Устройство управления и шины Шина процессора. Поскольку шина процессора должна обмениваться информацией с процессором с максимально высокой скоростью, в компьютере она функционирует намного быстрее любой другой шины. Эта шина работает на частотах 66—200 МГц. Используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Линии электрической связи, представляющие шину, предназначены для передачи данных, адресов и сигналов управления между отдельными компонентами компьютера. Для определения скорости передачи данных по шине процессора необходимо умножить разрядность шины данных на тактовую частоту шины. Эта величина характеризует скорость передачи данных, называемую также полосой пропускания шины, и является максимальной. Как и все максимальные величины, она не соответствует средней рабочей скорости шины, которая приблизительно на 25 % меньше. Средняя скорость обмена снижается вследствие влияния многих факторов, например из-за ограниченной скорости поступления информации с системной шины на шину процессора. Шина памяти. Шина памяти предназначена для передачи информации между процессором и основной памятью. Память типа FPM и EDO работала на частоте 16 МГц (время доступа 60 нс). Память типа SDRAM работает на частоте 66 МГц (время доступа 15 нс) или 100 МГц (время доступа 10 нс). Разрядность шины памяти всегда кратна разрядности шины процессора. Разрядность шины определяет размер банка памяти. Шина ввода-вывода. Шина ввода-вывода позволяет процессору взаимодействовать с периферийными устройствами. Эта шина и подключенные к ней разъемы расширения предназначены для того, чтобы компьютер мог выполнить все предъявляемые запросы. Шина ввода-вывода позволяет подключать к компьютеру дополнительные устройства для расширения его возможностей. В разъемы расширения устанавливают такие жизненно важные узлы, как контроллеры накопителей на жестких дисках и платы видеоадаптеров; к ним можно подключить и более специализированные устройства, например, звуковые платы, сетевые интерфейсные платы и др. Чтобы улучшить каждый из этих параметров, нужна шина ввода-вывода с максимальным быстродействием. Шины ввода-вывода различаются архитектурой. Основными на сегодняшний день являются следующие: ISA (Industry Standard Architecture); ■ MCA (Micro Channel Architecture); ■ EISA (Extended Industry Standard Architecture); ■ VESA (также называемая VL-Bus или VLB); ■ PCI; ■ AGP; ■ PCI Express; ■ DVI; ■ HDMI; ■ PC Card (или PCMCIA)^ ■ FireWire (IEEE-13 94); ■ USB (Universal Serial Bus). Различия между этими шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием). Каждая шина строится на основе специальных микросхем, которые подключаются к шине процессора. Обычно эти же микросхемы используют и для управления шиной памяти. Шина PCI. Шины ISA, MCA и EISA имеют один общий недостаток сравнительно низкое быстродействие, что мешает только в подсистемах, где важна высокая скорость обмена данными, например в видеоконтроллерах. Для ускорения передачи данных необходимо расположить дополнительные разъемы ввода-вывода на шине процессора. В современном настольном компьютере обычно имеются разъемы ISA PCI и AGP. Однако согласно спецификации PC 99 в компьютерах должны использоваться только две шины - PCI и AGP. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus — шина взаимосвязи периферийных компонентов) появилась в 1992 г. В 1993 г, она была модернизирована (версия 2.0). В 1995 г. появилась очередная версия (версия 2.1). Компьютеры с шиной PCI появились в середине 1993 г., и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров высокого класса. При использовании 64-разрядного процессора пропускная способность шины может составить 264 Мбайт/с. Высокая пропускная способность объясняется тем, что PCI может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней со своими запросами. Для подключения адаптеров шины РС1 используется как 32-, так и 64-разрядный специальный разъем. Эти разъемы легко распознать, так как они обычно устанавливаются отдельно от разъемов шин ISA, MCA или EISA. Другим важным свойством платы PCI является то, что она удовлетворяет спецификации Plug and Play фирмы Intel, т.