Теоретические сведения. Все компоненты на материнской плате каким-то образом должны быть соединены между собой

Все компоненты на материнской плате каким-то образом должны быть соединены между собой. Это соединение осуществляется с помощью шин.

Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты устройств и устройства РС, называется шиной (Bus). Шина предназначена для обмена между двумя и более устройствами.

Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

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

Шины в РС различаются по своему функциональному назначению.

1. Системная шина (или шина CPU) используется микросхемами и Chipset для пересылки информации от устройств к CPU и от CPU к устройствам. Это шина GTL+ c тактовой частотой 66, 100 и 133 МГц и пропускной способностью 528, 800 Кбайт/с и 1,06 Мбайт/с или шина EV6, у которой передача по обоим фронтам с тактовой частотой 377 МГц. Может использоваться 128-разрядная шина памяти (так как передача происходит без участия CPU).

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

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

4. Шины ввода/вывода (бывают стандартные и локальные).

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие её свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечения обмена информацией между ними. Архитектура любой шины включает следующие компоненты.

1. Линии данных (по ним происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью). В режиме DMA (Direct Memory Access) управление обменом данными осуществляется соответствующим контроллером, минуя CPU. Компьютеры семейства Pentium имеют 64-разрядную шину данных.

2. Линии адреса (процесс обмена возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных, а потому у каждого компонента РС, каждого регистра ввода/вывода и ячейки RAM, есть свой адрес – идентификационный код, который передаётся по этой шине). RAM временно хранит данные для ускорения обмена ими. Количество ячеек RAM не должно превышать , где m – разрядность адресной шины. В семействе Pentium она 32-разрядная и можно адресовать 4 Гбайт памяти.

3. Линии управления данными (шины управления) необходимы для записи (считывания) в регистры устройств, подключенных к шине, ряда необходимых при передаче данных сигналов: записи/считывания, готовности к приёму/передаче данных, подтверждения приёма данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера.

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

Первой характеристикой шины является её разрядность, определяемая количеством данных, параллельно проходящих через неё.

Второй характеристикой шины является её пропускная способность, которая определяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду. Пропускная способность вычисляется как произведение тактовой частоты шины на её разрядность.

Рассмотрим шины ввода/вывода.

1. Шина ISA-8, ISA-16 (Industrial Standard Architecture). От этих шин сейчас отказываются, как от шин с низкой производительностью – время передачи превышает скорость обработки их CPU, т.е. процессор простаивает.

2. Шина EISA (Electronic ISA). Обладает следующими достоинствами:

а) слот EISA полностью совместим со слотом ISA из-за двухэтажной конструкции слота;

б) она 32-разрядная, т. е. все линии данных CPU выведены на слот, что позволяет использовать карты сетевые, графические и жёсткого диска. Её частота 8,33 МГц, но скорость передачи 33 Мбайт/с;

в) шина EISA – интеллектуальная, так как конфигурация карт расширения происходит в ней программно, а не джамперами. Если необходимо использовать ISA, то ставят заглушку, чтобы предотвратить контакт I и II этажа разъёма.

3. Шина VESA или VLB (Video Electronic Standard Assotiation или Vesa Local Bas). Эта локальная шина разработана в начале 80-х годов Ассоциацией стандартов видеоэлектроники. Используется для передачи видеоданных. Обмен информацией с CPU осуществляется под управлением контроллеров, расположенных на картах, устанавливаемых в слот VLB, напрямую в обход стандартной шины ввода/вывода. Она 32-разрядная и работает на тактовой частоте процессора, но адреса и сигналы управления здесь передаются по шине ISA. Она использовалась в CPU 80486.

4. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) разработана фирмой Intel для PC Pentium. Её тактовая частота равна половине тактовой частоты системой шины. Включается в слот системной платы. Её основа – мосты, которые осуществляют связь между PCI и другими шинами. Важной особенностью PCI является способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной без CPU.

Она широко распространена, так как:

а) у неё отличный от ISA способ передачи данных: когда передающее устройство готово к передаче, оно выставляет данные и сопровождает их соответствующим сигналом, а приёмное устройство записывает данные в свои регистры и подаёт сигнал, подтверждая запись и готовность к приёму следующих;

б) у неё относительно независимые отдельные компоненты системы – передачей данных управляет включённый между ней и CPU мост, а процессор может выполнять другую работу;

в) есть PCI 1.0 – 32-разрядная и PCI 2.0 – 64-разрядная, отсюда полоса пропускания шины 33 * (32 бит/8) = 132 Мбайт/с или 33 МГц * (64 бит/8) = 264 Мбайт/с;

г) шина PCI универсальна, так как не зависит от типа CPU – соединение мостом в системной шине, минуя CPU;

д) PCI 5.0 64-разрядная, на дополнительные контакты подаётся напряжение 3,3 В, а на нём работает большинство микросхем;

е) система PCI использует принцип временного мультиплексирования – для передачи данных и адресов используется одни и те же линии;

ж) обладает свойством интеллектуальности, так как она в состоянии распознать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug & Play. Для них созданы свои карты расширения.

