Тема 2. Структура персонального комп’ютера

3. ОРГАНІЗАЦІЯ ШИН КОМП'ЮТЕРА

Сукупність трактів, об'єднуючих між собою основні пристрої ОМ (центральний процесор, пам'ять і модулі вводу/виводу), утворює структуру взаємозв'язків обчислювальної машини. Структура взаємозв'язків повинна забезпечувати обмін інформацією між: центральним процесором і пам'яттю; центральним процесором і модулями вводу/виводу; пам'яттю і модулями вводу/виводу. Взаємозв'язок частин ОМ і її «спілкування» із зовнішнім середовищем забезпечуються системою шин. Більшість машин містять декілька різних шин, кожна з яких оптимізована під певний вид комунікацій. Частина шин прихована усередині інтегральних мікросхем або доступна тільки в межах друкарської плати. Шину утворює набір комунікаційних ліній, кожна з яких здатна передавати сигнали, що представляють двійкові цифри 1 і 0. По лінії може пересилатися розгорнена в часі послідовність таких сигналів. При сумісному використанні декілька ліній можуть забезпечити одночасну (паралельну) передачу двійкових чисел. Фізично лінії шини реалізуються у вигляді окремих провідників, як смужки провідного матеріалу на монтажній платі або як алюмінієві або мідні провідні доріжки на кристалі мікросхеми. Операції на шині називають транзакціями. Основні види транзакцій ‒ транзакции читання і транзакції запису. Якщо в обмені бере участь пристрій вводу/виводу, можна говорити про транзакції вводу і виводу, по суті еквівалентних транзакціям читання і запису відповідно. Шинна транзакція включає дві частини: пересилання адреси і прийом (або пересилання) даних. Англійський еквівалент терміну «шина» – «bus». 3.1. Типи і призначення шин комп'ютера Важливим критерієм, що визначає характеристики шини, може служити її цільове призначення. По цьому критерію можна виділити: шини «процесор-пам'ять»; шини вводу/виводу; системні шини. 15 Шина «процесор-пам'ять» Шина «процесор-пам'ять» забезпечує безпосередній зв'язок між центральним процесором (ЦП) обчислювальної машини і основною пам'яттю (ОП). У сучасних мікропроцесорах таку шину часто називають шиною переднього плану і позначають абревіатурою FSB (Front-Side Bus). Інтенсивний трафік між процесором і пам'яттю вимагає, щоб смуга пропускання шини, тобто кількість інформації, що проходить по шині в одиницю часу, була найбільшою. Роль цієї шини іноді виконує системна шина (див. нижче), проте в плані ефективності значно вигідніше, якщо обмін між ЦП і ОП ведеться по окремій шині. До даного виду можна віднести також шину, що пов'язує процесор з кеш-пам'яттю другого рівня, відому як шина заднього плану, - BSB (Back-Side Bus). BSB дозволяє вести обмін з більшою швидкістю, чим FSB, і повністю реалізувати можливості швидкіснішої кеш-пам'яті. Оскільки у фон-нейманівських машинах саме обмін між процесором і пам'яттю багато в чому визначає швидкодію ОМ, розробники приділяють зв'язку ЦП з пам'яттю особливу увагу. Для забезпечення максимальної пропускної спроможності шини «процесор – пам'ять» завжди проектуються з урахуванням особливостей організації системи пам'яті, а довжина шини – по можливості мінімальною. Шина вводу/виводу Шина вводу/виводу служить для з'єднання процесора (пам'яті) з пристроями вводу/виводу. Враховуючи різноманітність таких пристроїв, шини вводу/виводу уніфікуються і стандартизуються. Зв'язки з більшістю пристроїв вводу/виводу (але не з відеосистемами) не вимагають від шини високої пропускної спроможності. При проектуванні шин вводу/виводу враховується вартість конструктиву і з'єднувальних роз'ємів. Такі шини містять менше ліній в порівнянні з варіантом «процесор-пам'ять», але довжина ліній може бути дуже великою. Типовими прикладами подібних шин можуть служити шини PCI і SCSI. Шина РСІ Шина розширення РСІ була розроблена фірмою Intel для процесора Pentium. Розробники її відмовились від традиційної концепції, ввівши ще одну шину між процесором і шиною вводу/виводу. Вона не підключається безпосередньо до шини процесора, яка дуже чутлива до зовнішніх втручань. Було розроблено новий комплект мікросхем 16 контролерів для розширення шини. Підключення пристроїв до шини РСІ подано на рис. 