики ВЗУ
Информационная емкость определяет наибольшее кол-во ед. данных, кот может одновременно хранить в ВЗУ (зависит от площади объема носителя и плотности записи.)
Плотность записи - число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), и поперечную плотность.//
Время доступа - интервал времени от момента запроса (чтения или записи) до момента выдачи блока (включая время поиска инфции на носителе и время чтения или записи.)
Скорость передачи данных определяет кол-во данных, считываемых или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя, плотности записи, числа каналов и тп.
Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.
Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.
Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).
Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.
Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.
Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.
Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, бо льшее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.
Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле
тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.
Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.
100 * 64 = 6400 Мбит/сек;
6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.
Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.
Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода–вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.
В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.
Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.
ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.
EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) - Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.
В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования - поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.
Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.
На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.
Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.
Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.
Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.
Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.
Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.
Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.
Чипсет
Как уже можно было убедиться на примере системной и локальных шин, материнская плата является довольно сложным устройством и включает следующий важный компонент – чипсет. От чипсета напрямую зависят все основные характеристики материнской платы, а следовательно, и конструируемой на ее базе компьютерной системы.
Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.
Чипсет – это набор микросхем системной логики (называют сокращенно НМС или МСЛ). Общеизвестно, что персональный компьютер состоит из некоторого количества устройств, которые так или иначе подключены к материнской плате и занимаются тем, что принимают, обрабатывают и передают какую-либо информацию. Логической организацией всей этой работы и занимаются чипсеты. На первых поколениях ПК, когда НМС еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы отдельных устройств, что было крайне неудобно. Вот некоторые из них: контроллеры прерываний, контроллер прямого доступа, контроллер клавиатуры, часы, системный таймер, контроллер шин и прочее и прочее. Такое положение просуществовало до 1986 года, когда фирма Chip and Technologies предложила поистине революционное решение. Микросхема называлась 82С206 и стала основной частью набора микросхем системной логики. Она выполняла такие функции, как:
Контроллер шин;
Генератор тактовой частоты;
Системный таймер;
Контроллер прерываний;
Контроллер прямого доступа к памяти;
С появлением процессора i80486 отдельные микросхемы стали объединять в одну–две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, - это одна или чаще всего две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера.
С появлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами - так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный - с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это - двухмостовая схема.
В северный мост чипсета традиционно включены контроллер оперативной памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета может содержать дополнительные линии PCI Express x1 для организации взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий интерфейс.
На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB-контроллер, сетевой контроллер, контроллер PCI-шины и PCI-Express-шины, контроллер прерывания и DMA-контроллер. Также в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер, и в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека. Кроме того, южный мост соединяется с еще двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM-памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и за флоппи-дисковод.
Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется специальная выделенная шина, причем разные производители используют для этого разные шины (с различной пропускной способностью):
· Intel- DMI (Direct Media Interface),
· VIA Technologies (основной производитель для процессоров AMD)-V-Link;
· SiS (Silicon Integrated System Corporation) - MuTIOL;
· ATI- HyperTransport, PCI Express;
· NVIDIA- HyperTransport.
Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста, хотя более правильным является указание именно совокупности северного и южного мостов, поскольку во многих случаях один и тот же северный мост чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.
Выбор чипсетов на сегодня очень велик. И если процессоры выпускают всего две компании – Intel и AMD–, то чипсеты производят и Intel, и VIA, и SiS, и NVIDIA, и ATI, и ULi.
Рассмотрим некоторые особенности современных чипсетов компании Intel. Сегодня компания Intel выпускает весьма разнообразный спектр чипсетов для процессоров Intel Pentium D, Intel Pentium 4 и Intel Celeron D. В 2004–2005гг. применялось семейство Intel 915, Intel 925, в 2006 г. – Intel 945. Вместе с новыми процессорами Intel Pentium Extreme Edition 8хх и Intel Pentium D компания Intel представила и новый чипсет Intel 955X Express (кодовое название Glenwood). Все отмеченные чипсеты предназначены для корпуса микропроцессора LGA775.
