План лекції. Основні напрямки розвитку периферійних пристроїв

Лекція №1.2

Основні напрямки розвитку периферійних пристроїв

В майбутньому робота буде направлена на розробку сучасних, інтелектуальних (комп'ютерних і комунікаційних) периферійних пристроїв, які, будучи багатофункціональними, в теж час залишалися б нескладними для звичайного користувача. Розробка інтелектуальних мікросистем включатиме комплекс заходів по мініатюризації систем, зокрема мініатюризацію сенсорів, з активним використанням мікроперетворювачів на основі електричних, механічних, оптичних, хімічних, біологічних, магнітних або інших властивостей матеріалів, інтегрованих в одному кристалі НВІС або в багатокристальній гібридній мікросхемі.

Інтеграція, низьке енергоспоживання і мініатюризація будуть основними напрямами розвитку для периферійних пристроїв і терміналів, а також для програмних і апаратних модулів зберігання і обробки інформації. Насущною необхідністю є розробка методології зберігання великих масивів даних. Підсистеми: основна увага буде приділена розробці систем для домашнього використання. Мікросистеми: розширення використання інтелектуальних мікросистем, особливо в таких областях, як медицина, біохімія, моніторинг стану навколишнього середовища, автомобільна і аерокосмічна промисловість, а також використання мікросистем як засобів вимірювання і контролю інших систем і підсистем. Головною метою є передача досвіду і знань від дослідників і розробників в промисловість і прискорення впровадження існуючих технологій в дослідне і дрібносерійне виробництво, інтеграція оптичних технологій в мікроелектронні підсистеми і мікросистеми для поліпшення технічних характеристик останніх (наприклад, електрооптичні системи). Робота підтримуватиметься відповідними заходами, що проводяться в рамках програми "Сприяння постійному економічному зростанню і зростанню конкурентоспроможності" з метою корекції розробок мікросистем так, щоб їх результати були готові до промислового виробництва вже на етапі завершення НДР. Впровадження: робота буде доповнена заходами щодо узгодження і координації з метою стандартизації нових розробок, а також заходами щодо залучення перших користувачів, особливо в області мікросистем.

“Організація системи вводу-виводу інформації в ЕОМ. Адаптери”

1. Організація системи вводу-виводу інформації в ЕОМ.

2. Стандартні типи відеоадаптерів

3. Будова відеоадаптера

В інформатиці, введення / висновок (в англ. Мові часто використовується скорочення I / O - input / output) означає взаємодію між обробником інформації (наприклад, комп'ютер) і зовнішнім світом, який може представляти як людина, так і будь-яка інша система обробки інформації. Введення - сигнал або дані, отримані системою, а висновок - сигнал або дані, надіслані нею (або з неї). Термін також може використовуватися як позначення (або доповнення до позначення) певної дії: «виконувати введення / висновок» означає виконання операцій введення або виведення. Пристрої введення-виведення використовуються людиною (або іншою системою) для взаємодії з комп'ютером. Наприклад, клавіатури і миші - спеціально розроблені комп'ютерні пристрої введення, а монітори та принтери - комп'ютерні пристрої виводу. Пристрої для взаємодії між комп'ютерами, як модеми та мережеві карти, зазвичай служать пристроями введення і виведення одночасно.

Варто зазначити, що призначення пристрою як пристрої введення або виведення залежить від перспективи. Миші та клавіатури беруть фізична взаємодія, здійснюване людиною-користувачем (до речі, щодо нього це будуть дії з виведення інформації), і перетворює його в сигнали, зрозумілі комп'ютера. Виведення інформації з цих пристроїв є введенням її в комп'ютер. Аналогічно, принтери та монітори отримують на вході сигнали, які виводить комп'ютер. Потім вони перетворюють ці сигнали в такий вигляд, який людина зможе побачити чи прочитати. (Для людей-користувачів процес читання або перегляду подібних варіантів представлення інформації є введенням або отриманням інформації).

У комп'ютерній архітектурі об'єднання процесора і основної пам'яті (тобто пам'яті, з якої процесор може читати і записувати в неї безпосередньо за допомогою особливих інструкцій) становить «мозок» комп'ютера, і з цієї точки зору, будь-який обмін інформацією з цим об'єднанням, наприклад, з дисковим накопичувачем, передбачає введення-виведення. Процесор і його супутні електронні ланцюги реалізують введення-виведення з розподілом пам'яті, що використовується в низкоуровневом програмуванні при реалізації драйверів пристроїв.

