Стандартные интерфейсы и шины систем ввода-вывода

Интерфейсы компьютера можно разделить на две большие группы: внешние и внутренние. Внутренние интерфейсы предназначены для быстрой связи на коротких расстояниях. Стандартизованные интерфейсы и шины расширения служат для увеличения возможностей компьютера (Рис.11.3). Шины расширения реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) на системной плате компьютера. Интересно проследить эволюционный путь развития этих устройств.

Мост

Шина процессора

Шина PCI

Видеоадаптер

Диск IDE

Шина SCSI (ATA, IDE, ATAPI, SATA, SCSI, FireWire, SAS)

			Видео

Рис. 11.3 Современный ПК с набором шин - PCI, EISA, SCSI, USB

С ростом частоты работы ЦПУ и изменения времени доступа к ОП пропускная способность шины ISA в 8 Мбайт/сек стала тормозить работу процессора. Решение проблемы нашли в выделении канала передачи данных МП-ОЗУ в отдельную шину, построенную на базе внешнего интерфейса ЦП, и изолированную от медленной шины ISA посредством контроллера шины данных. Это повысило производительность работы центрального процессора. Все ПУ продолжали взаимодействовать с центральным процессором через системную шину.

С дальнейшим ростом частоты работы ЦП тормозом в работе стало ОП. Тогда ввели дополнительную высокоскоростную кэш - память, что уменьшило простои ЦПУ. Все ПУ продолжали работать через системную шину, но кроме ISA появились более скоростные шины EISA и MCA.

По способу передачи информации интерфейсы делятся на параллельные и последовательные. Разряды данных могут передаваться в интерфейсах одновременно, т.е. параллельно. Такие интерфейсы называются параллельными, и они имеют шину данных из стольких линий, сколько разрядов передается одновременно. При передаче данных по одной линии последовательно разряд за разрядом, интерфейс называют последовательным. Кажется очевидным, что при одной и той же скорости работы линий интерфейса, пропускная способность параллельного интерфейса выше, чем у последовательного. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи и количества линий данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. Задержка сигналов в различных линиях не одинакова, и это особенно сказывается при увеличении длины линий, что требует для надежной передачи данных дополнительных временных и аппаратных затрат, сдерживая этим рост пропускной способности параллельного интерфейса. Кроме того, в параллельных интерфейсах с увеличением числа параллельных линий и их длины труднее реализовать компенсацию помех, наводимых за счет электрического взаимодействия линий между собой. В последовательных интерфейсах есть свои проблемы повышения производительности, но т.к. в них используется меньшее число линий, повышение пропускной способности канала связи обходится дешевле.

Поэтому важным параметром интерфейсов является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно определяется как частотными свойствами, так и помехозащищенностью используемых каналов связи.

Для интерфейса, соединяющего два устройства (модуля), различаются три возможных режима обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи, но имеющему две группы линий «туда» и «обратно», одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлении «туда» и «обратно» имеет существенно различающееся значения, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию по одним и тем же линиям «туда» и «обратно» поочередно в разные моменты времени, при этом интерфейс имеет средства переключения направлений канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении могут передаваться только вспомогательные сигналы интерфейса).

Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

Асинхронная шина не тактируется. Вместо этого обычно используется старт-стопный режим передачи и протокол "рукопожатия" (handshaking) между источником и приемником данных на шине. Эта схема позволяет гораздо проще приспособить широкое разнообразие устройств и удлинить шину без беспокойства о перекосе сигналов синхронизации и о системе синхронизации. Если может использоваться синхронная шина, то она обычно быстрее, чем асинхронная, из-за отсутствия накладных расходов на синхронизацию шины для каждой транзакции. Выбор типа шины (синхронной или асинхронной) определяет не только пропускную способность, но также непосредственно влияет на емкость системы ввода/вывода в терминах физического расстояния и количества устройств, которые могут быть подсоединены к шине. Асинхронные шины по мере изменения технологии лучше масштабируются. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.

Среди применяемых в современных ПК интерфейсов можно отметить EIDI, SCSI, SSA, USB, FireWire (IEEE 1394) и DeviceBay. Среди интерфейсов передачи данных особняком стоят порты ввода/вывода, использующиеся для подключения низкоскоростных периферийных устройств: последовательный порт (COM), параллельный порт (LPT), игровой порт и инфракрасный порт (IrDA).

На определенном этапе развития компьютеров стали широко использовать мультимедиа. Сразу выявилось узкое место во взаимодействии центрального процессора и видеокарты. Потребовалась пропускная способность более 100 Мбайт/с. Имеющиеся системные шины ISA, ЕISA, МСА не удовлетворяли этим условиям. Их пропускная способность составляла от 16 до 30 Мбайт/сек.