Чипсет Intel 955X Express является на сегодня старшей моделью и логическим продолжением чипсетов серии Intel 945, Intel 925X Express. Он может поддерживать двухъядерный процессор Intel Pentium Extreme Edition 8хх с частотой FSB 800 МГц или одноядерный процессор Intel Pentium 4 Extreme Edition c частотой FSB 1066 МГц и обычные процессоры Intel Pentium 4. Для процессора Intel Pentium D предназначен чипсет Intel 945X Express. А теперь перечислим основные особенности набора системной логики Intel 955X Express (рис. 10) по сравнению с предыдущими сериями.
Контроллер памяти этого чипсета поддерживает память DDR2-667 в двухканальном режиме, а шина памяти имеет пропускную способность 8,5 Гбайт/с. Всего поддерживается до 8 Гбайт памяти, причем реализована поддержка памяти с ECC. Кроме того, в контроллере памяти реализована технология оптимизации производительности памяти (Performance Memory Optimizations).
Для совместимости с процессорами Intel Pentium 4 Extreme Edition частота FSB может быть как 800, так и 1066 МГц. Особенностью северного моста чипсета Intel 955X Express является также поддержка двух графических шин с внешним мостом, обеспечивающим два физических слота PCI Express x16. Южный мост чипсета ICH7 - это новая версия уже хорошо знакомого контроллера ввода-вывода ICH6. Среди функциональных особенностей - поддержка четырехканального SATA RAID-контроллера, восьмиканального аудиоформата Intel High Definition Audio, PCI-шины и шести слотов шины PCI Express x1.
Чипсеты разрабатываются под конкретные поколения процессоров и конкретные модели процессоров. Так, например, компании VIA Technologies, NVIDIA, SiS в большей степени разрабатывают чипсеты для процессоров AMD. А фирма Intel, естественно, работает на собственный модельный ряд Pentium 4. Основные характеристики чипсетов Intel отражены в табл. 5. Как видно, чем старше модельный ряд, тем большие возможности по производительности и функциональности заложены в них. Поддержка высокоскоростных шин (FSB 800/1066 МГц), современный процессорный разъем (LGA 775), быстрая и большой емкости памяти (DDR2), увеличенное количество USB портов, высокоскоростные интерфейсы винчестера (SATA II) и другие.
Рис. 10. Структурная схема чипсета Intel 955X Express
BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода–вывода) - это встроенное в компьютер на чипе программное обеспечение, которое ему доступно на первом этапе без обращения к диску. Оно представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, в частности необходимых для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и называемой «холодной» загрузке) и сбросе («горячей» загрузке) системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода–вывода, настраивает чипсет и передает управление загрузчику операционной системы. Образец микросхемы BIOSа представлен на рис. 11.
Рис. 11. Микросхема BIOSа компании American Megatrends Inc (AMI).
Таблица 5
Основные характеристики чипсетов для микропроцессоров Intel
По сути дела, BIOS – это набор драйверов (драйвер – программа управления устройством), обеспечивающих работу системы при запуске компьютера или при загрузке в безопасном режиме. При включении питания компьютера еще до загрузки операционной системы можно управлять им с клавиатуры, видеть все действия на мониторе. Кроме этого, если загрузка происходит в безопасном режиме, то осуществляется отказ от драйверов операционной системы и в работе остаются только драйвера BIOS.
При работе под операционными системами DOS и Windows 9x BIOS также управляла основными устройствами, то есть выступала посредником между операционной системой и аппаратурой компьютера. При работе под Windows NT/2000/XP, разновидностями UNIX, OS/2 и другими альтернативными ОС BIOS практически не используется, выполняя лишь начальную проверку и настройку.
BIOS состоит из следующих частей:
1. POST (Power On Self Test) - программа, ответственная за тестирование аппаратных средств компьютера при включении питания.
2. System Setup - программа настройки системы.
3. Набор программ для управления работой аппаратуры ПК.
BIOS, вообще говоря, уникален для каждой модели материнской платы компьютера, то есть он разрабатывается с учетом особенностей функционирования той комбинации оборудования, которая характерна именно для данной модели.
BIOS для современных системных плат разрабатывается чаще всего одной из специализирующихся на этом фирм - Award Software (поглотившей Phoenix Technology – одного из самых известных в прошлом производителей BIOS), American Megatrends Inc. (AMI ), Microid Research. В настоящее время наиболее популярен Award BIOS. Некоторые производители материнских плат - Intel, IBM или Acer - сами разрабатывают BIOS для своих плат. Они или существенно расширяют набор настроек или (как в случае с Intel), наоборот, ограничивают количество настроек только минимально необходимыми.