Високорівнева операційна система та програмне забезпечення використовують інші, більш абстрактні концепції і примітиви введення-виведення. Наприклад, більшість операційних систем реалізують прикладні програми через концепцію файлів. Мови програмування Сі і C + +, а також операційні системи сімейства Unix, традиційно абстрагують файли і пристрої у вигляді потоків даних, з яких можна читати і в які можна записувати, або і те й інше разом. Стандартна бібліотека мови Сі реалізує функції для роботи з потоками для введення і виведення даних.

Обмін (даними) - В контексті мови програмування Алгол 68 механізми введення і виведення спільно називалися обміном. Бібліотека обміну Алгол 68 розпізнавала такі стандартні файли / пристрої: stand in, stand out, stand error і stand back.

Альтернативою спеціальним найпростішим функцій служить монада введення-виведення, яка дозволяє програмам просто описувати введення-виведення, а дії виносяться за рамки програми. Це дуже показово, тому що функції введення-виведення мають побічні ефекти в будь-якій мові програмування, але зараз набуло поширення чисто функціональне програмування.

Пристрій введення-виведення - компонент типової архітектури ЕОМ, що надає комп'ютеру можливість взаємодії із зовнішнім світом і, зокрема, з користувачами та іншими комп'ютерами.

Поділяються на:

• Пристрій введення - прилади для занесення (вводу) даних у комп'ютер під час його роботи.

• Пристрій виведення - засоби виведення інформації з комп'ютера.

• Пристрої введення-виведення - компоненти ЕОМ з переносними носіями (дисководи), двонаправлені інтерфейси (різні порти комп'ютера, різні мережні інтерфейси)

Різновиди пристроїв введення

Основним, і зазвичай необхідним, пристроєм введення текстових символів і послідовностей (команд) у комп'ютер залишається клавіатура.

Пристрої введення графічної інформації

• Сканер

• Відео-та Веб-камера

• Цифровий фотоапарат

• Плата відеозахоплення

Пристрої введення звуку

• Мікрофон

• Цифровий диктофон

Пристрої введення текстової інформації

• Клавіатура

Вказівні (координатні) пристрої

З відносним зазначенням позиції (переміщення)

• Миша

• Трекбол

• трекпоінт

• Тачпад

• Джойстик

• Roller Mouse

З можливістю вказівки абсолютної позиції

• Графічний планшет

• Світлове перо

Ігрові пристрої введення

• Джойстик

• Педаль

• Геймпад

• Кермо

• Важіль для симуляторів польоту (штурвал, Ручка управління літаком)

• Танцювальна платформа

Різновиди пристроїв виводу

Пристрої для виведення візуальної інформації

• Монітор (дисплей)

• Проектор

• Принтер

• Графобудівник

Пристрої для виведення звукової інформації

• Вбудований динамік

• Колонки

• Навушники

Пристрої вводу / виводу

• Магнітний барабан

• Стример

• Дисковод

• Жорсткий диск

• Різні порти

• Різні мережеві інтерфейси.

Відповідно до точним визначенням, як «серця» комп'ютера розглядається центральний процесор і ОЗУ. Всі операції, які не є внутрішніми по відношенню до цього комплексу, розглядаються як операції введення / виводу.

Інтерфейс введення-виведення

Інтерфейс введення-виведення вимагає управління процесором кожного пристрою. Інтерфейс повинен мати відповідну логіку для інтерпретації адреси пристрою, що генерується процесором.

Встановлення контакту повинно бути реалізовано інтерфейсом за допомогою відповідних команд типу (ЗАЙНЯТО, ГОТОВИЙ, ЖДУ), щоб процесор міг взаємодіяти з пристроєм вводу-виводу через інтерфейс.

Якщо існує необхідність передачі розрізняються форматів даних, то інтерфейс повинен вміти конвертувати послідовні (впорядковані) дані в паралельну форму і навпаки.

Повинна бути можливість для генерації переривань і відповідних типів чисел для подальшої обробки процесором (при необхідності).

Комп'ютер, що використовує введення-виведення з розподілом пам'яті, звертається до апаратного забезпечення за допомогою читання і записи в певні осередки пам'яті, використовуючи ті ж самі інструкції мови асемблера, які комп'ютер зазвичай використовує при зверненні до пам'яті.