е. может настраиваться с помощью специальной программы настройки. С конца 1995 г. в большинстве компьютеров устанавливается BIOS, ■ удовлетворяющая спецификации Plug and Play, которая обеспечивает автоматическую настройку. Шина AGP. Для повышения эффективности работы с видео и графикой фирма Intel в 1996 г. разработала новую шину — шину AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт). AGP похожа на PCI, но она не зависит от PCI. Например, разъем AGP подобен разъему PCI, но имеет контакты для дополнительных сигналов и другую разводку контактов. AGP высокоэффективное соединение, разработанное специально для видеоадаптера, причем в системе для одного видеоадаптера допускается только один разъем AGP. Спецификация AGP 1.0 предусматривает режимы: 1х или 2х. В режиме 1х тактовая частота 66 МГЦ. Версия AGP 2.0 была выпущена в 1998 г., в ней был добавлен режим 4х. В основном режиме AGP, называемом 1х, выполняется одиночная передача за каждый цикл. Поскольку ширина шины AGP равна 32 бит (4 байт), при 66 млн тактов в секунду по ней можно передавать данные со скоростью приблизительно; 266 млн байт в секунду. В режиме 2х, при котором в каждом цикле осуществляются две передачи, что соответствует скорости 533 Мбайт/с. В настоящее время практически все современные системные платы поддерживают этот режим. В режиме 4х, в котором данные передаются четыре раза за цикл, скорость передачи данных равняется 1 066 Мбайт/с. Помимо повышения эффективности работы видеоадаптера AGP позволяет получать быстрый доступ непосредственно к системной оперативной памяти. Благодаря этому видеоадаптер AGP может использовать оперативную память, что уменьшает потребность в видеопамяти. Это особенно важно при работе с трехмерными видеоприложениями, интенсивно использующими большие объемы памяти. Шина PCI Express. PCI Express (Peripheral Component Intercom», Express, сокращенно — PCIe или PCI-e) — это компьютерная шина для последовательной передачи данных. В 2002 г. фирма Intel выпустила спецификацию первой версии PCI Express. Сейчас развитием PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group, включающая представителей Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA и других ведущих фирм. В своем развитии PCIe прошел несколько этапов и уже развился до версии 5.0. В PCIe используется последовательная передача, которая может по одному коммуникационному каналу посылать по одному биту за каждую передачу последовательно, один за одним с определенной частотой (количество бит в секунду). Например, в PCIe 1.0 частота передачи данных составляет 2,5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), т. е. за одну секунду передается 2,5 млрд бит или 312,5 Мбайт/с. Для устройств, требующих особо высоких скоростей обмена данными, можно использовать одновременно несколько таких каналов (линий). Например, современные игровые видеокарты подключают к компьютеру через 16 линий PCIe (PCIe х 16). Перед отправкой данные кодируются в блоки. Это необходимо для синхронизации передающего и принимающего устройств, а также для уменьшения влияния помех. Например, в версиях PCIe 1.0и PCIe 2.0 используется схема кодирования 8b / 10b, т.е каждый 8-битный блок кодируется в 10-битный, в котором только 80 % передаваемых данных являются полезными. Остальные 20 % нужны для обеспечения правильной работы. В версиях PCIe 3.0, PCIe 4.0 и PCIe 5.0 используется схема кодирования 128b/130b, где 98,46% передаваемых данных являются полезными. Некоторые параметры разных версий PCIe приведены в табл. 7.1. На материнской плате современного компьютеру. можно найти разъемы PCIe нескольких видов, отличающихся числом используемых в них линий PCIe (от х 1 до х 16 линий). Независимо от того, насколько старым является компьютер и какая версия PCIe в нем используется, эти разъемы всегда выглядят одинаково. Разные версии PCIe являются полностью совместимыми, Например, если в старый компьютер, где используется версии PCIe 2.0, установить видеокарту с PCIe 4.0, то она будет нормально работать, но с возможностями PCIe 2,0, И наоборот, в новый компьютер PCIe 4.0 можно установить старую видеокарту с PCIe 2.0. Год выхода Скорость передачи 2002 2,5 ГТ/с 2007 5 ГТ/с 2010 8 ГТ/с PCIe 4.0 2017 16 ГТ/с 1,969 Гб/с 7,88 Гб/с 15,8 Тб/с 31,5 Гб/с PCIe 5.0 2019 32 ГТ/с 3,938 Гб/с 15,75 Гб/с 31,5 Гб/с 63 Гб/с Версия PCIe 1.0 PCIe 2.0 PCIe 3.0 Пропускная способность на X х1 х4 линиях х8 х16 250 1 Гб/С 2 Гб/с 4 Гб/с Мб/с 500 2 Гб/с 4 Гб/с 8 Гб/с Мб/с 984,6 3,94 7,88 15,8 Гб/с Мб/с Гб/с Гб/с Разные версии РСIе также совместимы и по видам разъемов. Например, в разъем РСIе х16 можно подключить не только видеокарту, но и любое другое устройство РСIе, в том числе с разъемами PCIe х8, РС1e х4 или PCIe xl. Подключение накопителей. Интерфейс — это комплекс средств, предназначенных для взаимодействия двух систем друг с другом. К системам могут относятся люди, технические и программные средства. Интерфейсы внешних накопителей предназначены для обмена информацией между этими устройствами внешней памяти и материнской платой. Интерфейсы внешних накопителей дисков влияют на многие рабочие характеристики накопителей, таких как скорость обмена данными между накопителем и материнской платой, число устройств, которое можно подключить к компьютеру, возможность создания дисковых массивов, возможность горячего подключений й другие. Также интерфейс: определяет, какой кабель, шнур или переходник необходимы для подключения к материнской плате. Для подключения внешних накопителей могут использоваться следующие интерфейсы: 1) интерфейс SCSI является одним из наиболее возрастных интерфейсов, разработанных для подключения накопителей в персональных компьютерах. Появился он еще в начале 1980-х гг.; интерфейс SCSI был параллельным?, что явилось одним из сдерживающих факторов для развития стандарта, поэтому в качестве его замены был разработан более совершенный, последовательный стандарт SAS (от Serial Attached SCSI) ; 2) интерфейс SAS разрабатывался для усовершенствования достаточно старого интерфейса подключения жестких дисков SCSI, сохраняя его основные достоинства. Разъемы интерфейса SAS могут иметь различную форму и размер, в зависимости от типа накопителя и от версий SAS; 3) интерфейс FireWire. В настоящее время достаточно часто можно встретить жесткие диски с интерфейсом FireWire. Хотя через интерфейс FireWire к компьютеру можно подключить любые типы периферийных устройств, его нельзя назвать специализированным интерфейсом, предназначенным для подключения исключительно жестких дисков, тем не менее FireWire имеет ряд особенностей, которые делают его чрезвычайно удобным для этой цели; 4) интерфейс IDE, Фактически он представляет собой связь между системной платой и контроллером, встроенным в накопитель. Этот интерфейс постоянно развивается - в настоящее время создано несколько его модификаций. Технология, которая приводит к установке контроллера, IDE внутрь корпуса жесткого диска, называется Integrated Drive Electronics (встроенная в накопитель электроника). Впоследствии был разработан описывающий ее стандарт, названный АТА. Для подключения жесткого диска или другого устройства, например накопителя для оптических дисков, поддерживающего технологии Integrated Drive Electronics, к материнской плате используется специальный кабель IDE. Поскольку АТА относится, к параллельным интерфейсам, его также называют Parallel АТА или РАТА, Стандарт РАТА имеет ряд недостатков, например, ограничение по длине кабеля данных — не, более 0,5 м, ограничение на максимальную скорость передачи данных, невозможность горячего подключения устройств и др.; 5) интерфейс SATA (Serial АТА) является усовершенствование АТА в виде изменения типа передачи данных с параллельного на последовательный, а также изменения видов разъемов для передачи данных и электропитания. SATA на программном уровне совместим со всеми существующими аппаратными устройствами и обеспечивает более высокую скорость передачи данных. Для полноценной передачи данных через интерфейс SATA используют два кабеля. Один, 7-контактный, непосредственно для передачи данных и второй, 15-контактный, силовой, для подачи дополнительного напряжения. Силовой кабель SATA может работать с рабочим напряжением 3,3; 5 и 12 В при силе тока 4,5 А. SATA постоянно улучшается, увеличивая скорость передачи данных. Интерфейс имеет следующие модификации: 2003 г., версия 1.0 — максимальная теоретическая скорость передачи данных 150 Мбайт/с; 2004 г., версия 2.0 — максимальная теоретическая скорость передачи данных 300 Мбайт/ с; 2008 г., версия 3.0 — максимальная теоретическая скорость передачи данных 600 Мбайт/с; 2011 г., версия 3.1 — усовершенствованная версия 3.0 (600 Мбайт/с); 2013 г., версия 3.2 — максимальная теоретическая скорость передачи данных 1969 Мбайт/с. Версия 3.2 получилась путем слияния SATA и PCIe-устройств, а ее параметры определяют спецификацией SATA Express; 6) интерфейсы SATA Express, mSATA и M.2 SATA Express программно совместимы c SATA, но в качестве несущего интерфейса используется PCI Express. SATA Express объединяет два интерфейса SATA на 600 Мбайт/с (они нужны для обратной совместимости с предшествующими накопителями) и несколько линий PCI Express mSATA—внедрен в сентябре 2009 г. Разработан для использования в ноутбуках, нетбуках и других небольших ПК. В настоящее время mSATA уже уходит с рынка, так как его заменил более новый интерфейс — М.2. М.2 — это спецификация, входящая в состав стандарта SATA 3.2 для компьютерных устройств и их разъемов, утвержденная международной организацией Serial АТА International Organization (SATA-IO) для планшетов и тонких компьютеров. Создана для замены уже устаревших форматов SATA mSATA и Mini PCI-Е. Ключевым новшеством М.2 (NGFF) стала поддержка передачи данных по линии PCI Express 3.0 с совокупной теоретической пропускной способностью до 32 Гбит/с, что почти в 6 раз больше, чем позволял стандарт SATA 3.0. М.2 поддерживает до четырех линий PCI Express 3.0. М.2 представляет собой мобильную разновидность протокола SATA Express, описанного в спецификации SATA 3.2 для планшетов и тонких компьютеров. СИСТЕМНЫЕ РЕСУРСЫ Для