Первоначально BIOS размещалась в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство - ROM, Read-Only Memory: только для чтения), размещенной на материнской плате компьютера. Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступной, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться с других носителей. Поскольку доступ к оперативной памяти осуществляется значительно быстрее, чем к ПЗУ, производители компьютеров создавали системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ПЗУ в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется теневой памятью.
Во всех современных платах BIOS хранится в электрически перепрограммируемых ПЗУ (Flash ROM), которые допускают перепрошивку BIOS средствами самой платы при помощи специальной программы. Это позволяет исправлять заводские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вносить другие изменения, обновлять BIOS под новые материнские платы или компоненты компьютера.
Однако кроме явных плюсов в этой технологии есть и слабые стороны. Например, в настоящее время существует группа вирусов, которые, пользуясь возможностью изменять содержимое BIOS, стирают или изменяют его и таким образом делают компьютер неработоспособным. Из-за неправильного или отсутствующего BIOSа компьютер отказывается загружаться. Исправить такую ситуацию можно только в сервисном центре, где в специальном устройстве - программаторе - на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS. Например, известный вирус «Чернобыль», эпидемия которого была 26 апреля 1999 г., уничтожил миллионы BIOS по всему миру. После этой эпидемии некоторые производители стали снабжать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В случае повреждения основной копии загружается содержимое резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются достаточно редко.
Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS RAM. CMOS RAM называется так потому, что она выполнена на основе CMOS-структур (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые отличаются малым энергопотреблением. CMOS-память является энергонезависимой только потому, что постоянно подпитывается от аккумулятора, расположенного на системной плате. В то время, когда компьютер включен, CMOS RAM питается от блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM настолько мало, что даже при выключенном компьютере и отсутствующей батарее ее содержимое может сохраняться более суток только за счет остаточных зарядов на конденсаторах блока питания.
В CMOS RAM хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т. д. В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также разряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность воспользоваться настройками по умолчанию.
Общий принцип, которого следует придерживаться: если компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его работе, связанных с BIOS, не выявлено, то обновлять BIOS не следует.
Однако существуют ситуации, когда обновление BIOS необходимо. Обычно это выход нового процессора, поддержка которого не была заложена в прежней версии. Прежде чем устанавливать новую версию, нужно отправиться на сайт технической поддержки фирмы-производителя системной платы, прочитать спецификации новой версии BIOS и при необходимости скачать их, удостоверившись, что эта версия исправляет именно те недостатки, которые были выявлены в вашем компьютере.
При включения компьютера на процессор подается напряжение питания, и он «просыпается». Первыми прочитанными процессором командами являются инструкции из чипа BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы). Первым запускается POST - программа самотестирования. POST выполняет следующие шаги:
· инициализирует системные ресурсы и регистры чипсетов, систему управления электропитанием;
· определяет объем оперативной памяти (RAM) и тестирует ее;
· инициализирует видеоадаптер;
· включает клавиатуру;
· тестирует последовательные и параллельные порты;
· инициализирует дисководы и контроллеры жестких дисков;
· отображает итоговую системную информацию.
Все эти действия скоротечно отображаются на экране монитора (в черно-белом варианте) и их можно проследить и даже проанализировать, нажав клавишу «Pause».
В процессе работы BIOS сравнивает данные текущей системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS, и при необходимости обновляет ее. Если при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS информирует об этом сообщениями на экране монитора, а если это невозможно (например, еще не был проинициализирован видеоадаптер), выдает звуковые сигналы через системный динамик. Количество гудков соответствует кодам ошибки, которые можно узнать из документации. Некоторые системные платы снабжаются жидкокристаллическим индикатором, где отображаются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших ошибок.
После того как все POST-задания завершены, BIOS приступает к поиску программы-загрузчика. Современные версии BIOS позволяют загружать операционную систему не только с флоппи-дисководов и жесткого диска, но и с привода CD-ROM, ZIP-устройств или Flash накопителей. Программа-загрузчик обычно располагается в первом секторе диска (винчестера), на котором размещена операционная система. Порядок перебора дисков при поиске загрузчика задается в настройках BIOS. Если загрузчик найден, он помещается в память и ему передается управление. После этого он находит и помещает в память собственно программу загрузки операционной системы (operation system loader), которая загружает, инициализирует и конфигурирует операционную систему и драйвера устройств. И уже в завершение, когда операционная система загружена, все управление передается ОС Windows, а затем запускаются другие программы, и в первую очередь из папки «Автозагрузка».
