Система интерфейсов компьютера

Интерфейсы компьютера по функциональному назначению разделяются на следующие виды: системная шина процессора, системная шина чипсета, группа системных шин расширения, группа локальных специализированных шин, группа периферийных или внешних интерфейсов. Указанные интерфейсы образуют систему интерфейсов компьютера, показанную на рис.7.3. В современной специальной литературе применительно к интерфейсам компьютеров термин «шина» практически вытеснил термин «магистраль». Поэтому в приведенной классификации также допущена замена этих терминов.

Центральным устройством системы интерфейсов является чипсет (chipset), состоящий из нескольких БИС, содержащих контроллеры интерфейсов, прерываний, прямого доступа к памяти и средства для их взаимосвязей. Назначение чипсета - организация взаимодействия процессора с составными компонентами компьютера.

Другими словами чипсет является связующим звеном между всеми компонентами системной платы. Отдельные БИС чипсета – GMCH (северный мост), ICH (южный мост) и FWH (ПЗУ для системного и видео BIOS) взаимодействуют по параллельной быстродействующей системной шине чипсета – Hub Interface с пропускной способностью несколькоГбайт/сек.

Системная шина процессора (FSB – Front Side Bus или Host Bus) служит для подключения одного или двух процессоров и кэш-памяти второго уровня. Это параллельная быстродействующая шина с пропускной способностью свыше одного Гбайт/с.

Группа локальных шин предназначена для подключения к системной плате различных специализированных систем, совокупность которых образует базовую модель компьютера. Каждая из локальных шин специализирована на подключение определенной системы или группы устройств компьютера:

· электронной динамической памяти (модулей ОЗУ) – шина памяти;

· видеосистемы (графического адаптера) – видеошина;

· системы дисковой памяти (контроллеров НЖМД, CD-ROM) – шина АТА и ее модификации (например, Ultra ATA, serial ATA);

· звуковой системы и внутреннего модема – шина АС`97 Digital Link.

Группа системных шин расширения предназначена для подключения к системной плате адаптеров (контроллеров) различных устройств, расширяющих возможности базовой модели компьютера. Это, например, сетевые адаптеры, платы для ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов, контроллеры для подключения промышленных сетей для сбора данных и локального управления и т.п. Системные шины расширения и их слоты (разъемы) размещаются на системной плате компьютера, поэтому дополнительные адаптеры устанавливаются внутри корпуса компьютера, вовне выводятся только их внешние разъемы. Системные шины расширения, в отличие от локальных специализированных шин, являются более универсальными, рассчитанными на подключение широкой номенклатуры адаптеров. Наиболее распространенными шинами этой группы являются шины ISA и PCI.

Шина ISA (Industry Standard Architecture) была специально разработана для персональных компьютеров типа IBM PC и применяется с первых моделей таких компьютеров. Это параллельная шина с раздельными линиями адреса и данных. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. Максимальный объем адресуемой памяти – 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода-вывода 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя все практически выпускаемые адаптеры (платы) расширения используют только 10 адресных линий (1 Кбайт). В распоряжение абонентов шины выделено 11 линий запросов на прерывания и 6 каналов прямого доступа к памяти. Допускается захват и управление шиной другими активными (кроме процессора) устройствами – Bus-Masters. Шина имеет невысокое быстродействие – ее тактовая частота всего 8 МГц, т.е. теоретическая скорость обмена не превышает 16 Мбайт/сек. Конструктивно слот ISA выполнен в виде двух щелевых разъемов с 62 и 36 контактами. В 8-разрядной версии ISA используется только 62 – контактный разъем, а в 16-разрядной версии – оба разъема. Назначение контактов разъемов и размеры типовых плат расширения приведены в многочисленных источниках. В настоящее время область применения шины ISA в офисных компьютерах постоянно сужается в следствие вытеснения ее более современной шиной PCI. Зато в промышленных компьютерах и контроллерах эта дешевая и надежная шина используется по-прежнему широко.

