Шины и системы ввода/вывода

Третьим ключевым элементом помимо центрального процессора и основной памяти является система ввода/вывода (Input-Output System, IOS). IOS призвана обеспечить обмен информацией между ядром вычислительной машины и различными внешними устройствами. Технически IOS в рамках вычислительной машины реализуется комплексом модулей ввода/вывода. Два основных модуля ввода/вывода:

1. Обеспечение интерфейса с ЦП и памятью

2. Обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устройствами.

Попытки стандартизации модуля ввода/вывода в плане средств и правил сопряжения с ЦП привели к понятию шины.

Шина – каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. Стоит учесть, что разъемы на материнской плате – это интерфейс, но не сама шина. Можно выделить три основных способа подключения систем IOS к ядру процессора:

Подключение памяти и систем ввода/вывода к цп через отдельные шины

1. Осуществляет обращение к памяти параллельно с операциями ввода-вывода

2. Позволяет специализировать каждую из шин

3. Позволяет учесть формат пересылаемых данных

4. Позволяет учесть особенности синхронизации обмена

Совместно используемые линии данных и адреса

1. Память и IOS имеют общие линии адреса и данных, данные разделяются по времени. Сокращается количество каналов.

2. Управление осуществляется по отдельным выделенным каналам

3. Возникают некоторые сложности синхронизации памяти и устройств ввода-вывода по управлению.

4. Зависимость сокращения скорости ввода-вывода и количества каналов нелинейная.

Подключение системы ввода/вывода к шине на общих правах с цп и памятью

Существуют три основных показателя работы шины:

1. Тактовая частота. Работа любого цифрового компьютера зависит от тактовой частоты, которую определяет кварцевый резонатор. Принято измерять в МГц.

2. Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Обычно заявляются разрядности в 8, 16 и 32 канала, хотя реально шина имеет большую разрядность.

3. Скорость передачи данных – частота умноженная на разрядность. Реально стоит рассчитывать на четверть этой скорости. Полученное число всегда завышено из-за:

   1. Неэффективная проводимость

   2. Помехи

   3. Несовершенство конструкции

За работой шины следят специальные устройства – контроллеры. Основной считается системная шина (FSB – Front Side Bus). Кроме системной шины, на материнской плате имеются и другие шины для устройств ввода-вывода, которые различаются по конструкциям.

ISA – Industrial Standard Architecture (разработка IBM)

Параметр	XT	AT
Год появления	1981	1984
Разрядность	8	16
Тактовая частота (МГц)	4,77	8,33
Количество контактов на разъеме	62	98
Процессор	80086	80286

Прочие шины:

1. MCA – MicroChannel Architecture. 32 бита, предложен центральный арбитраж и представлен микроканальный уровень.

2. EISA – Extended ISA. Также 32 бита, работа на тактовой частоте 8,33 МГц, обеспечивала скорость 3 МБ/с (разработка компании Compaq)

3. VESA(Video Electronic Standard) и VLB (VESA LocalBase). 32 разряда, для повышения скорости графических интерфейсов частота поднялась до 33МГц. Имела 116 контактов.

4. AGP (Acceleration Graphic Port). Порт сещуствовал в единственном виде. В 1996 году вышел первый стандарт, работавший на напряжении 3.3В. AGP2.0 – в 1998году. Выпускались с суффиксами 1X, 2X, 4X.

PCI

В 1992г. компания Intel разработала шину PCI. Идея:

1. Разрядность 32, затем 64

2. Частота работы – 33 и 66МГц

В 1992 году вышел первый стандарт, в 1993 он был усовершенствован.

Рабочими были напряжения в 5 и 3.3В. PCI стала удовлетворять спецификации Plug and Play.

PCMCIA

Аббревиатура PCMCIA первоначально расшифровывалась как Peripheral Component Microchannel Interconnect Architecture. Были предложены шуточные расшифровки People Can’t Memorize Computer Industry Acronyms или Personal Computer Manufacturers Can’t Invent Acronyms. Сложности с аббревиатурой привели к тому, что начиная со второй версии спецификации стали использовать термин PC Card.

Первоначально спецификация PCMCIA разрабатывалась для стандартизации карт расширения памяти и интерфейса для подключения этих карт. Со временем спецификация была доработана и стало возможно использовать PCMCIA для подключения всевозможных периферийных устройств. Обычно через интерфейс PCMCIA подключают сетевые карты, модемы и жёсткие диски.

Версия 1.x спецификации PCMCIA описывала карты типа I (Type I), оснащённые 16-разрядным интерфейсом. Карты типа I использовались только для расширения памяти. Карты типа II (Type II) оснащаются либо 16-, либо 32-разрядным интерфейсом; разъём имеет два ряда контактов. Карты типа II поддерживают устройства ввода-вывода, что позволяет использовать их для подключения периферийных устройств. Карты типа III поддерживают 16- или 32-разрядный интерфейс, используют четыре ряда контактов.

Шина CardBus введена в спецификации PCMCIA версии 5.0. Эти 32-разрядные карты PCMCIA были представлены в феврале 1995 года и стали появляться в ноутбуках начиная с конца 1997 года. CardBus логически и электрически представляет собой полноценную 32-разрядную шину PCI, работающую на частоте 33 МГц, а механические размеры и разъёмы позаимствованы у шины PCMCIA.

PCI-E

PCI Express, или PCIe, или PCI-E — компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа "точка-точка"), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

В отличие от стандарта PCI, использовавшего для передачи данных общую шину с подключением параллельно нескольких устройств, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X. Де-факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое линией (англ. lane — полоса, ряд); это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение (англ. link — связь, соединение) между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (x1) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных линий. Каждое устройство должно поддерживать соединение по крайней мере с одной линией (x1). На электрическом уровне приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

• слот большего физического размера может использовать не все линии (например, к слоту x16 можно подвести проводники передачи информации, соответствующие x1 или x8, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все проводники питания и заземления, необходимые для слота x16).

Битрейт в PCIe 1.0 составляет 2,5 Гбит/с. Для расчёта пропускной способности шины необходимо учесть дуплексность и избыточность 8b/10b (8 бит в десяти). Например, дуплексная пропускная способность соединения x1 составляет:

2,5 · 2 · 0,8 = 4 Гбит/с

• 2,5 — битрейт, Гбит/с;

• 2 — учёт дуплексности (двунаправленности);

• 0,8 — учёт избыточности 8b/10b для 1.0 и 2.0; 0,985 — 128b/130b для 3.0;

SATA

SATA (Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA-устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

В отличие от PATA, стандарт SATA предусматривает горячую замену активного устройства (используемого операционной системой) (начиная с SATA Revision 1.0)

Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами.

Спецификация SATA Revision 1.0 была представлена 7 января 2003 года. Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 Мбайт/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8b/10b, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт отсутствия необходимости синхронизации каналов и большей помехоустойчивостью кабеля.