Відеоадаптер

Відеокарта (відома також як графічна плата, графічна карта, відеоадаптер, графічний адаптер) (англ. videocard) - пристрій, що перетворює графічний образ, що зберігається як вміст пам'яті комп'ютера або самого адаптера, в іншу форму, призначену для подальшого виведення на екран монітора. В даний час ця функція втратила основне значення і в першу чергу під графічним адаптером розуміють пристрій з графічним процесором - графічний прискорювач, який і займається формуванням самого графічного образу.

Зазвичай відеокарта є платою розширення і вставляється в роз'єм розширення, універсальний (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) або спеціалізований (AGP), але буває і вбудованою (інтегрованою) в системну плату (як у вигляді окремого чіпа, так і в якості складової частини північного моста чіпсета або ЦПУ).

Сучасні відеокарти не обмежуються простим виведенням зображення, вони мають вбудований графічний процесор, який може виробляти додаткову обробку, знімаючи це завдання центральний процесор комп'ютера. Наприклад, усі сучасні відеокарти Nvidia і AMD (ATi) здійснюють рендеринг графічного конвеєра OpenGL і DirectX на апаратному рівні. Останнім часом також має місце тенденція використовувати обчислювальні можливості графічного процесора для вирішення неграфічних завдань (див. OpenCL).

Історія

Одним з перших графічних адаптерів для IBM PC став MDA (Monochrome Display Adapter) в 1981 році. Він працював тільки в текстовому режимі з роздільною здатністю 80 × 25 символів (фізично 720 × 350 точок) і підтримував п'ять атрибутів тексту: звичайний, яскравий, інверсний, підкреслений і миготливий. Ніякої колірної або графічної інформації він передавати не міг, і те, якого кольору будуть літери, визначалося моделлю використовувався монітора. Зазвичай вони були чорно-білими, бурштиновими або смарагдовими. Фірма Hercules в 1982 році випустила подальший розвиток адаптера MDA, відеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller - графічний адаптер Геркулес), який мав графічне дозвіл 720 × 348 пікселів і підтримував дві графічні сторінки. Але він все ще не дозволяв працювати з кольором.

Першою кольоровий відеокартою стала CGA (Color Graphics Adapter), випущена IBM і стала основою для подальших стандартів відеокарт. Вона могла працювати або в текстовому режимі з дозволами 40 × 25 і 80 × 25 (матриця символу - 8 × 8), або в графічному з дозволами 320 × 200 або 640 × 200. У текстових режимах доступно 256 атрибутів символу - 16 кольорів символу і 16 кольорів фону (або 8 кольорів фону і атрибут мигання), в графічному режимі 320 × 200 було доступно чотири палітри по чотири кольори кожна, режим високого дозволу 640 × 200 був монохромним. У розвиток цієї карти з'явився EGA (Enhanced Graphics Adapter) - поліпшений графічний адаптер, з розширеною до 64 квітів палітрою, і посередником буфером. Було покращено дозвіл до 640 × 350, в результаті додався текстовий режим 80 × 43 при матриці символу 8 × 8. Для режим 80 × 25 використовувалася велика матриця - 8 × 14, одночасно можна було використовувати 16 кольорів, колірна палітра була розширена до 64 кольорів. Графічний режим також дозволяв використовувати при дозволі 640 × 350 16 кольорів з палітри в 64 кольору. Був сумісний з CGA і MDA.

Варто зауважити, що інтерфейси з монітором всіх цих типів відеоадаптерів були цифрові, MDA і HGC ​​передавали тільки світиться чи не світиться точка і додатковий сигнал яскравості для атрибута тексту «яскравий», аналогічно CGA по трьох каналах (червоний, зелений, синій) передавав основний відеосигнал, і міг додатково передавати сигнал яскравості (всього виходило 16 кольорів), EGA мав по дві лінії передачі на кожний з основних кольорів, тобто кожен основний колір міг відображатися з повною яскравістю, 2 / 3 або 1 / 3 від повної яскравості, що й давало в сумі максимум 64 кольору.

У ранніх моделях комп'ютерів від IBM PS / 2, з'являється новий графічний адаптер MCGA (Multicolor Graphics Adapter - багатобарвний графічний адаптер). Текстове дозвіл було піднято до 640x400, що дозволило використовувати режим 80x50 при матриці 8x8, а для режиму 80x25 використовувати матрицю 8x16. Кількість кольорів збільшена до 262144 (64 рівня яскравості по кожному кольору), для сумісності з EGA в текстових режимах була введена таблиця кольорів, через яку виконувалося перетворення 64-кольорового простору EGA в колірний простір MCGA. З'явився режим 320x200x256, де кожен піксел на екрані кодувався відповідним байтом у відеопам'яті, ніяких бітових площин не було, відповідно з EGA залишилася сумісність тільки по текстових режимам, сумісність з CGA була повна. Через величезної кількості яркостей основних кольорів виникла необхідність використання вже аналогового колірного сигналу, частота рядкової розгортки складала вже 31,5 kГц.