На базе шины ISA разработана более совершенная шина EISA (Extended ISA), предназначенная для применения в серверах.Конструктивное исполнение EISA обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA–адаптеров. Шина EISA имеет 32 линии для передачи данных, 32 адресных линии, что позволяет адресовать до 4 Гбайт памяти. Тактовая частота шины по-прежнему равна 8 МГц, но благодаря специально предусмотренному пакетному режиму передачи предельная скорость обмена достигает 33 Мбайт/сек. Для арбитража выделены особые линии, индивидуальные для каждого разъема, число которых может достигать 8.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) является одной из наиболее распространенных и популярных системными шинами расширения в современных компьютерах различного назначения.

Шина PCI - это синхронная мультиплексированная шина, обеспечивающая передачу 32-разрядных кодов адресов и данных с тактовой частотой 33 МГц. Таким образом скорость обмена для типовых версий шины (например, версии 2.1.) достигает 132 Мбайт/сек. Новые версии шины PCI допускают тактовую частоту 66 МГц, а формат данных – 64 бит, что позволяет получать скорости обмена 264 и 528 Мбайт/сек. Высокие скорости обмена шины достигаются также благодаря введенному пакетному режиму передачи. Каждый пакет начинается циклом адреса, за которым следует один или несколько циклов данных. Исключение передачи цикла адреса для каждого цикла данных в пакетном режиме позволяет сократить время передачи и, следовательно, увеличить скорость обмена. Максимальное количество циклов данных в пакете может быть ограничено программируемым таймером, определяющим максимальное время использования шины активным устройством (PCI Master). Программирование таймеров при конфигурировании устройств (адаптеров) позволяет распределить полосу пропускания шины между абонентами шины. На одной шине PCI может быть установлено не более четырех слотов: 124-контактных для 32-разрядных данных или 188-контактных для 64-разрядных данных. Для увеличения числа слотов шины PCI или подключения ее к другим шинам применяются мосты шины PCI (PCI Bridge).

Пиком скоростного развития стандарта PCI 2.0 можно назвать 64-разрядные шины PCI-X c тактовыми частотами 133 и 266 МГц, а также специализированную шину AGP для графических адаптеров.

Дальнейшее наращивание пропускной способности параллельных шины за счет увеличения тактовой частоты натолкнулось на технические сложности, связанные с синхронизацией передаваемых бит по многим линиям магистрали. Надежность и помехозащищенность передачи сигналов при больших тактовых частотах значительно снижались и не отвечали практическим требованиям. Поэтому начиная с 2002 г. начался и в настоящее время продолжается переход на последовательные шины, среди которых наибольшее распространение получила последовательная шина PCI-Express.

Шина PCI-Express – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокоскоростной физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. В отличие от шины PCI, использующей для передачи данных общую шину, PCI-Express является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства PCI-Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство компьютера связано соединением типа «точка-точка» с коммутатором. Соединение между двумя устройствами PCI-Express состоит из одной (х1) или нескольких (х2, х4, х8, х12, х18, х32) двунаправленных последовательных линий. Каждая линия – две пары проводов, обеспечивает пропускную способность 2,5 Гбит/с в одну сторону (5 Гбит/с в обе стороны). Вся последовательность данных, которую необходимо передать, распределяется на все имеющиеся линии «веером», т.е. передача параллельная, но не синхронная. Если имеется 16 линий, то первый бай блока данных передается по первой линии, второй – по второй, и т.д., а 17- й байт снова по первой. При передаче данных используются методы кодирования, синхронизации и коррекции ошибок принятые в сетевых протоколах передачи данных. В настоящее время разработаны и используются спецификации версии PCI-Express 2.1 и PCI-Express 3.0.

В промышленных компьютерах и контроллерах, работающих в условиях больших перепадов температур, ударов, вибраций и агрессивной окружающей среды, часто используются системные шины расширения, являющиеся функциональными аналогами шин офисных компьютеров, но имеющие отличия по конструктивным и электрическим параметрам. Промышленные системные шины расширения позволяют увеличить число подключаемых модулей, имеют штырьковые разъемы, обеспечивающее более жесткую и надежную установку плат. Конструкция разъемов позволяет производить замену плат без отключения электропитания («горячую» замену). Промышленные шины более компактны и имеют повышенную помехозащищенность от электрических и магнитных полей. Например, шина ISA-8 имеет промышленный аналог STD-8, шина EISA – STD-32, шина PCI – Compact PCI. Для построения небольших встраиваемых контроллеров используются мезонинные или стекируемые шины, к числу которых относится, например, шина PC-104, которая является функциональным аналогом шины ISA-16. Благодаря двухстороннему разъему мезонинной шины PC-104, контроллер собирается в виде стопки из нескольких плат (вторая плата вставляется в шинный разъем первой, третья – в шинный разъем второй т. д.). Платы скрепляются несущими стоечками, и получается простой и удобный конструктив.