Стоит вспомнить, как развивались средства ввода/вывода. Уже к самым первым компьютерам требовалось подключить какие-то внешние устройства, в том числе для ввода и вывода на перфокарты, на магнитные ленты, нужны были принтеры, а затем диски и множество других устройств. Однако эти подключения оставались частными решениями, выполненными без соблюдения каких-либо общепринятых стандартов. Когда началось массовое производство миниЭВМ, потребовались технологии для унификации ввода/вывода, в ответ на это появилась архитектура общей шины, которая обеспечила единообразие подключения периферии, открыв, тем самым, рынок внешних устройств. В последующем, для связи с периферией была выделена отдельная специализированная шина PCI (Peripheral Connection Interface); она оказалась настолько удобной, что сохранилась до сих пор без радикальных изменений. Идеология шины PCI, из самого названия которой следует, что она служит для подключения периферии, складывалась в то время, когда сервер рассматривался как нечто изолированное. Поэтому в нее естественным образом заложена возможность подключения ограниченного количества периферийных устройств через контроллеры, соответствующие каждому типу устройства. Традиционный ввод/вывод предполагает подключение накопителей напрямую к стандартной шине PCI; для этого широко используются параллельные интерфейсы SCSI (Small Computer Systems Interface), ATA (Advanced Technology Attachment) или Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). Одновременно постепенно происходит сериализация интерфейсов; компьютерная индустрия мигрирует на Serial Attached SCSI и Serial ATA.

Выход был найден с разработкой и внедрением локальных высокоскоростных шин, посредством которых можно было связаться с памятью, на этой же шине работали жесткие диски, что также повышало качество вывода графической информации. Первой такой шиной была шина VL-bus, практически повторявшая интерфейс МП i486. Затем появилась локальная шина РСI. Она была процессорно-независимой и поэтому получила наибольшее распространение для последующих типов МП. Эта шина имела частоту работы 33 МГц и при 32-х разрядных данных обеспечивала пропускную способность в 132 Мбайт/с. Системная шина ISA по-прежнему использовалась в компьютерах, что позволяло применять в новых компьютерах огромное количество ранее разработанных аппаратных и программных средств.

В такой системе ввода-вывода различные ПУ подключались к разным шинам. Медленные - к ISA, а высокоскоростные - к РСI. Важнейшее отличие шины PCI от шины ISA заключается в возможности динамического конфигурирования периферийных устройств, то есть система распределяет ресурсы между периферийными устройствами оптимальным образом и без постороннего вмешательства. С появление шины РСI стало целесообразным использовать высокоскоростные параллельные и последовательные интерфейсы ПУ (SCSI, ATA, USB). Появление шины РСI не сняло всех проблем по качественному выводу визуальной информации для 3-х мерных изображений, "живого" видео. Здесь уже требовались скорости в сотни Мбайт/сек. В 1996г. фирма Intel разработала новую шину AGP, предназначенную только для связи ОЗУ и процессора с видеокартой монитора. Эта шина обеспечивала пропускную способность в сотни Мбайт/сек. Она непосредственно связывала видеокарту с ОЗУ минуя шину РСI.

Все шины систем ввода-вывода объединяются в единую транспортную среду передачи информации с помощью специальных устройств: мостов и контроллеров ввода-вывода (Chipset).

Мост – устройство, применяемое для объединения шин, использующих разные или одинаковые протоколы обмена. Мост – это сложное устройство, которое осуществляет не только коммутацию каналов передачи данных, но и производит управление соответствующими шинами.

В структуре компьютера, использующего шину РСI, применяются три типа мостов. Мост шины – южный мост (РСI Bridge), производящий подключение шины РСI к другим шинам, например, ISA или ЕISA. Главный мост – северный мост (Host Bridge), соединяющий шину РСI с системной шиной, кроме того, этот мост содержит контроллер ОЗУ, арбитр и схему автоконфигурации. Одноранговый мост (Peer-to-Peer) для соединения двух шин РСI между собой. Это делается для увеличения числа устройств, подключаемых к шине.

Для управления шинами и обеспечения выполнения функций интерфейсов, входящих в систему ввода-вывода, применяются специальные контроллеры и схемы. К ним можно отнести контроллеры прерываний 8259А и прямого доступа к памяти 8237А, таймер 8254А, часы реального времени, буферы шин данных, дешифраторы, мультиплексоры, регистры и другие логические устройства.

Дата добавления: 2014-01-04