Потім IBM пішла ще далі і зробила VGA (Video Graphics Array - графічний відео масив), це розширення MCGA, сумісний з EGA та введене в середніх моделях PS / 2. Це фактичний стандарт відеоадаптера з кінця 80-х років. Додані текстове дозвіл 720x400 для емуляції MDA і графічний режим 640x480, з доступом через бітові площині. Режим 640x480 чудовий тим, що в ньому використовується квадратний піксель, тобто співвідношення числа пікселів по горизонталі й вертикалі збігається зі стандартним співвідношенням сторін екрану - 4:3. Далі з'явився IBM 8514 / a з дозволами 640x480x256 і 1024x768x256, і IBM XGA з текстовим режимом 132x25 (1056x400) і збільшеною глибиною кольору (640x480x65K).

З 1991 року з'явилося поняття SVGA (Super VGA - «понад» VGA) - розширення VGA з додаванням більш високих режимів і додаткового сервісу, наприклад можливості поставити довільну частоту кадрів. Число одночасно відображаються збільшується до 65 536 (High Color, 16 біт) і 16 777 216 (True Color, 24 біта), з'являються додаткові текстові режими. З сервісних функцій з'являється підтримка VBE (VESA BIOS Extention - розширення BIOS стандарту VESA). SVGA сприймається як фактичний стандарт відеоадаптера десь з середини 1992 року, після прийняття асоціацією VESA стандарту VBE версії 1.0. До того моменту практично всі відеоадаптери SVGA були несумісні між собою.

Графічний інтерфейс користувача, що з'явився в багатьох операційних системах, стимулював новий етап розвитку відеоадаптерів. З'являється поняття «графічний прискорювач» (graphics accelerator). Це відеоадаптери, які виробляють виконання деяких графічних функцій на апаратному рівні. До числа цих функцій належать, переміщення великих блоків зображення з однієї ділянки екрана в інший (наприклад при переміщенні вікна), заливання ділянок зображення, малювання ліній, дуг, шрифтів, підтримка апаратного курсору і т. п. Прямим поштовхом до розвитку настільки спеціалізованого пристрою стало те, що графічний користувальницький інтерфейс безсумнівно зручний, але його використання вимагає від центрального процесора чималих обчислювальних ресурсів, і сучасний графічний прискорювач якраз і покликаний зняти з нього левову частку обчислень з остаточного висновку зображення на екран.

Приклад домашнього комп'ютера не-IBM - ZX Spectrum, має свою історію розвитку відеорежимів.

Пристрій

Сучасна відеокарта складається з наступних частин:

• графічний процесор (Graphics processing unit - графічне процесорний пристрій) - займається розрахунками зображення, що виводиться, звільняючи від цього обов'язку центральний процесор, проводить розрахунки для обробки команд тривимірної графіки. Є основою графічної плати, саме від нього залежать швидкодія і можливості всього пристрою. Сучасні графічні процесори по складності мало чим поступаються центральному процесору комп'ютера, і часто перевершують його як за кількістю транзисторів, так і з обчислювальної потужності, завдяки великому числу універсальних обчислювальних блоків. Однак, архітектура GPU минулого покоління звичайно припускає наявність декількох блоків обробки інформації, а саме: блок обробки 2D-графіки, блок обробки 3D-графіки, у свою чергу, зазвичай розділяється на геометричне ядро ​​(плюс кеш вершин) і блок растеризації (плюс кеш текстур) та ін

• відеоконтролер - відповідає за формування зображення у відеопам'яті, дає команди RAMDAC на формування сигналів розгортки для монітора і здійснює обробку запитів центрального процесора. Крім цього, зазвичай присутні контролер зовнішньої шини даних (наприклад, PCI або AGP), контролер внутрішньої шини даних і контролер відеопам'яті. Ширина внутрішньої шини і шини відеопам'яті зазвичай більше, ніж зовнішньої (64, 128 або 256 розрядів проти 16 або 32), в багато відеоконтролер вбудовується ще й RAMDAC. Сучасні графічні адаптери (ATI, nVidia) зазвичай мають не менше двох видеоконтроллеров, що працюють незалежно один від одного і керуючих одночасно одним або кількома дисплеями кожен.