Как уже говорилось ранее, в системах под управлением DOS или Windows 9х BIOS берет на себя роль управления аппаратной частью ПК и служит посредником между операционной системой и оборудованием.
BIOS реализует свои функции через систему прерываний программного обеспечения. Прерывания программного обеспечения приводят к тому, что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке прерывания.
Проблема BIOS в том, что ограниченным числом подпрограмм невозможно оптимальным образом накрыть все потребности программного обеспечения и все особенности работы оборудования. Таким образом, использование подпрограмм BIOS не всегда является благом. В частности, эти подпрограммы реализуют некоторые функции компьютера очень медленно. Другим отрицательным моментом является то, что BIOS не позволяет полностью использовать возможности имеющегося оборудования, например его возможности, которые были реализованы после написания BIOS. Поэтому все современные операционные системы, обладая развитой системой обнаружения, конфигурирования и работы с аппаратным обеспечением компьютеров посредством драйверов, не пользуются услугами BIOS.
В будущем ряд производителей системных плат намерены отказаться от использования BIOS. Например, Intel разрабатывает ряд технологий, которые позволят перераспределить функции BIOS между чипсетом и расширениями операционной системы и избавиться от самой старой из доживших до наших дней части ПК.
Полное название BIOSа – ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input/Output System – только для чтения основная система ввода–вывода). На начальных этапах развития персональных компьютеров BIOS кратко назвали ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство). ПЗУ является связующим звеном, между операционной системой и железом. Не будь ROM BIOS, то операционная система была бы привязана к аппаратным средствам (как это и было практически на всех моделях микро-ЭВМ) и полностью бы от них зависела. Поскольку операционные системы имеют единый интерфейс для работы с различной аппаратурой, то проблем в несовместимости hardware и software, как правило, не происходят, так как между ними как раз и стоит BIOS. Напомним, что в компьютерном мире по принятой терминалогии hardware – это аппаратная часть компьютера, а software – программное обеспечение. Все это может выглядеть примерно так (рис.12):
Рис. 12. Роль BIOSа в создании единого аппаратно-программного комплекса
Каждая материнская плата оснащена микросхемой BIOS, которых существует четыре типа:
1. ROM (Read Only Memory) или ПЗУ;
2. PROM (Programmable ROM) или ППЗУ (Программируемое ПЗУ);
3. EPROM (Erasable PROM) или СППЗУ (Стираемое ППЗУ);
4. EEPROM (Electrically EPROM) или ЭСППЗУ (Электронное – Стираемое ППЗУ), второе название – flash ROM.
ROM. Первые ПЗУ представляли собой матрицу, на которой был выжжен код программы. Матрица представляла собой кремниевый кристалл. Перезаписать данные не представлялось возможным. Эта технология продержалась не слишком долго.
PROM. В конце 70-х годов фирма Texas Instruments разработала впервые программируемое ПЗУ. Первое ППЗУ имело емкость до 2 Мбайт. Запись на микросхему PROM можно сделать один раз. Но в отличие от ПЗУ, ППЗУ можно было запрограммировать в домашних условиях. Нужно было лишь купить новую ИС и иметь дома программирующее устройство, подключенное к компьютеру. Микросхемы ППЗУ имели свои идентификационные номера по которым можно было определить тип ППЗУ и объем в Кбайтах.
EPROM. На новых микросхемах имелось кварцевое окошко, довольно дорогое. Через окошко под воздействием ультрафиолетовых лучей возникала химическая реакция, которая восстанавливала ячейки. Для стирания записанной информации применялось специальное устройство. По физическим и функциональным параметрам микросхемы EPROM особо не отличались от PROM.
EEPROM. Основное преимущество этих микросхем заключается в том, что для перепрограммирования не требуется их снятия с материнской платы и не требуется никакого дополнительного оборудования. Уже с 1994 года почти все системные платы оснащаются flash ROM, а на данный момент времени другого BIOS на современной материнской плате не встретишь.