В мобильных компьютерах в качестве системной шины расширения используется шины, регламентируемые стандартом PC Card. Эта шина предназначена для подключения малогабаритных карт флэш-памяти, модемов, контроллеров дисков.

Периферийные или внешние интерфейсы предназначены для подключения к системной плате разнообразного внешнего периферийного оборудования, расширяющего функциональные возможности компьютера. К периферийному оборудованию, располагаемому вне системного блока, относятся, например, принтер, внешний модем, клавиатура, мышь, сканер, плоттер и т.д. Внешние интерфейсы представляют собой группу портов, реализуемых специальным контроллером портов ввода-вывода (Super I/O), который подключен к шине LPC (Low Pin Count) чипсета ICH. Рассмотрим назначение и особенности некоторых внешних интерфейсов компьютера.

Параллельный интерфейс реализуется LPT-портом и определяется стандартом IEEE 1284, который задает стандартный (SPP), улучшенный (EPP) и расширенный (ECP) режимы работы интерфейса. Этот стандарт определяет типы используемых разъемов (например, DB-25), характеристики интерфейсных кабелей, содержащих от 18-25 проводников длиной обычно не более 2 метров, а также электрические параметры передаваемых сигналов. Скорость обмена по параллельному интерфейсу достигает 2 Мбайт/сек. Наиболее распространенным применением LPT-портов является подключение принтеров, сканеров, внешних накопителей Iomega Zip Drive. Кроме того режимы EPP и ECP позволяют использовать параллельный интерфейс для ввода – вывода цифровых и дискретных сигналов, что часто применяется в промышленных компьютерах для сопряжения с управляемыми объектами, технологическими клавиатурами, индикаторами и будет подробно рассмотрено ниже.

Последовательный интерфейс реализуется COM-портом и на физическом уровне определяется стандартом RS-232C /27/. Последовательный интерфейс используется для подключения удаленных до 15 метров устройств и обеспечивает лишь невысокую скорость обмена – до 115200 бит/сек. К COM-порту RS-232C можно подключить только одно устройство. Лучшие параметры имеют родственные последовательные интерфейсы RS-422A и RS-485, широко применяемые в промышленной автоматике. Например, магистральный интерфейс RS-485 обеспечивает подключение до 256 устройств, удаленных до 1200 метров при скорости обмена сотни Кбит/сек.

Последовательные интерфейсы также используются для подключения клавиатуры компьютера и манипулятора мышь.

Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus), стандарт на которую был разработан в 1996 г., предназначена для унификации подключения к компьютеру различных периферийных устройств, телефонии и бытовой электроники. USB-порт призван заменить многочисленные внешние порты (LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т.д.) и упростить эксплуатацию компьютера. Четырехпроводная шина USB допускает подключение до 127 устройств и обеспечивает высокую скорость обмена до нескольких сотен Мбит/сек.

Быстродействующая последовательная шина FireWire стандарта IEEE 1394 применяется в ряде компьютеров для цифровой связи с быстродействующими внешними устройствами, например, TV-камерами для видеоконференций, а также для организации небольших локальных сетей. Эта шестипроводная шина обеспечивает подключение до 63 устройств и очень высокую скорость обмена – свыше одного Гбит/сек (в последних модификациях).

Рассмотренный материал позволяет сделать вывод: система интерфейсов компьютера является сложной иерархической структурой. Чем обусловлена необходимость использования многочисленных взаимосвязанных шин? Главная причина этого решения – достижение максимальных производительности и быстродействия за счет высокой скорости обмена информацией между процессором и составными компонентами компьютера и обеспечение унифицированного сопряжения устройств в составе компьютера. Другими словами, технологичность изготовления, возможность легкого наращивания функциональных возможностей при эксплуатации, единообразие архитектуры разумно сочетаются благодаря системе шин с высокими производительностью и быстродействием МС.