• відеопам'ять - виконує роль кадрового буфера, в якому зберігається зображення, що генерується і постійно змінюване графічним процесором і виводиться на екран монітора (чи декількох моніторів). У відеопам'яті зберігаються також проміжні невидимі на екрані елементи зображення та інші дані. Відеопам'ять буває декількох типів, що розрізняються за швидкістю доступу і робочій частоті. Сучасні відеокарти комплектуються пам'яттю типу DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 і GDDR5. Слід також мати на увазі, що крім відеопам'яті, що знаходиться на відеокарті, сучасні графічні процесори зазвичай використовують у своїй роботі частина загальної системної пам'яті комп'ютера, прямий доступ до якої організовується драйвером відеоадаптера через шину AGP або PCIE. У разі використання архітектури UMA як відеопам'ять використовується частина оперативної пам'яті комп'ютера.

• цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) - служить для перетворення зображення, формованого відеоконтролером, в рівні інтенсивності кольору, що подаються на аналоговий монітор. Можливий діапазон кольоровості зображення визначається тільки параметрами RAMDAC. Найчастіше RAMDAC має чотири основні блоки - три цифроаналогових перетворювача, по одному на кожний колірний канал (червоний, зелений, синій, RGB), і SRAM для зберігання даних про гамма-корекції. Більшість ЦАП мають розрядність 8 біт на канал - виходить по 256 рівнів яскравості на кожен основний колір, що в сумі дає 16,7 млн ​​кольорів (а за рахунок гамма-корекції є можливість відображати вихідні 16,7 млн ​​кольорів в набагато більшу колірне простір). Деякі RAMDAC мають розрядність по кожному каналу 10 біт (1024 рівня яскравості), що дозволяє відразу відображати більше 1 млрд квітів, але ця можливість практично не використовується. Для підтримки другого монітора часто встановлюють другий ЦАП. Варто зазначити, що монітори і відеопроектори, що підключаються до цифрового DVI виходу відеокарти, для перетворення потоку цифрових даних використовують власні цифроаналогові перетворювачі і від характеристик ЦАП відеокарти не залежать.

• відео-ПЗП (Video ROM) - постійний запам'ятовуючий пристрій, в який записані відео-BIOS, екранні шрифти, службові таблиці і т. п. ПЗУ не використовується відеоконтролером прямо - до нього звертається тільки центральний процесор. Що зберігається в ПЗУ відео-BIOS забезпечує ініціалізацію і роботу відеокарти до завантаження основної операційної системи, а також містить системні дані, які можуть читатися і інтерпретуватися відеодрайвером в процесі роботи (залежно від застосовуваного методу розділення відповідальності між драйвером і BIOS). На багатьох сучасних картах встановлюються електрично перепрограмовані ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), що допускають перезапис відео-BIOS самим користувачем за допомогою спеціальної програми.

• система охолодження - призначена для збереження температурного режиму відеопроцесора і відеопам'яті в допустимих межах.

Правильна і повнофункціональна робота сучасного графічного адаптера забезпечується за допомогою відеодрайвера - спеціального програмного забезпечення, що поставляється виробником відеокарти і завантаження в процесі запуску операційної системи. Відеодрайвер виконує функції інтерфейсу між системою з запущеними в ній програмами та відеоадаптером. Так само як і відео-BIOS, відеодрайвер організовує та програмно контролює роботу всіх частин відеоадаптера через спеціальні регістри управління, доступ до яких відбувається через відповідну шину.

Характеристики

• ширина шини пам'яті, вимірюється в бітах - кількість біт інформації, переданої за такт. Важливий параметр в продуктивності карти.

• обсяг відеопам'яті, вимірюється в мегабайтах - обсяг власної оперативної пам'яті відеокарти. Більший обсяг далеко не завжди означає більшу продуктивність.

Відеокарти, інтегровані в набір системної логіки материнської плати або є частиною ЦПУ, зазвичай не мають власної відеопам'яті і використовують для своїх потреб частину оперативної пам'яті комп'ютера (UMA - Unified Memory Access).

• частоти ядра і пам'яті - вимірюються в мегагерцах, чим більше, тим швидше відеокарта буде обробляти інформацію.

