Общие сведения. Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства компьютера

Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства компьютера, называется шиной (Bus).

Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Обычно шина имеет разъемы для подключения внешних уст­ройств, которые в результате сами становятся частью шины и мо­гут обмениваться информацией со всеми другими подключенны­ми к ней устройствами.

Шины в PC различаются по своему функциональному назна­чению:

• Системная шина (или шина CPU) используется микросхе­мами Chipset для пересылки информации к CPU и обратно.

• Шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью.

• Шина памяти используется для обмена информацией меж­ду оперативной памятью и CPU.

• Шины ввода/вывода 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 Chipset. В настоящее время в качестве этой шины используется шина PCI. Ранее применялись шины ISA и VLB. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производи­тельности PC при обработке трехмерных изображений корпора­цией Intel была разработана шипа AGP. Фактически шина AGP является портом, так как она предназначена для обмена инфор­мацией между несколькими устройствами (обычный порт - только между двумя устройствами).

Стандартная шина ввода/вывода используется для подклю­чения к вышеперечисленным шинам более медленных уст­ройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуко­вых карт).

Этим списком не исчерпывается весь набор шин PC. В зависи­мости от своего функционального назначения современные PC могут быть оборудованы такими шинами, как USB, SCSI, FireWire, которые устанавливаются в слоты расширения или интегрирова­ны в материнскую плату. Их работу обеспечивает соответствую­щий контроллер.

Назначение линий шины.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реали­зовать важнейшие ее свойства: возможность параллельного под­ключения практически неограниченного числа внешних уст­ройств и обеспечение обмена информацией между ними.

Архитектура любой шины включает следующие компоненты:

• Линии для обмена данными (шины данных).

• Линии для адресации данных (шины адреса).

• Линии для управления данными (шины управления).

• Контроллер шины. Контроллер шины осуществляет управление процессом обме­на данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо интегрируется в микросхемы Chipset.

Шина данных. По этой шине происходит обмен данными меж­ду CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью. Особую роль при этом играет так называемый режим DMA (Direct Memory Access). Управление обменом данными в этом режиме осу­ществляется соответствующим контроллером, минуя CPU.

Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и выше произ­водительность PC.

Компьютеры с процессором 80286 имели 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 - 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium имеют уже 64-разрядную шину данных.

Шина адреса. Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент PC, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. Для адресации к какому-либо устройству PC и служит шина адреса, по которой передается уникальный идентификационный код (адрес).

Для ускорения обмена данными используется устройство про­межуточного хранения данных - RAM, при этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в нем. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа ли­ний) и тем самым от максимально возможного количества адре­сов, генерируемых процессором на адресной шине, иными слова­ми, от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес.

В двоичной системе счисления выражение для определения максимально адресуемого объема памяти выглядит следующим образом:

Объем адресуемой памяти =2^п, где п - число линий шины адреса. Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, та­ким образом, адресовать память объемом (2²⁰ = 1 048 576 байт = 1024 Кбайт).

Шина управления. Для успешной передачи данных недостаточ­но установить их на шине данных и задать адрес на шине адреса. Для того, чтобы данные были записаны (считаны) в регистры уст­ройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине ад­реса, необходим ряд служебных сигналов: записи/считывания, го­товности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера DMA и др. Все эти сигналы передаются по шине управ­ления.

Основные характеристики шины.

Разрядность шины. Важнейшей характеристикой шины явля­ется разрядность («ширина» шины), которая определяется коли­чеством данных, параллельно «проходящих» через нее.

Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать лишь 8 бит. Шина ISA- 16-разрядная, а шины ввода/вывода VLB и PCI - 32-разрядные. Системные шины современных PC на базе процессоров пятого и шестого поколения - 64-разрядные.

Второй характеристикой ши­ны является пропускная способность, которая определяется ко­личеством бит информации, передаваемых по шине за секунду.

Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяет­ся так:

(16 бит х 8,33 МГц) : 8 = (133,28 Мбит/с) : 8 = 16,66 Мбайт/с.

