Устройств персонального компьютера

Во всех персональных компьютерах для взаимодействия отдельных устройств используется принципобщего канала, или принцип шины. На рис. 20 приведена примерная схема построения современного персонального компьютера. Концепция общей шины представляет собой один из наиболее совершенных методов унификации схем компьютеров. Вместо того, чтобы соединять все компоненты компьютера между собой специальными соединениями, разработчики ограничили пересылку любых данных одним общим каналом – системной шиной (BUS). По линиям системной шины передаются данные (шина данных), отдельные линии передают адреса ячеек памяти или устройств (шина адреса), по другим линиям шины подводится питание ко всем устройствам, специальные сигналы управления ими и т.д. Данные пересылаются по шине в сопровождении специальных сигналов, обозначающих их назначение.

Каждое устройство, подключенное к системной шине, ожидает сигнала ввода/вывода. Если по шине выдана команда обмена с ОЗУ, то все устройства будут игнорировать ее. При запросе операции обмена данными на шину выдается адрес (номер устройства), который проверяется адаптером каждого устройства. Если адрес на шине совпадает с адресом устройства, то оно начинает выполнять операцию по вводу/выводу. Эта идея чрезвычайно упростила конструкцию компьютеров и существенно увеличила ее гибкость.

Из рис. 20 видно, что в современных компьютерах используется не одна системная шина, а несколько, в зависимости от скорости передачи данных устройствами. Скоростные устройства (видеоадаптеры, жесткие диски, платы обработки видеоизображений и др.) подключаются к быстрой шине, а медленнодействующие устройства – к низкоскоростной шине. Шины расположены на системной плате, и к каждой из них присоединены параллельно между собой несколько разъемов (слотов расширения). Таким образом, шины позволяют легко и просто подключать к компьютеру дополнительные устройства для расширения его возможностей. В слоты расширения устанавливаются платы схем управления устройствами – адаптеров и контроллеров, а к ним подключаются сами устройства. Количество слотов расширения может быть разным, но не превышает восьми. Этого достаточно для подключения самого разнообразного оборудования. При этом следует подчеркнуть, что часть адаптеров размещается непосредственно на системной плате или в самом устройстве и не требует слотов расширения. В некоторых компьютерах на системной плате имеется всего один слот расширения, в который вставляется выносная плата, на ней с обеих сторон установлены слоты расширения для подключения устройств. Каждый адаптер или контроллер может быть подключен только к той шине, на работу с которой он рассчитан. В некоторых адаптерах на заднюю стенку системного блока выведены разъемы для подключения соответствующих устройств, например клавиатуры, монитора, мышки, печатающего устройства и др.

Рис. 20

За последние 15 лет было разработано довольно много вариантов шин. Объясняется это стремлением получить наивысшее быстродействие работы компьютера. Как это ни удивительно, но до сих пор почти все компьютеры выпускаются с теми же шинами, что и первые IBM PC/AT. В новые компьютеры встраиваются быстродействующие локальные шины, обслуживающие специально разработанные под них адаптеры.

Одной из главных причин, сдерживающих появление новых структур шины, является их несовместимость со старым стандартом РС. В свое время успех РС предопределила стандартизация – множество фирм разработали и выбросили на рынок десятки и сотни тысяч плат в этом стандарте. Поэтому новая, более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом, иначе все старые платы можно будет выбросить на свалку. Поэтому технология шин развивается медленно, без резких скачков. Различия между шинами связаны, в основном, с разрядностью и скоростью передачи данных. Каждая шина строится на основе специализированного комплекта микросхем, которые подключаются к шине процессора. Управляются шины своими адаптерами или контроллерами.

Одной из первых шин в 1982 году была использована 8-разрядная шина стандарта ISA (Industrial Standard Architecture). В 1984 году, в связи с появлением 16-разрядного процессора Intel 286, она была модернизирована в 16-разрядную, и на сегодняшний день это основной тип шины, используемой в большинстве выпускаемых компьютеров. Разъемы шины были удлинены так, что в них можно вставлять как 8-разрядные, так и 16-разрядные платы адаптеров. На первый взгляд покажется странным, что в современных высокопроизводительных компьютерах применяется шина с такой древней архитектурой. Но это объясняется ее надежностью, достаточно широкими возможностями и совместимостью. Эта старая шина работает значительно быстрее, чем многие подключаемые к ней устройства, например, клавиатура, мышь, модем, дисковод для дискет и другие. Шина работает на тактовой частоте 8,33 МГц, содержит 98 линий, из которых 16 используется для передачи данных, 15 – для передачи сигналов аппаратных прерываний, 8 – для каналов прямого доступа (DMA) к системной памяти, 24 адресных линии и т.д. Для передачи данных по шине ISA требуется от двух до восьми тактов, а максимальная скорость передачи составляет: 8,33 МГц 16 бит=133,28 Мбит/с; 133,28 Мбит/с : 2 такта : 8 бит=8,33 Мбайт/с. Это теоретическая величина. Из-за сложного протокола обмена данными реальная пропускная способность шины намного ниже и не превышает 4 Мб/с.