4. Ця шина доповнює традиційну конфігурацію розташування шин ще одним рівнем. При цьому звичайна шина вводу/виводу не використовується, а фізично створюється ще одна високошвидкісна системна шина з розрядністю, що дорівнює розрядності процесора. В материнських платах тактова частота шини РСІ задається як половина тактової частоти системної шини. Висока пропускна спроможність шини досягається за рахунок її паралельної роботи з шиною процесора, РСІ не звертається зі своїми запитами до неї. В той час, як шина РСІ обмінюється інформацією з іншими пристроями, процесор працює з даними, що містяться в кешпам'яті. Основним принципом, покладеним в основу локальної шини РСІ, є застосування мостів (Bridges), які здійснюють зв'язок між шиною РСІ та іншими шинами. Процесор Кеш-пам'ять Контролер SCSI Інтерфейс шини розширення DRAM Контролер пам'яті шини Звукова плата Обробка зображень Локальна шина PCI Мережний адаптер Графічний адаптер Основні функції вводу/виводу Шина ISA/EISA Рис. 4. Структурна схема підключення пристроїв до локальної шини РСІ В шині РСІ реалізовано принцип Bus Mastering, який відображає здатність зовнішнього пристрою при передачі даних керувати шиною без участі процесора. Пристрій, що підтримує Bus Mastering, захоплює шину і стає головним. За такого підходу процесор під час передачі даних звільняється для виконання інших задач. Шина РСІ стала стандартом серед шин вводу/виводу. 17 Шина SCSI Абревіатура SCSI розшифровується, як Small Computer System Interface; це універсальний інтерфейс, використовуваний для підключення пристроїв різного типу до персонального комп'ютера і створений на основі стандарту SASI (Shugart Associates System Interface). Інтерфейс SCSI головним чином призначений для підключення високошвидкісних жорстких дисків до високопродуктивних ПК, таких, як робочі станції і мережеві сервери. SCSI є не тільки дисковим, але і системним інтерфейсом, тобто дозволяє підключати пристрої самих різних типів, зокрема принтери і сканери. Шина підтримує в цілому від 7 до 15 пристроїв. Існують також багатоканальні адаптери, які забезпечують підтримку від 7 до 15 пристроїв на кожному каналі [13]. Прискорений графічний порт (AGP) Прискорений графічний порт (AGP) призначений для підвищення ефективності роботи з відео- і тривимірною графікою. Він подібний до РСІ, але має деякі доповнення і розширення. AGP не залежить від шини РСІ ні логічно, ні електрично, ні фізично. Роз'єм AGP подібний до роз'єму РСІ, але має контакти для додаткових сигналів і відповідно іншу розводку контактів. AGP – по суті високоефективне з'єднання, розроблене спеціально для відеоадаптера. В системі для одного адаптера допускається тільки один роз'єм AGP. Шина AGP працює на частоті 66 МГц, нею можна передавати дані зі швидкістю приблизно 533 Мбайт/с. При використанні відеоадаптера AGP шина РСІ вивільняється для виконання традиційних функцій вводу/виводу. Крім підвищення ефективності роботи відеоадаптера порт AGP дає змогу отримати швидкий доступ безпосередньо до оперативної пам'яті. Однією з головних особливостей стандарту AGP є здатність розподілити RAM між процесором і чіпсетом відеокарти. Обробка тривимірних зображень виконується RAM центрального процесора і відеопроцесором. Системна шина З метою зниження вартості деякі ОМ мають загальну шину для пам'яті і пристроїв вводу/виводу. Така шина часто називається системною. Системна шина служить для фізичного і логічного об'єднання всіх пристроїв ОМ. Оскільки основні пристрої машини, як правило, розміщуються на загальній монтажній платі, системну шину 18 часто називають об'єднувальною шиною (backplane bus), хоча ці терміни не можна рахувати строго еквівалентними. Системна, шина в змозі містити декілька сотень ліній. Сукупність ліній шини можна підрозділити на три функціональні групи: шину даних, шину адреси і шину управління [23]. До останньої зазвичай відносять також лінії для подачі напруги живленя на модулі, що підключаються до системної шини. Функціонування системної шини можна описати таким чином. Якщо один з модулів хоче передати дані в іншій, він повинен виконати дві дії: отримати в своє