Внешние устройства к шинам подключаются по­средством интерфейса. Под интерфейсом (Interface-сопряже­ние) понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства PC, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. Интерфейс - это электрические и временные параметры, на­бор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конст­руктивные особенности подключения. При этом обмен данными между компонентами PC возможен только в случае совместимости их интерфейсов.

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов PC, 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 (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигается за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последователь­ной и параллельной передачи данных, необходимые для работы на­иболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Шины ввода/вывода.

Шина ISA. Шина ISA долгие годы являлась стандартом в обла­сти PC (Industry Standart Architecture, ISA - промышленная стандартная архитектура) и считается самой «старой» в семействе шин, однако до сих пор используется даже в новейших моделях PC. Основная проблема шины ISA состоит в том, что при оптималь­ной тактовой частоте процессоров 80386 и 80486 она является как бы «горлышком бутылки», поскольку данные не могут передавать­ся по шине с той же скоростью, с какой их обрабатывает CPU. По­этому процессор в ожидании данных вынужден простаивать (цикл ожидания). Это и обусловило появление шин других стандартов.

Для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами бы­ли разработаны локальные шины VESA, PCI и др.

Шина PCI. Шипа PCI (Peripheral Component Interconnect) была разработана фирмой Intel для своего нового высокопроизводи­тельного процессора Pentium. Шина PCI - это не дальнейшее развитие шины ISA, а совершенно новая шина.

Основополагающим принципом, положенным в основу шипы PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), кото­рые осуществляют связь между шиной РС1 и другими шинами.

Важной особенностью шины PCI является то, что в ней 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. При таком подходе центральный процессор освобождается для выполнения других задач, пока происходит передача данных.

Основное преимущество PCI-технологии заключается в отно­сительной независимости отдельных компонентов системы. В со­ответствии с концепцией PCI передачей пакета данных управля­ет не CPU, а включенный между ним и шиной PCI мост (Host Bridge Cashe/DRAM Controller). Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись данных в RAM (или их считывание) либо обмен данными между двумя любыми компо­нентами системы.

Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т. е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анали­зировать конфигурации системы.

Чтобы ускорить ввод/вывод данных на видеоадаптер, не меняя уже сложившийся стандарт на шину PCI, и, кроме того, увели­чить производительность PC при обработке трехмерных изобра­жений без установки специализированных дорогостоящих двух­процессорных видеоадаптеров, в 1997 г. фирмой Intel был разработан стандарт на шину AGP. AGP является каналом пере­дачи данных между видеоадаптерами RAM. AGP - это высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы.

Шина USB. Спецификация периферийной шины USB (Universal Serial Bus) была разработана фирмами - лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности - Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC и др, для подключения пе­риферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по ши­не USB составляет 12 Мбит/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подсое­динять периферийные устройства (клавиатуру, мышь, джой­стик, принтер и др.), не выключая питание. Как только устрой­ство будет подключено, автоматически осуществляется его конфигурирование. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к PC через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концен­тратором, с помощью которого к PC можно подключить до 127 периферийных устройств.

Для использования шины USB под управлением операцион­ных систем Windows 95/98/2000 разработаны специальные драйверы.

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

В отличие от рассмотренных выше шин шина SCSI реализована в виде кабельного шлейфа. С шиной PC (ISA или PCI) шина SCSI связывается через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое уст­ройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством.

Стандарты SCSI. В настоящее время известно несколько стандартов интерфейса SCSI. Первый стандарт SCSI появился в1986 г., стандарт SCSI II был опубликован в 1994 г., и совсем не­давно был принят стандарт SCSI 3.

По типу сигналов различают линейные и дифференциальные версии SCSI. Несмотря на то, что кабели и разъемы обеих версий внешне похожи, они электрически несовместимы. Дифференциальная SCSI для каждого сигнала использует ви­тую пару проводников и специальные приемопередатчики. Она менее чувствительна к шуму и может использоваться на большее расстояние, на более высокой тактовой частоте.