Интерфейсные устройства. 
Архитектура ЭВМ и систем

Интерфейсные средства предназначены для сопряжения функциональных узлов и устройств компьютера. К ним относятся шины, конструктивные компоненты, микросхемная логика, средства сопряжения аналоговых и цифровых устройств.

Обзор шинного интерфейса

Существует определенная иерархия компьютерных шин. Это выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) выполняют функции моста между шинами.

Дадим краткий обзор шин в порядке их появления в компьютерной технике.

Шина ISA. Родоначальником в семействе шин ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) была 8-разрядная шина (8 Bit ISA Bus), которая использовалась в компьютерах класса XT. Затем появилась 16-разрядная шина, имеющая полную совместимость со своей предшественницей. Она содержала линии для дополнительных адресов ввода-вывода, прерываний и каналов прямого доступа к памяти. Шина ISA считается самой старой в семействе шин, однако она до сих пор используется, поскольку ее быстродействие удовлетворяет таким наиболее распространенным периферийным устройствам, как мышь, клавиатура, модемы, флоппидиски, ручные сканеры и т. п.

Последовательность передачи байта данных по шине ISA следующая:

• • на адресной шине выставляется адрес ячейки оперативной памяти RAM или порта устройства ввода-вывода, куда следует передать байт;
• • на линии данных выставляется байт данных,
• • по одной из линий шины управления передается сигнал записи WR (строб записи). Причем проверка записи (успели записаться данные или нет) не производится, так как тактовая частота шины ISA выбрана равной 8,33 МГц, чтобы даже самые медленные устройства гарантированно успевали производить по шине обмен данными (командами).

В спецификациях PC 98 и PC 99, разработанных корпорацией Intel совместно с Microsoft, предусматривается постепенная замена шины ISA па современные последовательные шины USB (для подключения дисководов, мыши, клавиатуры, сканера и т. д.) и IEEE 1394 (для подключения винчестеров, приводов CD-ROM и DVDROM, видеокамер и т. д.).

Появление шин других стандартов продиктовано требованием повышения быстродействия.

Шина MCA. Отличительной особенностью шины MCA (MicroChannel — микроканал) явилась повышенная пропускная способность (до 20 Мбайт/с) за счет увеличения тактовой частоты до 10 МГц и разрядности до 32 бит. Шина MCA — интеллектуальная шина, не требующая ручного конфигурирования (с помощью DIP-переключателей или джамперов) внешних устройств, установленных в ее слоты расширения. Однако архитектура MicroChannel не получила широкого распространения из-за полной несовместимости с шиной ISA.

Шина EISA. Необходимость повышения производительности системы наряду с обеспечением совместимости ее компонентов привела к дальнейшему развитию шины ISA. Под руководством ведущих изготовителей аппаратного обеспечения (Epson, Hewlett-Packard, NEC, Compaq и Wyse) появилась расширенная (Extended) версия шины ISA — EISA. Ее достоинства:

• • шина EISA является 32-разрядной, что расширило возможности использования соответствующих карт (сетевых, графических, жесткого диска и др.). Хотя шина работает с частотой 8,33 МГц, повышение ее разрядности до 32 бит дает максимальную скорость передачи данных 33 Мбайт/с;
• • шина EISA является интеллектуальной шиной с программной конфигурацией карт расширения;
• • слот EISA полностью совместим со слотом ISA.

Шина применялась для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах (компьютерах, обладающих большим объемом памяти и высокой производительностью). На системной плате устанавливалось до 6…8 слотов EISA. Из-за высокой стоимости и отсутствия в достаточном количестве карт расширения EISA шина EISA не получила широкого распространения.

Шина VESA. Локальная шина VESA (Video Electronics Standard Association), или VLB (VESA Local Bus), была разработана для связи процессора с быстрыми периферийными устройствами. Необходимость создания VLB вызвана тем, что передача видеоданных по шине ISA происходит слишком медленно. Поэтому шина VLB представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными с процессором. Обмен осуществляется под управлением контроллеров, расположенных на картах. Карты устанавливаются в слот VLB напрямую, в обход стандартной шины ввода-вывода. Шина VLB является 32-разрядной и работает на тактовой частоте процессора. Передача данных по этой шине невозможна без использования линий шины ISA, по которым передаются сигналы адресов и управления. Шину VLB полностью вытеснила более производительная шина PCI.

Шина PCI. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect — соединение периферийных компонентов) разработана фирмой Intel для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium. Она представляет собой совершенно новую шину.

Тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т. е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI работает на частоте 33 МГц.

Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими шинами. Важной особенностью шины PCI выступает способность внешнего устройства при пересылке данных самостоятельно управлять шиной без участия процессора, т. е. в ней реализован принцип, названный Bus Mastering (овладение шиной). Устройство, поддерживающее Bus Mastering, «захватывает» шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобождается для выполнения других задач, пока происходит передача данных.