розпорядження шину і передати по ній дані. Якщо якийсь модуль хоче отримати дані від іншого модуля, він повинен отримати доступ до шини і за допомогою відповідних ліній управління і адреси передати в інший модуль запит. Далі він повинен чекати, поки модуль, що отримав запит, пошле дані. Фізично системна шина є сукупністю паралельних електричних провідників. Цими провідниками служать металеві смужки на друкарській платі. Шина підводиться до всіх модулів, і кожен з них під'єднується до всіх або деяких її ліній. Якщо ОМ конструктивно виконана на декількох платах, то всі лінії шини виводяться на роз'єми, які потім об'єднуються провідниками на загальному шасі. Серед стандартизованих системних шин універсальних ОМ найбільш відомі шини Unibus, Fastbus, Futurebus, VME, NuBus, Multibus-II. Персональні комп'ютери, як правило, будуються на основі системної шини в стандартах ISA, EISA або MCA. Шина ISA Протягом багатьох років шина ISA була стандартом в галузі РС – комп'ютерів. Вона є однією з перших у сімействі шин, але використовується до цього часу. Це зумовлено тим, що для багатьох пристроїв, зокрема миші, клавіатури, модемів, ручних сканерів та інших, швидкодія цієї шини більш ніж достатня. Свого часу, коли частота ISA перевищила 8 МГц, здійснювались спроби відділити шину ISA від шини процесора, яка була тоді основною. Раніше вони працювали на одній частоті. Згодом, щоб шини не розділяти, було розроблено розширений варіант шини ISA з новою назвою – VESA Local Bus (чи VL–Bus). Так відбувся поворот до архітектури локальних шин. Фірма Intel сумісно з Microsoft розробила стратегію поступової відмови від шини ISA (згідно із специфікацією РС98 і РС99). За специфікації РС99 надалі в комп'ютері повинні використовуватись тільки 19 дві шини – PCI i AGP. Але, враховуючи великий парк РС із шиною ISA, вона використовуватиметься ще не один рік. Шина EISA Шина EISA є подальшим вдосконаленням шини ISA. Вона була розроблена фірмами Epson, Hewlett–Packard, NEC, Compaq i Wyse і має такі переваги: повна сумісність слота ЕISA із слотом ISA, що дає можливість встановлювати карти ISA в слоті ЕISA, а це, в свою чергу, відкидає необхідність замінювати всі карти розширення; шина ЕISA є 32–розрядною, що дає можливість використання відповідних карт – мережних, графічних, жорсткого диска; шина ЕISA (як і МСА) є інтелектуальною, тобто конфігурація карт розширення виконується не апаратно за допомогою DIP – перемикача і джамперів, а програмно. Шина ЕISA не отримала значного поширення через високу вартість і відсутність у достатній кількості карт розширення ЕISA та нижчу пропускну спроможність порівняно з локальною шиною VESA. Шина VESА Шина VESА була розроблена для зв'язку процесора зі швидкодіючими периферійними пристроями. Вона є розширенням шини ІSA для обміну відеоданими. Обмін інформацією з процесором здійснюється під керуванням контролерів, розташованих на картах, що встановлюються в слот VESA (VLB) в обхід стандартної шини вводу/виводу. Шина VESA (VLB) широко застосовувалась для процесорів і486, але на сьогодні вона повністю витіснена продуктивнішою шиною РСІ. 3.2. Послідовний, паралельний і інші інтерфейси вводу/виводу Основними засобами комунікації, використовуваними в сучасних ПК, є послідовні і паралельні порти. Послідовні порти (вони ж комунікаційні або COM порти) спочатку використовувалися пристроями, яким була потрібна двонаправлена взаємодія з системою. Сюди відносяться модеми, миші, сканери, дігітайзери і будь-які інші пристрої, які "говорять" з ПК і отримують відповідну "відповідь". Нові послідовні порти дозволяють здійснювати високошвидкісну двонаправлену передачу даних. Термін послідовний означає, що передача даних здійснюється по одиночному провідникові, а біти при цьому передаються послідовно, один за другим. 