• текстурна і піксельна швидкість заповнення, вимірюється в млн. пікселів в секунду, показує кількість виведеної інформації в одиницю часу.

• висновки карти - відеоадаптери MDA, Hercules, CGA і EGA оснащувалися 9-контактним роз'ємом типу D-Sub. Зрідка також був присутній коаксіальний роз'єм Composite Video, що дозволяє вивести чорно-біле зображення на телевізійний приймач або монітор, оснащений НЧ-відеовходом. Відеоадаптери VGA і пізніші зазвичай мали всього один роз'єм VGA (15-контактний D-Sub). Dispay Port дозволяє підключати до чотирьох пристроїв, у тому числі акустичні системи, USB-концентратори і інші пристрої введення-виведення.

Мережевий адаптер

Мережева плата, також відома як мережна карта, мережевий адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface card) - периферійний пристрій, що дозволяє комп'ютеру взаємодіяти з іншими пристроями мережі. В даний час, особливо в персональних комп'ютерах, мережеві плати досить часто інтегровані в материнські плати для зручності і здешевлення всього комп'ютера в цілому.

Типи

За конструктивної реалізації мережеві плати діляться на:

• внутрішні - окремі плати, що вставляються в ISA, PCI або PCI-E слот;

• зовнішні, що підключаються через USB або PCMCIA інтерфейс, переважно використовуються в ноутбуках;

• вбудовані в материнську плату.

На 10-мегабітних мережевих платах для підключення до локальної мережі використовуються 4 типи роз'ємів:

• 8P8C для витої пари;

• BNC-коннектор для тонкого коаксіального кабелю;

• 15-контактний роз'єм AUI трансивера для товстого коаксіального кабелю.

• оптичний роз'єм (en: 10BASE-FL і інші стандарти 10 Мбіт Ethernet)

Ці роз'єми можуть бути присутніми в різних комбінаціях, іноді навіть всі три відразу, але в будь-який даний момент працює тільки один з них.

На 100-мегабітних платах встановлюють або роз'єм для витої пари (8P8C, помилково званий RJ-45 [1]), або оптичний роз'єм (SC, ST, MIC [2]).

Поряд з роз'ємом для витої пари встановлюють один або декілька інформаційних світлодіодів, що повідомляють про наявність підключення і передачі інформації.

Однією з перших масових мережевих карт стала серія NE1000/NE2000 фірми Novell з роз'ємом BNC.

Параметри мережного адаптера

При конфігуруванні карти мережного адаптера можуть бути доступні наступні параметри:

• номер лінії запиту на апаратне переривання IRQ

• номер каналу прямого доступу до пам'яті DMA (якщо підтримується)

• базовий адресу вводу / виводу

• базовий адреса пам'яті ОЗУ (якщо використовується)

• підтримка стандартів автоузгодження дуплексу / напівдуплекс, швидкості

• підтримка теггрірованних пакетів VLAN (802.1q) з можливістю фільтрації пакетів заданого VLAN ID

• параметри WOL (Wake-on-LAN)

• функція Auto-MDI/MDI-X автоматичний вибір режиму роботи по прямій або перехресної обтискача кручений пари

Залежно від потужності й складності мережевої карти вона може реалізовувати обчислювальні функції (переважно підрахунок і генерацію контрольних сум кадрів) апаратно або програмно (драйвером мережевої карти з використанням центрального процесора).

Серверні мережеві карти можуть поставлятися з двома (і більше) мережевими роз'ємами. Деякі мережеві карти (вбудовані в материнську плату) також забезпечують функції міжмережевого екрану (наприклад, nforce).

Функції і характеристики мережевих адаптерів

Мережевий адаптер (Network Interface Card (або Controller), NIC) разом зі своїм драйвером реалізує другий, канальний рівень моделі відкритих систем в кінцевому вузлі мережі - комп'ютері. Більш точно, у мережній операційній системі пара адаптер і драйвер виконує тільки функції фізичного й Мас-рівнів, у той час як LLC-рівень звичайно реалізується модулем операційної системи, єдиним для всіх драйверів і мережевих адаптерів. Власне так воно і повинно бути у відповідності з моделлю стека протоколів IEEE 802. Наприклад, в ОС Windows NT рівень LLC реалізується в модулі NDIS, загальному для всіх драйверів мережевих адаптерів, незалежно від того, яку технологію підтримує драйвер.