Основные особенности шины PCI:

• • в шине PCI используется способ передачи данных, называемый способом рукопожатия. Он заключается в том, что в системе определяются два устройства: передающее (Initiator — инициатор) и приемное (Target — цель). Передающее устройство выставляет данные на линии данных и сопровождает их сигналом готовности (Indicator Ready). Приемное устройство записывает данные в свои регистры и подает сигнал подтверждения (Target Ready), свидетельствующий о произведенной записи данных и готовности к приему следующих. Установка сигналов готовности и подтверждения, а также чтения/записи данных производится строго в соответствии с тактовыми импульсами шины, частота которых равна 33 МГц (частоте сигнала CLK);
• • в соответствии с концепцией PCI передачей пакета данных управляет не процессор, а включенный между ним и шиной PCI мост (Host Bridge Cashe / DRAM Controller). Поэтому процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись (считывание) данных в RAM, а также при обмене данными между двумя любыми компонентами системы;
• • скорость передачи данных (или полоса пропускания шины) составляет для 32-разрядной шины 33 МГц х (32 бит: 8) = 132 Мбайт/с; для 64-разрядной — 264 Мбайт/с;
• • универсальна, или самодостаточна, поскольку системная шина и шина PCI соединены с помощью главного моста (Host Bridge). Поэтому PCI является самостоятельным устройством и может использоваться независимо от типа процессора;
• • использует принцип временного мультиплексирования, при котором данные и адреса передаются по одним и тем же линиям;
• • является интеллектуальной, т. е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug and Play (вставляй и играй), разработанной корпорацией Intel.

Существуют шины (и карты расширения) для напряжения питания интерфейсных схем 3,3 и 5 В с частотой 33 (PCI 2.0) и 33/66 МГц (PCI 2.1), разрядностью 32 и 64 бита. Шина используется для подключения устройств сопряжения: дисковых контроллеров, графических, коммуникационных, видеои других адаптеров. На системной плате может быть установлено 3 или 4 слота PCI.

Шина (порт) AGP. Новое поколение графических микросхем работает одновременно с 3-мерной графикой и видео. Одной шины PCI для пересылки графических и видеоданных недостаточно. Для того чтобы ускорить ввод-вывод данных на видеоадаптер, не меняя сложившийся стандарт на шину PCI, и, кроме того, увеличить производительность компьютеров при обработке трехмерных изображений без установки специализированных дорогостоящих двухпроцессорных видеоадаптеров, в 1997 г. фирмой Intel был разработан стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port — порт ускоренной графики). Шина AGP представляет собой высокоскоростную локальную шину ввода-вывода, предназначенную исключительно для нужд видеосистемы. Шина по сути является портом, так как связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системной памятью компьютера с помощью одного разъема (слота) AGP. Поэтому не возникает характерной для шины PCI проблемы арбитража (когда несколько устройств одновременно требуют доступа к шине), что повышает скорость обмена данными между видеоадаптером и системной памятью. Шина AGP разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной шиной. Вместе с тем у нее имеется ряд важных отличий от шины PCI, позволяющих в несколько раз увеличить пропускную способность:

• • использование более высоких тактовых частот;
• • демультиплексирование;
• • пакетная передача данных;
• • режим прямого исполнения в системной памяти.

Шина AGP предназначена для видеоадаптера. Она подключается к компоненту North Bridge или Memory Controller Hub (MCH) набора микросхем системной логики.

Шина SCSI. Шина SCSI (Small Computer System Interface — интерфейс малых компьютеров) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств (винчестеры и приводы CD-ROM SCSI, сканеры, фотои видеокамеры и др.).

В отличие от рассмотренных выше шин, шина SCSI реализована в виде кабельного шлейфа. С шиной ISA или PCI шина SCSI связывается через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается ID7. Типичные назначения ID: ID6, ID1, IDO — винчестер; ID4 — накопитель или стример; ID3 — CD-ROM; ID2 — сканер, принтер. Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством.

Шина USB. Периферийная последовательная шина USB (Universal Serial Bus — последовательный универсальный порт) предназначена для подключения периферийных устройств (клавиатуры, мыши, принтера и др.) вне корпуса персонального компьютера. Шина USB поддерживает технологию Plug and Play. Как только устройство будет подключено, автоматически осуществляется его конфигурирование. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 1,5 и 12 Мбит/с. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB. Они подключаются к компьютеру через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концентратором. С помощью выносного блока к компьютеру можно подключить до 127 периферийных устройств.

Для использования шины USB под управлением операционных систем Windows 95/98/2000, Windows NT и OS/2 Waip созданы специальные драйверы.

Шина IEEE 1394. Стандарт IEEE 1394 на высокоскоростную локальную последовательную шину разработан на основе технологии FireWire (огненный провод) фирмами Apple и Texas Instruments. Он является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3). Шина IEEE 1394 предназначена для подключения жестких дисков и устройств обработки аудиои видеоинформации. Она идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени, особенно тех из них, которые связаны с нелинейным монтажом видеофрагментов.

Шина IEEE 1394 способна передавать данные со скоростью 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (12,5, 25, 50, 100 и 200 Мбайт/с), а при работе с файлами некоторых типов — до 1 Гбит/с. Такая высокая скорость достигается за счет передачи информации в пакетном режиме. Шина использует простой 6-проводный кабель, поддерживает технологию Plug and Play, включая возможность установки и извлечения компонентов без отключения питания компьютера («горячего» подключения). Шина IEEE 1394 построена по разветвляющейся топологии и позволяет использовать до 63 узлов в цепочке. К каждому узлу можно подсоединить до 16 устройств. Кроме того, возможно дополнительно подключить до 1023 шинных перемычек, которые способны соединять более 64 000 узлов. Для передачи сигналов без искажений длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м.

Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически все устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, цифровые видеодиски (DVD), цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие высокоскоростные периферийные устройства. Такие возможности делают шину IEEE 1394 перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой [2, 10].

Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и компонентом North Bridge набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium II эта шина работает на частоте 66, 100, 133 или 200 МГц и имеет ширину 64 разряда.