§ 5.3. Интерфейсы и порты ввода-вывода персонального компьютера

Компьютер состоит из множества отдельных устройств. Для взаимодействия между компонентами их необходимо связать физическими линиями (проводниками), которые обычно называют шинами. Сочетание шины и правил передачи сигналов по ней образует интерфейс.

Это совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Если интерфейс является общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другие устройства) связан с шиной определенного типа  адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по схеме на рис. ниже..

Контроллеры и адаптеры представляют собой комплекты электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера для обеспечения совместимости их интерфейсов. Контроллеры осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Рис.5.16 Порядок подключения периферийных устройств

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяют подключать периферийные устройства ПК к внешним шинам микропроцессора. Различают последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт (RS-232-C) обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами  побитно. В операционных системах компьютера IBM PC каждому порту RS-232-C присваивается логическое имя COM1:-COM4:.

Параллельный порт (обозначаются LPT1-LPT4) получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удаленные устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства  принтер и сканер.

Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъемы.

По функциональному назначению интерфейсы компьютера принято разделять на внешние (ввода-вывода) и внутренние. Очевидно, что внешние интерфейсы предназначены для подключения периферийных устройств (принтеров, сканеров и тому подобного), а также пользовательских компонентов управления (клавиатура, мышь). С внутренними интерфейсами ситуация выглядит несколько сложнее.

Часть из них можно назвать системными интерфейсами, поскольку они фигурируют исключительно внутри платформы (системная шина, шина чипсета, шина памяти), а часть  локальными. К широко распространенным локальным интерфейсам относятся ISA, PCI, AGP, IDE (ATA), COM, LPT, USB, IEEE 1394 (FireWire), SCSI, Serial ATA, PS/2, Game-port, MIDI, Ethernet, IrDA, Bluetooth и другие.

Рассмотрим более бодробно интерфейс USB в связи с его широким распространением. Универсальная последовательная шина USB представляет собой стандарт внешней шины периферийных устройств, предназначенный для полного использования технологии Plug and Play (технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере и других технических устройствах) при подключении внешних устройств к компьютеру. Используя эту шину, можно устранить необходимость в узкоспециализированных портах и платах ввода-вывода, что влечет за собой уменьшение потребности в изменении конфигурации системы при добавлении новых устройств. Также использование USB позволяет сэкономить важные системные ресурсы, такие как каналы запросов на прерывания (IRQ), — независимо от количества устройств, подсоединенных к порту USB, будет использоваться только одно прерывание. Компьютер, оснащенный USB, способен автоматически распознавать и конфигурировать физически подключаемые устройства, не требуя при этом перезагрузки. К одному порту USB можно подключить до 127 устройств, при этом периферия, такая как клавиатура и монитор, сами могут выступать в роли дополнительных концентраторов USB.

Как и везде, важным фактором является сбалансированный состав интерфейсов в компьютере: оптимальное соотношение передовых современных и морально устаревших стандартов, а также их соответствие решаемым задачам. Основное внимание уделим локальным и внешним интерфейсам.

Комплект системной логики (чипсет). Потенциальные возможности и эффективность компьютера во многом определяются установленным на материнской плате набором микросхем системной логики, называемым чипсетом (ChipSet). Он обеспечивает работу процессора, системной шины (соединяет процессор и контроллер оперативной памяти), интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами компьютера. Его основная задача  поддержка множества несовместимых напрямую интерфейсов.

Современные аппаратные интерфейсы и системная шина работают асинхронно, т.е. могут одновременно передавать и получать сигналы. Они не согласованы ни по характеру сигналов, ни по тактовой частоте, ни по пропускной способности. Для увязки данных и приведения их к удобной для обмена форме требуются операции преобразования и кэширования.

Многие современные чипсеты включают две «базовые» микросхемы, которые принято называть соответственно «North Bridge» (северный мост) и «South Bridge» (южный мост).

Северный мост, или контроллер-концентратор памяти, обычно обеспечивает управление шиной AGP, шиной системной памяти, шиной PCI. В современных центральных процессорах контроллер памяти может быть интегрированным. Южный мост управляет интерфейсами IDE, USB, ACPI, IEEE 1294, имеет мост ISA-PCI, контроллеры клавиатуры, мыши, FDD. Оба моста соединены шиной PCI или другим интерфейсом. Известны чипсеты, в которых встроены видео и звуковые контроллеры. Необходимо отметить, что чипсет не является отдельным устройством, подключаемым к системной плате.

Комплект системной логики всегда интегрирован с нее, а следовательно, разработкой и производством чипсетов будут заниматься фирмы, непосредственно производящие системные платы.

Наиболее распространены следующие чипсеты: NvidiaG-Force 2 (3, 4), VIA K8T800 PRO, VIA K8T890, Intel865PE, AMD-8000 для 32-х разрядных систем; Intel B75, Intel Z77 Express для 64-х разрядных систем и др.