2. Периферийные устройства вычислительной техники

В соответствии с принципом Дж. фон Неймана ввод информации для обработки и инструкций, предписывающих как ее надо обрабатывать (программа), а также и вывод результатов осуществляется через внешние устройства (ВУ).

Современная вычислительная система имеет развитую инфраструктуру внешних устройств, куда кроме устройств ввода / вывода необходимо отнести устройства внешней памяти (например, дисковые накопители), устройства преобразования информации (сканеры), манипуляторы, модем и т.д. Таким образом, более правильно говорить о периферийных устройствах современной вычислительной системы.

2.1. Общие принципы построения, программная поддержка работы периферийных устройств

Для работы процессора необходимы программы и данные, которые по команде устройства управления (УУ) поступают в процессор из памяти. Результат операций также должен быть помещен в память для дальнейшего использования, вывода на внешние устройства или хранения. Такой обмен информацией осуществляется через т.н. системную магистраль данных или шину. Очевидно, что параметры шины влияют на характеристики компьютера.

2.1.1. Характеристики и параметры шины

Шиной (Bus) называется совокупность линий (проводников на материной плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства персонального компьютера. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Р ассмотрим, как работают шины. На рис.14 изображена система с одной шиной памяти и одной шиной ввода-вывода. Все устройства, связанные с шиной, должны подчиняться протоколам шины. Некоторые из таких устройств являются активными и могут инициировать передачу информации по шине, тогда как другие являются пассивными и ждут запросов.

Активное устрой­ство называется задающим устройством, пассивное – подчиненным устройством. Когда центральный процессор требует от контроллера диска считать или записать блок информации, центральный процессор действует как задающее устройство, а контроллер диска – как подчиненное устройство. Контроллер диска может дей­ствовать как задающее устройство, когда он командует памяти принять слова, считанные с диска. Память ни при каких обстоятельствах не может быть задающим устройством.

Двоичные сигналы на выходе различных устройств компьютера часто недоста­точно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большин­ство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины (фактически, драйвер – это усилитель). Аналогично, большинство подчиненных устройств связаны с шиной посредством прием­ника. Для устройств, которые могут быть и задающими, и подчиненными, используется приемопередатчик шины. Обычно шина имеет места для подключения внешних устройств, которые в результате сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройств.

Шины различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина процессора) используется микросхемами Chipset для пересылки информации к процессору и от него;

• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между процессором и кэш-памятью;

• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;

• шины ввода / вывода, которые классифицируются как стандартные и локальные:

• локальная шина ввода / вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и систем­ной шиной. В настоящее время в качестве таковой используется шина PCI. Ранее применялись шины ISA и VLB. Для ускорении ввода/вывода видеоданных и повышения производительности при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

• стандартная шина ввода / вывода используется для подключения к вышепере­численным шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время им на смену пришли шины LPC, USB.

Этим списком не исчерпывается весь набор шин. В зависимости от своего функционального назначения современные персональные компьютеры могут быть оборудованы такими шинами, как USB, SCSI, FireWire, которые устанавливаются в слоты расширения или могут быть интегрированы в материнскую плату. Их работу обеспечивает соответствующий контроллер.

Шина имеет собственную архитектуру позволяющую реализовать важнейшие ее свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины включает следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шины данных);

• линии для адресации данных (шины адреса);

• линии для управления данными (шины управления);

• контроллер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо интегрируется в микросхемы Chipset («Чипсет»).

Важнейшей характеристикой шины является разрядность шины (иногда говорят «ширина шины»), которая определяется количеством данных, параллельно проходящих через нее. Заметим, что здесь под разрядностью шины понимается разрядность шины данных. Системные шины современных ПК на базе процессоров пятого и шестого поколения – 64-разрядные.

Второй характеристикой шины является пропускная способность, которая оп­ределяется количеством информации, передаваемой по шине за секунду.