Для работы с видеоданными лицензированы PCI Express x1, х2, x4, х8, x16 и х32-канальные версии (266, 532, 1066, 2132, 4200 и 8400 Мбайт/с). Их главное преимущество состоит в том, что данные через шину передаются без помех в обоих направлениях, а в режиме дуплексной передачи цифры выше удваиваются. На видеоплату можно подать мощность до 75 Вт без дополнительных разъёмов. Новые видеоплаты на базе PCI Express х8 и x16 обладают высоким качеством изображения, которое не уступает платам с AGP 8x.

5. Шина AGP (Accelerated Graphics Port) является каналом передачи данных между видеоадаптерами и RAM. Эта высокоскоростная, локальная шина ввода/вывода предназначена для нужд видеосистем. Она связывает 3D-акселератор видеосистемы (ускоряет обращение) с системной памятью PC. Только один слот AGP, в него подключается одно устройство, а потому нет проблем с арбитражем, что повышает скорость обмена данными. Она 32-разрядная, отличается от PCI следующим:

а) использует более высокие тактовые частоты (режим 2, 4);

б) режим демультиплексирования (SBA) – по очереди адрес и данные;

в) пакетная передача данных;

г) режим прямого исполнения в системной памяти DIME. Здесь обработка текстур ведётся предварительно в системной памяти, а в локальную память загружается уже результат. Её пропускная способность для режима 1х равна 66 * 32 = 2 112 бит/с = 264 Мбайт/с, в режиме 2х передача идёт по переднему и заднему фронтам, а потому цифра удвоится – 528 Мбайт/с – используется в Pentium с 64-разрядной внешней шиной. В режиме 4х (с пониженным напряжением питания) за 1 такт удаётся передать 32-разрядную команду. Скорость передачи около 1 Гбайт/с, но современные прогрессивные технологии 0,25 мкм и 0,18 мкм устойчиво работают и на частоте 133 МГц вместо 100 МГц, а тактовая частота AGP = 66% от 133 МГц, т.е. 100 МГц.

Слоты AGP бывают с напряжением питания:

а) 3,3 В (имеет ключ-перемычку на материнской плате и одну прорезь на плате, режим 2х);

б) 1,5 В (тоже с ключом-перемычкой, с 2 прорезями на плате, режим 4х);

в) универсальный слот (использует любое напряжение без перемычки, на плате 2 прорези, режим 4х).

Сейчас используется шина AGP 8х. Для технологии 0,09 мкм используется уже частота 400 МГц и выше, скорость передачи 4 Гбайт/с.

Есть шины, подключающие периферийные устройства вне корпуса РС кабелем. Рассмотрим их.

1. Шина USB (Universal Serial Bus). Разрабатывалась фирмами Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Обмен по интерфейсу – пакетный, скорость обмена 12 Мбит/с. На новых материнских платах есть разъём для подключения концентратора USB. USB позволяет подсоединить к компьютеру периферийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер), не выключая питания, т.к. поддерживает технологию Plug & Play. Его конфигурирование осуществляется автоматически. Все устройства должны быть с разъёмом USB и подключаться к РС через USB-хаб или концентратор, который позволяет подключать до 127 периферийных устройств.

Шины USB 1.1 и USB 2.0. Разъёмы выведены на заднюю стенку, их может быть до 4. На USB 2.0 пропускная способность уже до 480 Мбит/с. Реализуется как синхронный (для телеконференций), так и асинхронный режимы передачи данных, поддерживается дополнительный подканал для подключения клавиатуры, мыши, модема со скоростью обмена 1,5 Мбит/с.

2. Шина SCSI-1 (Small Computer System Interfase). Шина разработана в 1986 году. Скорость передачи данных – 2 Мбайт/с, подключаются к одному разъёму до 8 устройств (винчестер, привод CD-ROM, сканер, фото- и видеокамеры). Она реализована в виде кабельного шлейфа. С шиной PC PCI соединяется через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (I.D.). У неё асинхронный режим работы, есть Narrow-канал. В 1989 году появилась SCSI-2 со скоростью передачи 10 Мбайт/с. Здесь используется синхронный режим и Wide-канал.

В 1995 году появился стандарт Ultra SCSI с пропускной способностью 8-разрядной шины 20 Мбайт/с, а 16-разрядной шины Ultra SCSI – 40 Мбайт/с, но уменьшилась длина кабеля. После разработки нового метода передачи данных LVD (Low Voltage Differential) появились в 1997 году модели со скоростью передачи 80 Мбайт/с в Ultra2 SCSI и в 1999 году 160 Мбайт/с в Ultra3 SCSI.

В сентябре 1998 года появилась спецификация Ultra 160. Её пропускная способность 160 Мбайт/с. Основные особенности Ultra 160:

а) двойная синхронизация при передаче данных;

б) контроль целостности данных за счёт использования циклического кода с избыточностью (CRC);

в) контроль окружения. Заключается в проверке возможностей соединительных кабелей, терминаторов, карт с целью обеспечения оптимальной производительности шины.