Мережевий адаптер спільно з драйвером виконують дві операції: передачу і прийом кадру. Передача кадру з комп'ютера в кабель складається з перерахованих нижче етапів (деякі можуть бути відсутні, в залежності від прийнятих методів кодування):

• Прийом кадру даних LLC через міжрівневий інтерфейс разом з адресною інформацією МАС-рівня. Зазвичай взаємодія між протоколами усередині комп'ютера відбувається через буфери, розташовані в оперативній пам'яті. Дані для передачі в мережу містяться в ці буфери протоколами верхніх рівнів, які витягують їх з дискової пам'яті або з файлового кеша за допомогою підсистеми вводу / виводу операційної системи.

• Оформлення кадру даних МАС-рівня, в який інкапсулюються кадр LLC (з відкинутими прапорами 01111110). Заповнення адрес призначення і джерела, обчислення контрольної суми.

• Формування символів кодів при використанні надлишкових кодів типу 4В/5В. Скремблювання кодів для одержання більш рівномірного спектра сигналів. Цей етап використовується не у всіх протоколах - наприклад, технологія Ethernet 10 Мбіт / с обходиться без нього.

• Видача сигналів у кабель відповідно до прийнятого лінійним кодом - манчестерским, NRZ1. MLT-3 і т. п.

Прийом кадру з кабелю в комп'ютер включає наступні дії:

• Прийом з кабелю сигналів, що кодують бітовий потік.

• Виділення сигналів на тлі шуму. Цю операцію можуть виконувати різні спеціалізовані мікросхеми або сигнальні процесори DSP. У результаті в приймачі адаптера утвориться деяка бітова послідовність, з великим ступенем ймовірності збігається з тією, яка була послана передавачем.

• Якщо дані перед відправкою в кабель піддавалися скремблювання, то вони пропускаються через дескремблер, після чого в адаптері відновлюються символи коду, послані передавачем.

• Перевірка контрольної суми кадру. Якщо вона неправильна, то кадр відкидається, а через міжрівневий інтерфейс наверх, протоколу LLC передається відповідний код помилки. Якщо контрольна сума вірна, то з МАС-кадру витягається кадр LLC і передається через міжрівневий інтерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC міститься в буфер оперативної пам'яті.

Розподіл обов'язків між мережним адаптером і його драйвером стандартами не визначається, тому кожен виробник вирішує це питання самостійно. Зазвичай мережеві адаптери діляться на адаптери для клієнтських комп'ютерів та адаптери для серверів.

В адаптерах для клієнтських комп'ютерів значна частина роботи перекладається на драйвер, тим самим адаптер виявляється простіше і дешевше. Недоліком такого підходу є високий ступінь завантаження центрального процесора комп'ютера рутинними роботами по передачі кадрів з оперативної пам'яті комп'ютера в мережу. Центральний процесор змушений займатися цією роботою замість виконання прикладних задач користувача.

Тому адаптери, призначені для серверів, звичайно забезпечуються власними процесорами, які самостійно виконують велику частину роботи з передачі кадрів з оперативної пам'яті в мережу і в зворотному напрямку. Прикладом такого адаптера може служити мережевий адаптер SMC EtherPower з вбудованим процесором Intel i960.

Залежно від того, який протокол реалізує адаптер, адаптери діляться на Ethernet-адаптери, Token Ring-адаптери, FDDI-адаптери і т. д. Тому що протокол Fast Ethernet дозволяє за рахунок процедури автопереговорів автоматично вибрати швидкість роботи мережевого адаптера залежно від можливостей концентратора, то багато адаптерів Ethernet сьогодні підтримують дві швидкості роботи і мають у своїй назві приставку 10/100. Це властивість деякі виробники називають авточувствітельностью.

Мережевий адаптер перед установкою в комп'ютер необхідно конфігурувати. При конфігуруванні адаптера задаються номер переривання IRQ, використовуваного адаптером, номер каналу прямого доступу до пам'яті DMA (якщо адаптер підтримує режим DMA) і базова адреса портів введення / виводу.

Якщо мережевий адаптер, апаратура комп'ютера і операційна система підтримують стандарт Plug-and-Play, то конфігурування адаптера і його драйвера здійснюється автоматично. В іншому випадку потрібно спочатку настроїти мережевий адаптер, а потім повторити параметри його конфігурації для драйвера. У загальному випадку, деталі процедури конфігурування мережевого адаптера і його драйвера по чому залежать від виробника адаптера, а також від можливостей шини, для якої розроблений адаптер.

