3. Системный блок

Минимальный вариант комплектации персонального компьютера включает в себя корпус компьютера, монитор, клавиатуру и манипулятор мышь. Системный блок является практически синонимом корпуса компьютера, за исключением особых случаев, когда он располагается в едином корпусе с монитором.

Внутри системного блока располагается вся основная электроника персонального компьютера:

• материнская плата (motherboard);

• основная энергонезависимая память компьютера – винчестер (HDD – hard disk drive – “жесткий” диск);

• дисководы внешних носителей информации – CD, DVD, Floppy, считыватели электронных карт памяти;

• блок питания.

На заднюю и переднюю стенки системного блока выведены разъемы портов для подключения внешних устройств ввода-вывода информации. Конструктивно эти разъемы принадлежат либо материнской плате, либо картам (контроллерам, устройствам управления) ввода-вывода. Карты располагаются в разъемах системных шин материнской платы.

Корпус для компьютера – один из важных его компонентов. Корпус определяет возможную конфигурацию компьютера и допустимость последующей реконфигурации (обновления, upgrade); условия вентиляции основной электроники компьютера.

Большой размер корпуса не всегда гарантирует продуманную систему вентиляции, и при расширенной конфигурации компьютера возможен перегрев и выход из строя главных электронных узлов.

Большинство продаваемых корпусов оборудовано блоком питания. Мощность блока питания должна иметь запас для возможного апгрейда компьютера. Минимальным стандартом для обычных корпусов, как правило, является блок питания на 230 Вт. Существенным параметром установленного блока питания является набор номиналов выходных напряжений постоянного тока, поскольку от этого зависит возможность использования материнской платы для соответствующей модели центрального процессора.

Важным параметром корпуса является поддержка форм-фактора материнской платы: AT, АТХ, Extendend ATX, microATX, FlexATX и Baby-AT. Форм-фактор определяет функциональность и геометрию motherboard, способ ее установки в корпус компьютера. Большинство корпусов ориентировано на один из этих форм-факторов.

Необходимо оценить наличие и расположение относительно материнской платы достаточного количества посадочных мест для пятидюймовых и трехдюймовых дисководов и считывателей карт памяти. Для удобства работы имеет значение вывод на лицевую панель корпуса разъемов USB-портов.

4. Материнская плата

Материнская плата (MOTHERBOARD) является главным электронным блоком компьютера и объединяющим конструктивом для всех его компонентов. На материнской плате размещается процессор и обслуживающие его контроллеры, память, слоты расширения системной шины, контроллеры внешних устройств (рис. 4.1). Материнская плата задает фундаментальные параметры компьютера (тип процессора, памяти), определяющие уровень производительности, а также практические параметры (форм-фактор, количество слотов расширения, наличие интегрированных устройств), определяющие потребительские свойства и возможную сферу применения компьютера.

Рис. 4.1. Блок-схема материнской платы

Материнские платы различаются в первую очередь по типу поддерживаемых процессоров и памяти, по степени интеграции (количеству устройств, находящихся на плате), по числу разъемов расширения.

Процессорным разъемом задается тип поддерживаемых платой процессоров. Необходимо также, чтобы поддерживалось нужное напряжение питания. Поддержка процессора со стороны BIOS и чипсета (chipset – набор системообразующих микросхем электроники motherboard) также определяется материнской платой. Для процессоров Pentium III и Celeron применялся разъем Socket 370. Для процессора Pentium IV с ядром Williamette используется разъем Socket 423, для Pentium IV с ядром Northwood и Prescott - разъем Socket 478. Для процессоров компании AMD применяется разъем Socket А.

Главные микросхемы материнской платы – специализированы. Северный мост (North Bridge) обслуживает четыре шины – для связи с процессором, оперативной памятью, видеоконтроллером и южным мостом. В последнем поколении чипсетов добавляется пятая шина – CSA (Communication Streaming Architecture) для реализации Gigabit Ethernet с пропускной способностью 266 Мбайт/с.

Южный мост (South Bridge) формирует шины и порты для подключения устройств ввода-вывода.

4.1. Шины материнской платы

Шины компьютера предназначены для высокоскоростной параллельной передачи информации, создаются системообразующими интегральными микросхемами материнской платы, реализуются в виде групп параллельно идущих печатных проводников и заканчиваются параллельно включенными разъемами (slots) для установки карт-контроллеров устройств ввода-вывода.

Функционально шина состоит из трех подшин:

• адресная шина;

• шина данных;

• шина управления.

Возможно совмещение адреса и данных на одной подшине и двусторонняя передача информации в режиме полудуплекса (поочередно). По подшине управления передаются сигналы синхронизации, выбора типа операции, выбора направления передачи, запроса на прерывание и его подтверждение, управления режимом прямого доступа и т.д. Конкретный перечень сигналов на шине и все протокольные соглашения (конструктивные, физические, логические) приводятся в спецификации на конкретную шину. Шина обычно безразлична к точке подключения (слоту) контроллера; выделение устройству конкретных системных ресурсов шины (адресов портов устройства, номеров прерываний и прямого доступа и т.д.) производится программно в момент инициализации операционной системы в рамках процедуры Plug&Play.