20 Паралельний порт використовується для підключення до комп'ютера принтера, звідси і пішла його назва – LPT (Line Printer Terminal – порт порядкового принтера). Традиційний, він же стандартний, LPTпорт (званий ще SSP-портом) орієнтований на виведення даних, хоча з деякими обмеженнями дозволяє і вводити дані. Проте, не дивлячись на таку вузьку спеціалізацію, паралельні порти почали застосовуватися як відносний швидкий інтерфейс передачі даних між пристроями. У паралельних портах для одночасної передачі байта інформації використовується вісім ліній. Цей інтерфейс відрізняється високою швидкодією, часто застосовується для підключення до комп'ютера принтера, а також для з'єднання комп'ютерів. Істотним недоліком паралельного порту є те, що з'єднальні провідники не можуть бути дуже довгими. При великій довжині сполучного кабелю в нього доводиться вводити проміжні підсилювачі сигналів, оскільки інакше виникає багато перешкод. В даний час для настільних і портативних комп'ютерів розроблено два високошвидкісні пристрої з послідовною шиною: USB і IEEE 1394, званий також i.Link або FireWire. Ці високошвидкісні комунікаційні порти відрізняються від стандартних паралельних і послідовних портів, встановлених в більшості сучасних комп'ютерів, ширшими можливостями. Перевага нових портів полягає в тому, що їх можна використовувати як альтернативу SCSI для високошвидкісних з'єднань з периферійними пристроями, а також під'єднувати до них всі типи зовнішніх периферійних пристроїв. Периферійна шина USB Периферійна шина USB призначена для периферійних пристроїв поза корпусом РС. Швидкість обміну інформацією шиною USB – 12 Мбіт/с. Для підключення до комп'ютера всі периферійні пристрої повинні бути обладнані роз'ємами USB і підключатися до РС через окремий блок – USB-хаб чи концентратор, який знаходиться на материнській платі. До комп'ютерів з шиною USB підключають клавіатуру, мишу, джойстик, принтер та інші периферійні пристрої, не вимикаючи живлення. При підключенні кожного з них автоматично здійснюється його конфігурування. За його допомогою до комп'ютера можна підключити до 127 периферійних пристроїв. Кабелі, роз'єми, концентратори та периферійні пристрої, що підтримують USB, можна визначити по знаку, показаному на рис. 5. Зверніть увагу на символ плюс, доданий до другого знаку – він означає стандарт USB 2.0 (високошвидкісний стандарт). 21 Підтримка USB 1.x Підтримка USB 2.0 і 1.x Рис. 5. Логотип пристроїв USB Основним ініциатором разрабки стандарту USB виступила фірма Intel. Починаючи з набору мікросхем системної логіки Triton II (82430HX), в якому стандарт USB був втілений в мікросхемі PIIX3 South Bridge, компанія Intel підтримує цей стандарт у всіх своїх наборах мікросхем системної логіки. У специфікації USB 2.0, що з'явилася відносно недавно, швидкість передачі даних в 40 разів вища, ніж в оригінальній USB 1.0; крім того, забезпечується повна зворотна сумісність пристроїв. Шина Fire Wire (IEEE 1394) Це стандарт високошвидкісної локальної послідовної шини, розроблений фірмами Apple та Texas Instruments. Шина ІЕЕЕ 1394 призначена для обміну цифровою інформацією між шиною розширення РСІ та іншими пристроями, зокрема жорсткими дисками, пристроями обробки аудіо- і відеоінформації та ін. Вона також ідеально підходить для роботи мультимедійних додатків у реальному часі, особливо пов'язаних з нелінійним монтажем відеофрагментів. Шина ІЕЕЕ 1394 передає дані зі швидкістю 12,5; 25; 50; 100 та 200 Мбайт/с, а при роботі з окремими файлами – до 1 Гбіт/с. Пакетний режим передачі інформації забезпечує її високу швидкість. Для передачі інформації використовується простий 6-провідний кабель. Дві різні пари ліній кабелю призначені для передачі тактових імпульсів та інформації, а дві лінії є лініями живлення. До шини ІЕЕЕ 1394 можна під'єднувати практично всі пристрої, здатні працювати з SCSI. До них належать накопичувачі на жорстких і оптичних дисках, CD – ROM, DVD – диски, цифрові відеокамери, пристрої запису на магнітну стрічку та інші високошвидкісні периферійні пристрої. Адаптери ІЕЕЕ 1394 випускаються для шини РСІ. Починаючи з Windows 98, в наступних версіях Windows додаються драйвери для портів ІЕЕЕ 1394. Фірма Intel згідно із специфікацією РС98 і РС99 планує повністю замінити шину ISA шиною USB для підключення низькошвидкісних периферійних пристроїв вводу/- виводу і шиною ІЕЕЕ 1394 для підключення пристроїв зберігання інформації CD – ROM, HDD та інших, а також введення відеоданих.