У Ultra 320 пропускная способность 320 Мбайт/с для 16-разрядной шины, поддерживает 16 устройств без определения длины кабеля. Устройства соединяются кабелями в цепочку, а на крайнем устанавливается терминатор для устойчивости работы шины. Есть пассивные терминаторы (резистор с сопротивлением 132 Ом) и активные (от 132 до 110 Ом), позволяющие менять входное сопротивление в зависимости от стандарта SCSI. Разъёмы для подключения могут быть внутренними и внешними 50- и 68-контактными.

В 2001 году появилась шина SAS 1.0 (Serial Attached SCSI) со скоростью 1 500 Мбайт/с. По ней данные передаются последовательно, а не параллельно, предварительно объединяясь в пакеты. Жёсткие диски подключаются по методу «точка-точка», потому пропускные способности у всех дисководов одинаковые, а не делятся. В 2004 году появилась SAS 1.1 со скоростью 3 000 Мбайт/с. В 2006 году должна появиться шина SAS 2.0 со скоростью 6 000 Мбайт/с.

3. Шина является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3) – это высокоскоростная, локальная, последовательная шина, разработанная фирмами Apple и Texas Instruments в 1995 году. Изменяемая структура и одноранговая топология делают её удобной для подключения жёстких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также для работы мультимедийных приложений в реальном времени. Шина может передавать данные со скоростью 12,5; 25; 50; 100, 200 и 400 Мбит/с, ожидается до 1600. Она позволяет одновременно работать нескольким устройствам, передающим информацию с разными скоростями. Шина использует простой 6-проводный кабель, поддерживает технологию Plug & Play, но её структура проще, чем у SCSI, а стоимость ниже. Используется пакетный режим передачи информации – скорость в нём до 1 Гбайт/с.

Она построена по разветвляющейся топологии и позволяет использовать до 63 узлов в цепочке, а к каждому узлу можно подключить до 16 устройств. Длина кабеля между двумя узлами не более 4,5 м, иначе информация может исказиться. К данной шине можно подключать все устройства, которые подключают к шине SCSI. Это позволяет объединять компьютер с бытовой электроникой. Есть две моделиIEEE 1394 a и IEEE 1394 b.

В Windows’98 есть драйверы для портов этой шины, а в BIOS есть поддержка работы устройств этой шины.

Параллельная и последовательная передача данных использует различные методы и принципы обмена информацией.

Параллельная связь означает, что биты данных пересылаются и передаются не один за другим, а все 8 бит (или 1 байт) одновременно, поэтому кабель состоит из 8 проводов.

Параллельные интерфейсы разрабатывает фирма Centronics, специализирующаяся на производстве матричных принтеров.

На этом интерфейсе передача, как правило, однонаправленная, но некоторые принтеры конфигурируются с помощью программного обеспечения, а потому нужен уже двунаправленный кабель.

Это 25- или 36-контактный разъём (если для принтера).

Параллельный интерфейс часто обозначают аббревиатурой LPT (Line Printer) или PRN (Printer). Первый подключаемый принтер обозначается как LPT 1, а второй – LPT 2.

В BIOS PC есть поддержка до трёх параллельных интерфейсов.

При односторонней передаче данных в стандартном интерфейсе LPT скорость передачи данных – от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт EPP (Enhanced Parallel Port) – двунаправленный – передаёт 8 бит данных в обоих направлениях. У него есть буфер для хранения передаваемых данных, поэтому скорость передачи почти в 6 раз выше. Для него необходимо специальное программное обеспечение. Может подключать в цепочку до 64 периферийных устройств.

Есть ещё ECP (Extended Capability Port) с ещё более высокой скоростью передачи данных. Остальные параметры как у EPP, за исключением того, что можно подключать до 128 устройств. Можно передавать сжатую информацию, если порт, периферийные устройства и программа могут этот режим поддерживать.

Порты EPP и ECP включены в стандарт IEEE 1284. Многие лазерные принтеры тоже его используют. Кроме принтера, можно подключать стример, внешние дисководы, при этом скорость передачи данных – до
1 Мбайт/с. Эти порты используются при обмене данными между PC.

Для последовательных интерфейсов выбор подключаемых устройств шире. Разъёмы могут быть 9- и 25-контактными. В качестве стандартного обозначения используют COM (Communication – коммуникационный, последовательный) с протоколом RS-232 (Serial Interface или Serial Port).

Последовательная связь осуществляется побитно, обмен данными идёт в двух направлениях (асинхронный обмен). Напряжение на интерфейсе от
–12 В до +12 В, что позволяет использовать кабель длиной 50 м и более без потерь при передаче.

Последовательный интерфейс связывает два устройства.

Существуют номинальная скорость передачи и эффективная (реальная), в которой учитываются передача служебной информации и сжатие данных. Скорость измеряют в бодах (baud) или в bps (бит/с), но в бодах учитывают служебные биты, а в bps – нет.

Скорость передачи может быть 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200 бод и выше (до 115 200 бит/с).

Если у устройств разные скорости, то передача ведётся по меньшей скорости.

Конфигурация COM-портов различная. В BIOS есть поддержка для 4 интерфейсов COM, но только для 2 есть адреса на платах, а остальным нужно подбирать адреса и номера линий прерывания.