Класифікація мережевих адаптерів

Як приклад класифікації адаптерів використовуємо підхід фірми 3Com. Фірма 3Com вважає, що мережеві адаптери Ethernet пройшли у своєму розвитку три покоління.

Перше покоління

Адаптери першого покоління були виконані на дискретних логічних мікросхемах, внаслідок чого мали низьку надійність. Вони мали буферну пам'ять тільки на один кадр, що призводило до низької продуктивності адаптера, оскільки всі кадри передавалися з комп'ютера в мережу або з мережі в комп'ютер послідовно. Крім цього, завдання конфігурації адаптера першого покоління відбувалося вручну, за допомогою перемичок. Для кожного типу адаптерів використовувався свій драйвер, причому інтерфейс між драйвером і мережевою операційною системою не був стандартизований.

Друге покоління

У мережевих адаптерах другого покоління для підвищення продуктивності стали застосовувати метод багатокадрової буферизації. При цьому наступний кадр завантажується з пам'яті комп'ютера в буфер адаптера одночасно з передачею попереднього кадру в мережу. У режимі прийому, після того як адаптер повністю прийняв один кадр, він може почати передавати цей кадр з буфера в пам'ять комп'ютера одночасно з прийомом іншого кадру з мережі.

У мережевих адаптерах другого покоління широко використовуються мікросхеми з високим ступенем інтеграції, що підвищує надійність адаптерів. Крім того, драйвери цих адаптерів засновані на стандартних специфікаціях. Адаптери другого покоління зазвичай поставляються з драйверами, що працюють як у стандарті NDIS (специфікація інтерфейсу мережного драйвера), розробленому фірмами 3Com і Microsoft і схваленому IBM, так і в стандарті ODI (інтерфейс відкритого драйвера), розробленому фірмою Novell.

Третє покоління

У мережевих адаптерах третього покоління (до них фірма 3Com відносить свої адаптери сімейства EtherLink III) здійснюється конвеєрна схема обробки кадрів. Вона полягає в тому, що процеси прийому кадру з оперативної пам'яті комп'ютера і передачі його в мережу поєднуються в часі. Таким чином, після прийому декількох перших байт кадру починається їх передача. Це істотно (на 25-55%) підвищує продуктивність ланцюжка «оперативна пам'ять - адаптер - фізичний канал - адаптер - оперативна пам'ять». Така схема дуже чутлива до порога початку передачі, тобто до кількості байт кадру, що завантажується в буфер адаптера перед початком передачі в мережу. Мережевий адаптер третього покоління здійснює самонастройку цього параметра шляхом аналізу робочого середовища, а також методом розрахунку, без участі адміністратора мережі. Самонастройка забезпечує максимально можливу продуктивність для конкретного поєднання продуктивності внутрішньої шини комп'ютера, його системи переривань і системи прямого доступу до пам'яті.

Адаптери третього покоління базуються на спеціалізованих інтегральних схемах (ASIC), що підвищує продуктивність і надійність адаптера при одночасному зниженні його вартості. Компанія 3Com назвала свою технологію конвеєрної обробки кадрів Parallel Tasking, інші компанії також реалізували схожі схеми у своїх адаптерах. Підвищення продуктивності каналу «адаптер-пам'ять» дуже важливо для підвищення продуктивності мережі в цілому, тому що продуктивність складного маршруту обробки кадрів, що включає, наприклад, концентратори, комутатори, маршрутизатори, глобальні канали зв'язку і т. п., завжди визначається продуктивністю самого повільного елемента цього маршруту. Отже, якщо мережевий адаптер сервера або клієнтського комп'ютера працює повільно, ніякі швидкі комутатори не зможуть підвищити швидкість роботи мережі.

Четверте покоління

Випускаються сьогодні мережеві адаптери можна віднести до четвертого покоління. У ці адаптери обов'язково входить ASIC, що виконує функції МАС-рівня (англ. MAC-PHY), швидкість розвинена до 1 Гбіт / сек, а також велика кількість високорівневих функцій. У набір таких функцій може входити підтримка агента вилученого моніторингу RMON, схема пріоритезації кадрів, функції дистанційного керування комп'ютером і т. п. У серверних варіантах адаптерів майже обов'язкова наявність потужного процесора, що розвантажує центральний процесор. Прикладом мережевого адаптера четвертого покоління може служити адаптер компанії 3Com Fast EtherLink XL 10/100.

Дата добавления: 2014-01-04