Лаб_ВМСиС. Вычислительные машины, системы и сети
 Скачать 2.31 Mb.
|
Системный и периферийные интерфейсы (шины)Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обычно предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом. В литературе иногда вместо термина «интерфейс» употребляют термины «контроллер» или «адаптер». Строго говоря, это не совсем верно, так как контроллер – это устройство (микропроцессор) управляет интерфейсом и обеспечивает его работоспособность, адаптер же (совокупность устройств, может включать в свой состав контроллер) отвечает за совместимость интерфейсов. Внутримашинный интерфейс система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность электрических линий связи (кабелей), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (правил) передачи и преобразован я сигналов. В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Шина совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. Разрядность или ширина шины количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частота шины частота, с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи. Кроме того, в состав системной шины в разных ПК включаются:
В компьютерах широко используются также периферийные шины интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно действующих устройств. Шины расширенийШина расширения ISA (Industry Standard Architecture промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC/XT (1981 год) и для PC AT (1984 год). Универсальная – для подключения устройств различных типов видео, модем, звук, сеть и т.д). Устарела, для ПК на 16-разрядных микропроцессорах. Шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина, создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расширение ISA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Локальные шиныСовременные вычислительные системы характеризуются:
В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д. Сейчас существуют три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP. Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA торговая марка Video Electronics Standards Association) часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Устарела (ориентация только на МП 80386, 80486). Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов) самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Разработана в 1993 году фирмой Intel. Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП, а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Шина AGP (Accelerated Graphics Port ускоренный графический порт) интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на основную память. Сравнительная характеристика шин
Периферийные шиныШина АТА (АТ Attachment), более известная как IDE (Integrated Drive Electonics) предложена в 1988 г. для IBM PC AT для ВЗУ. Ограничивает емкость ЖМД 504 Мбайтами (16 головок х 1024 цилиндров х 63 сектора х 512 байт в секторе = 528 482 304 бай = 504 Мбайт), скорость передачи 5-10 Мбайт/сек. Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA (тоже с номерами), Ultra ATA (и их несколько) и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в литературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоящее время более 90% всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE. Кратко рассмотрим некоторые модификации. Fast ATA-2 или EIDE (расширенный Enhanced IDE), использующий как традиционную (но расширенную) адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стандарт AT API, может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и НКМЛ. ATAPI (ATA Package Interface) стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD-ROM, стримеры, сканеры и т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra ATA обслуживают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с, поддерживают технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology технологию самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно. UDMA (Ultra Direct Memory Access) режим прямого доступа к памяти. Обычный метод обмена с жестким диском IDE это программный ввод-вывод, РIO (Programmed Input/Output), при котором процессор, используя команды ввода-вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод-вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена. На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств. SСSI (Small Computer System Interface) является более сложным и мощным интерфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования-декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т.п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA прямого доступа к памяти, или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента шины). Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битовую шину; SCSI-2 и SCSI-3 16- или 32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI: plug and Play добавлены средства поддержки технологии Plug and Play автоматическое опознание типа и функционального назначения устройств, настройка без помощи пользователя или при минимальном его участии, возможность замены устройств во время работы и т. п. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI. RS-232 интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (СОМ-порту). Управление работой СОМ-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой, расположенной на материнской плате. Физически разъем СОМ-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д. IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers стандарт Института инженеров по электротехнике и электроник) стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port улучшенный параллельный порт), ЕСР (Extended Capabilities Port порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате. Универсальные последовательные периферийные шиныUSB (Universal Serial Bus) новая универсальная последовательная шина. Она появилась в 1995 году и призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (СОМ-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть прийти на смену последовательным и параллельным клавиатурным и «мышиным» портам все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug and Play. Технология Plug and Play «включай и работай» позволяет производить «горячую» замену, т.е. замену устройств без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает. К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств, практически любых: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т. д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу пакетный, скорость обмена 12 Мбит/с. В 2001 году появилась следующая спецификация интерфейса USB 2.0 (начальный стандарт теперь называется USB 1.1), обеспечивающая пропускную способность 480 Мбит/с. Поддерживается также дополнительный подканал со скоростью обмена данными в 1,5 Мбит/с для медленных устройств (клавиатуры, мыши, модема). IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1394) новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонентов компьютера и внешних устройств. IEEE 1394 известен также под именем FireWire «огненный провод» (хотя это название собственность Apple и на компьютерах других производителей не применяется, как и цифровой интерфейс iLink компании Sony, также объединенный в стандарте IEEE 1394). Цифровой последовательный интерфейс FireWire характеризуется высокой надежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантированную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины FireWire можно подсоединить друг к другу огромное количество различных устройств по технологии Plug and Play и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от названных ранее трудно конфигурируемых шин типа SCSI. К одному контроллеру возможно подключение до 63 устройств на один порт с помощью единого шестижильного кабеля. Пропускная способность интерфейса составляет 100-400 Мбит/с, а в будущем ожидается даже 1600 Мбит/с. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д. PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) внешняя шина компьютеров класса ноутбуков. Другое название модуля PCMCIA PC Card. Шина имеет разрядность 16/26 (данные/адрес, адресное пространство 64 Мбайт), поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив миниатюрный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера. В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) анонсировала новый чрезвычайно эффективный последовательный интерфейс Serial ATA, обеспечивающий пропускную способность 1500 Мбит/с по 8-жильному кабелю (вместо 80-жильного, используемого параллельным АТА). 3. Объект изучения. Объектом изучения является ПК 4. Порядок выполнения работы 1.Уяснить меры безопасности на рабочем месте и расписаться в журнале инструктажа по технике безопасности. 2. Изучить состав и конструкцию современного ПК, используя данные методические указания. 3. Ответить на тесты, которые оцениваются преподавателем по 5 – балльной системе. 4. Навести порядок на рабочем месте и далее действовать по указанию преподавателя. |