обмена данными с помощью шин ПК использует коммуникационные каналы, адреса и сигналы, что называется системными ресурсами. Под системными ресурсами подразумевают: адреса памяти, каналы запросов прерываний (IRQ) ; каналы прямого доступа к памяти (DMA); адреса портов ввода-вывода. Наиболее распространенные проблемы связаны с ресурсами памяти. Конфликтов, связанных с ресурсами IRQ, больше, чем с ресурсами DMA, поскольку прерывания запрашиваются чаще. Порты ввода-вывода используются во всех подключенных к шине устройствах, но 64 Кбайт памяти, отведенной под порты, обычно хватает, чтобы избежать конфликтных ситуаций. Общим для всех видов ресурсов является то, что любая установленная в компьютере плата (устройство) должна использовать уникальный системный ресурс, иначе отдельные компоненты компьютера не смогут разделить ресурсы между собой и произойдет конфликт, поэтому при установке дополнительных плат, в компьютере растет вероятность конфликтов, связанных с использованием ресурсов. Конфликт возникает при установке двух или более плат, каждой из которых требуется линия IRQ или адрес порта ввода-вывода, В операционных системах, удовлетворяющих спецификации Plug and Play, установка правильных параметров осуществляется на этапе инсталляции оборудования. Прерывания. Прерывание — это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой — обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами, Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратнопрограммными средствами компьютера. Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (IRQ). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям (каналам запросов прерывания), а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри процессора. Каналы прерываний представляют собой проводники на системной плате и соответствующие контакты в разъемах. После получения IRQ компьютер приступает к выполнению специальных процедур его обработки; сохранению в стеке содержимого регистров процессора; обращению к таблице векторов прерываний, в которой содержится список адресов памяти, по которым записаны программы-драйверы для обслуживания платы, пославшей запрос, соответствующих определенным номерам (каналам) прерываний; после выполнения необходимых действий по обслуживанию устройства, пославшего запрос, процедура обработки прерывания восстанавливает содержимое регистров процессора (извлекая его из стека) и возвращает управление компьютером той программе, которая выполнялась до возникновения прерывания. Аппаратные прерывания имеют иерархию приоритетов: чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет. Прерывания с более высоким приоритетом обладают преимуществом и могут «прерывать прерывания». В результате в компьютере может возникнуть несколько «вложенных» прерываний. При генерации большого количества прерываний стек может переполниться и компьютер зависнет. Все системные BIOS, удовлетворяющие спецификации Plug and Play, а также операционные системы, начиная с Windows 95 OSR 2, поддерживают функцию управления прерываниями. Каналы прямого доступа к памяти. Каналы прямого доступа к памяти (DMA) используются устройствами, осуществляющими высокоскоростной обмен данными, например, звуковая плата. Последовательный и параллельный порты не используют DMA. Один и тот же канал DMA может использоваться разными устройствами, во не одновременно. , Адреса портов ввода/вывода. Через порты ввода-вывода к компьютеру можно подключать разнообразные устройства как через параллельные порты, так и через последовательные. Порты ввода-вывода позволяют установить связь между устройствами и программным обеспечением в компьютере, при этом обмен информацией в ту и другую сторону происходит по одному и тому же каналу. Вообще могут существовать до 65 535 портов, пронумерованных от 0000h до FFFFh. При выборе порта для подключаемого устройства нужно следить, чтобы двум устройствам случайно не назначить один и тот же порт. Системы, поддерживающие спецификацию Plug and Play, автоматически разрешают любые конфликты из-за портов, выбирая альтернативные порты для одного из конфликтующих устройств. Устройства на шине обычно используют адреса, начиная с 100h. Большинство из них стандартизировано, поэтому, как правило, не возникает каких-либо конфликтов или проблем с адресами портов для этих устройств. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Какие основные типы шин используют в ПК? Для чего предназначена шина процессора? Для чего предназначена шина памяти? Для чего предназначена шина ввода-вывода? Назовите характеристики шины PCI. Назовите свойства шины AGP. В чем заключаются системные ресурсы ПК? Для чего нужны прерывания? Какие устройства используют каналы прямого доступа к памяти? Для чего нужны адреса портов ввода-вывода?