В начале 1992 г. по инициативе фирмы Intel была организована ассоциация, перед которой поставили задачу разработать новую шину, дополняющую и, возможно, заменяющую шину ISA. К средине 1992 года шина PCI (Peripheral Component Interconnect) появилась, в апреле 1993 года была модернизирована, а к середине 1993 года появились первые компьютеры с этой шиной. Шину иногда называют антресольной, так как она добавляет к традиционной конфигурации шин еще один уровень. Вместо того, чтобы подключаться непосредственно к шине процессора, весьма чувствительной к подобным вмешательствам, разработчики создали новый комплект интегральных схем контроллеров для расширения системной шины (рис. 20). По 198-ми линиям шины так же, как и по шине ISA, передаются самые разнообразные данные.

Преимущества шины PCI в компьютерах с процессором Pentium очевидны. Первоначальная тактовая частота шины была равна 33 МГц, а разрядность соответствует разрядности данных процессора. В настоящее время тактовые частоты этой шины в разных компьютерах составляют 400-500 МГц и более. Высокая пропускная способность шины объясняется тем, что она может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней со своими запросами. Например, процессор может работать с данными из внешнего кэша, а шина PCI одновременно осуществлять обмен информацией между быстродействующими жестким диском и видеоадаптером. В этом заключается одно из достоинств шины. Шина PCI легла в основу разработанного впоследствии стандарта PnP (plug-and-play – вставляй и работай) для внешних устройств, который не требует настройки плат адаптеров. С конца 1995 г. в большинстве компьютеров устанавливаются PnP BIOS, выполняющие автоматическую настройку системы.

Тенденция последних лет заключается в том, что новые периферийные устройства стремятся делать последовательными. Это как бы противоречит принципу повышения пропускной способности каналов. Известно, что по параллельному каналу можно передавать одновременно несколько байт, а по последовательному – только бит за битом. Но частоты процессоров растут и достигают уже 5-8 ГГц, а специалисты знают, что повышать тактовую частоту параллельного канала можно только до определенной величины, выше которой начинаются искажения передаваемой информации. Кроме того, необходимость приведения периферийных устройств в соответствие с принципом plug-and-play и избавления от клубка проводов и кабелей на задней стенке системного блока вызвало появление на свет стандартов USB и IEE 1394, а также несколько разновидностей интерфейса SCSI.

Шина USB разработана как универсальное средство для подключения к компьютеру самых разнообразных периферийных устройств. Фирма Intel практически во всех выпускаемых ею комплектах ИС для системных плат, начиная с Triton II (82430HX и VX), предусмотрела поддержку этой шины. Шина представляет собой четырехпроводную линию связи с быстродействием 12 Мбит/с. К ней можно подключать до 127 устройств по многоярусной (древовидной) схеме с использованием одного или нескольких распределительных устройств, которые могут располагаться в самом компьютере, в любых периферийных компонентах или быть выполненными в виде автономных блоков. Для медленнодействующих устройств имеется отдельный низкоскоростной канал с быстродействием 1,5 Мбит/с.

В шине USB реализована технология plug-and-play, в том числе и возможность “горячего” подключения. Любое устройство может быть подключено к работающей шине без выключения или перезагрузки системы. Контроллер шины обнаружит факт подключения нового устройства, самостоятельно выделит ему необходимые системные ресурсы и загрузит соответствующие драйверы. Драйверы для USB-устройств включены в пакеты модернизации Windows 9х и Windows NT. Предусмотрена также поддержка шины системной BIOS. Во всех новых компьютерах на системной плате установлен порт шины USB для подключения устройств этого стандарта.

Интерфейс SCSI.Само название (Small Computer System Interface) подчеркивает, что этот интерфейс является системным. Это не очередная разновидность контроллера, а шина, способная обеспечить работу нескольких устройств, каждому из которых присваивается свой идентификационный номер – SCSI ID. Одно из этих устройств называется основным (host) адаптером и является связующим звеном между системной шиной и шиной SCSI. Сама же шина SCSI взаимодействует не с устройствами (например, с дисковыми накопителями), а с встроенными в них контроллерами. Взаимодействие с SCSI-устройствами осуществляется через основной адаптер, устанавливаемый в слот системной шины. К одному основному адаптеру можно подключать до 7 устройств, а некоторые SCSI-адаптеры позволяют подключать 15 и даже 31 устройство. Среди этих устройств могут быть жесткие магнитные диски, магнитооптические и лазерные диски, стримеры, принтеры, сканеры и даже другие компьютеры. В большинстве компьютеров можно устанавливать до 4-х основных адаптеров, что позволяет подключить от 28 до 124 устройств. Операции ввода/вывода с различными SCSI-устройствами могут осуществляться параллельно, то есть не надо ожидать завершения операции обмена с одним устройством, чтобы начать обмен с другим.

Лекция 19