4.6 Шины – интерфейсы пк
Под интерфейсом (англ. interface от inter — между, и face — лицо) понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленные на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.
Основными элементами интерфейса являются:
- совокупность правил обмена информации (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса);
- аппаратная реализация (физическая реализация) (контроллеры);
- программное обеспечение интерфейса (драйверы).
Структурная организация интерфейса:
Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса.
Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий —магистралью,
В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом.
Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:
максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс (тактовая частота).
максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;
общее число проводов (линий) в интерфейсе. Часть из этих линий отведена под передачу данных, количество таких линий называют разрядностью. Например, если разрядность шины интерфейса 32, то для передачи собственно данных выделено 32 канала;
пропускная способность - количество информации, которое может быть передано через интерфейс в единицу времени. Она высчитывается по формуле: тактовая частота * разрядность.
количество обслуживаемых параллельно разных устройств.
По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на:
Параллельные.
Последовательные.
4.6.1 Системные (машинные или ввода-вывода или внутренние) интерфейсы
Предназначен для передачи информации между основными компонентами компьютера: микропроцессором, оперативной памятью и другими устройствами. Все внешние устройства подключаются к шине непосредственно через соответствующие специфические адаптеры (контроллеры).
Материнские платы можно классифицировать по типу применяемой в них системной шины.
ISA. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA (рисунок 10). Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах.
Рисунок 10 – 5 разъёмов 16-битной и 1 разъём 8-битной шины ISA
VESA local bus.
Рисунок 12 - Слоты справа шины ISA, с лева – шины VLB
PCI Интерфейс PCI предусматривает тактовую частоту шины 33 МГц, что обеспечивает пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с ( С его помощью подключают к материнской плате устройства расширения: звуковые карты, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты и прочие компоненты. Данный интерфейс является параллельным.
Рисунок 13 – PCI –слоты
AGP - ускоренный графический порт (AGP).AGP1xработает на частоте 66 МГц и позволяет передать до 266 МБ/с в режиме передачи 32-раpрядного слова.AGP4xобладает пропускной способностью 1064 МБ/c, аAGP8x– 2128 МБ/с..AGPявляется параллельным интерфейсом.
Рисунок 14 - AGP-слот с защёлкой для графической карты
На замену интерфейсам PCIиAGPпришел интерфейс PCI Express (PCIe).
PCI Express(PCIe).Является последовательным интерфейсом для графических карт. В то же время, он подходит и для установки других карт расширения. PCIe x16 обеспечивает в два раза большую пропускную способность, чем AGP 8x. Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала.
Рисунок 15 - PCI Express: последовательная шина
Рисунок 16 – Графическая карта AGP (сверху) в сравнении с графической картой PCI Express (снизу)
Число линий PCI Express |
Пропускная способность в одном направлении |
Суммарная пропускная способность |
1 |
256 Мбайт/с |
512 Мбайт/с |
2 |
512 Мбайт/с |
1 Гбайт/с |
4 |
1 Гбайт/с |
2 Гбайт/с |
8 |
2 Гбайт/с |
4 Гбайт/с |
16 |
4 Гбайт/с |
8 Гбайт/с |
Интерфейсы накопителей:
Существует два основных интерфейса:
IDE (Integrated Drive Electronics)– электроника интегрированных накопителей для обычных компьютеров, параллельный интерфейс;
SCSI (Small Computer Systems Interface)– интерфейс маленьких компьютерных систем для высокопроизводительных компьютеров.
IDE
В IDE используется стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совмещенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной В качестве синонима интерфейса IDEприменяется терминATA(ATAttachment).
Физически интерфейс IDE реализован при помощи плоского N-жильного кабеля. Каждый такой кабель позволяет подключать, максимум, два накопителя, когда один работает в режиме "master", а второй - в "slave" (рисунок 17).
Рисунок 17
Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. Сначала основным способом обмена был режим PIO(ProgrammedInput/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода/вывода. Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти DMA (DirectMemoryAccess), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти материнской платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор.
Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.
Официальные названия стандартов на интерфейсах семейства IDE: ATA(IDA),ATA-2 (FastATA-2) иATA/ATAPI-4 (UltraATA).
Например, UltraATA133 использует 80-жильный кабель и позволяет передавать данные со скоростью до 133 МБ/с.
Дальнейшее развитие технологии стал последовательный SerialATA(SATA) (рисунки 18, 19).
Рисунок 18 – Четыре порта SATA на материнской плате
Рисунок 19 – Кабель SATA
Первое поколение SATA (Generation 1) характеризуется сменой параллельного интерфейса на последовательный, большей пропускной способностью (до 150 Мб/с), уменьшением самого кабеля, улучшением электромагнитных свойств, отказом от концепции Master/Slave и рядом других положительных качеств.
Спецификация следующего поколения Serial ATA II (SATA II) предусматривает более высокую скорость передачи данных (до 384 МБ/с). Данный интерфейс обеспечивает управление вентилятором жесткого диска, оповещение о подключении новых устройств, считывание информации с температурного датчика, а также работу индикаторов состояния.
SCSI
Данный интерфейс позволяет подключать к стандартному контроллеру до шестнадцати устройств, в том числе разнородных: жесткие диски, сканеры и т.д. Интерфейс Ultra320SCSIимеет скорость передачи 320 МБ/с, количество поддерживаемых устройств - 16, длина кабеля 6 м, разрядность – 16 бит. ВинчестерыSCSIболее производительны, однако имеют более высокую цену, что обусловлено необходимостью применения специальных контроллеров. Поэтому они мало распространенны, в основном их применение целесообразно в серверах, где необходима надежность и высокая скорость передачи данных, невзирая на стоимость.