На сегодняшний день в настольных компьютерах присутствуют следующие типы шин:

• ISA (Industry Standard Architecture) – устаревшая, первая системная шина персонального компьютера, которая давно должна была закончить свое существование, но до сих пор, благодаря огромному количеству самых разнообразных внешних устройств, использующих ее, размещается в виде одного слота на ряде моделей материнских плат;

• PCI (Peripheral Component Interconnect) - разработана фирмой Intel для использования в системах с процессорами типа Pentium и в течение 10 лет является стандартом де-факто среди компьютерных шин общего назначения;

• AGP (Accelerated Graphics Port) - ускоренный графический порт, внедренный фирмой Intel, являющийся расширением шины PCI и призванный увеличить пропускную способность шины, связывающей видеокарту с процессором и памятью;

• FSB – внутренняя системная шина северного моста, связывающая оперативную память с процессором.

4.1.1.Шина ISA

8-битную шину ISA разработала компания IBM в 1981 году для использования в компьютерах серии PC/XT. В 1984 году, при создании архитектуры AT, разрядность этой шины была расширена до 16 бит, и в таком виде она и дожила до нынешних времен, являясь отраслевым стандартом. Шина представляла собой синхронную 16-битную шину с раздельными линиями адреса и данных, работающую на частоте 8,33 МГц, с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания по переднему или заднему фронтам сигнала на линии соответствующего IRQ. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Основной особенностью шины ISA является простота ее реализации и низкая рабочая частота, что позволяет до сих пор использовать ее при создании нестандартных периферийных устройств самого различного назначения. До самого последнего времени шина ISA была единственной, для которой изготовлялись внутренние модемы с аппаратной реализацией управляющих схем, да и многие недорогие SCSI-сканеры комплектовались интерфейсными картами, рассчитанными именно под эту шину. В настоящий момент шина ISA практически закончила существование, передав свои функции более современным шинам: параллельной PCI и последовательной USB.

4.1.2. Шина PCI

Появившаяся в 1992 году шина PCI имела несколько особенностей, позволивших ей за короткое время занять господствующее положение в IBM PC. Главными из них были ее открытая архитектура и независимость от процессорной шины. Шина PCI является синхронной 32-разрядной (кроме этого, существуют ее 64-разрядные версии, которые используются исключительно в дорогих рабочих станциях и серверах) и работает на частоте 33 МГц, обеспечивая пропускную способность (с использованием пакетного режима пересылки данных) 133 Мбайт/с. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI. Важной особенностью шины является реализация принципа Bus-master, что позволяет картам расширения производить обмен данными с памятью без обращения к процессору. Для уменьшения количества проводников в шине PCI используется принцип мультиплексирования данных, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же физическим линиям поочередно. PCI-устройства оборудованы таймером, определяющим максимальный период времени, когда устройство может занимать шину.

Автоконфигурирование устройств PCI (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы в соответствие со стандартом Plug&Play. Действующая в настоящее время спецификация PCI 2.2 обеспечивает поддержку плат расширения с напряжениями питания как 3,3, так и 5 вольт, причем тип платы определяется расположением ключей в разъеме. Если у карты PCI есть две ключевые выемки, то она поддерживает любой из вариантов слота, если же на ней только одна выемка ближе к передней части платы, то эта карта только на 3,3 вольта. При расположении выемки ближе к задней части - карта пятивольтовая.

4.1.3. Шина AGP

В результате широкого распространения 3D-графики и поддерживающих ее видеокарт, нагрузка на шину PCI достигла предельных для нее значений, превратив участок процессор - PCI-видеокарта в очередное "узкое место" системы. Для разрешения возникшей проблемы с наименьшими затратами специалистами Intel была предложена новая спецификация шины, ориентированная исключительно на обмен данными с видеоадаптером: AGP 1.0, являющейся, по сути дела, расширением шины PCI. С целью ускорения обмена данными была устранена мультиплексированность линий адреса и данных, удвоена тактовая частота и реализована (в режиме AGP 2х) схема DDR, когда по шине передается 2 блока данных за один цикл. В результате предельная пропускная способность шины составила 533 Мбайт/с. Но очень скоро и этого стало не хватать, поэтому в новой спецификации AGP 2.0 (режим 4х), благодаря снижению напряжения питания видеокарт с 5 до 3,3 V, а значит, и амплитуды сигналов в шине, появилась возможность осуществлять не 2, а 4 транзакции (пересылки блока данных) за один такт, что удвоило пропускную способность шины, доведя ее до 1066 Мбайт/с. Для автоматического распознавания видеокарт разных спецификаций используются различные конфигурации их разъемов:

Шина AGP имеет два основных режима работы: DIME и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты, используя механизм, аналогичный Bus-master на шине PCI. В режиме DIME (Direct Memory Execute - непосредственное выполнение в памяти, иногда используется другой термин - AGP-текстурирование) локальная и системная память для видеокарты логически равноправны, что позволяет использовать часть системной памяти для хранения текстур. В спецификации AGP 2.0 появилась поддержка нового режима передачи данных Fast Writes. Он позволяет процессору напрямую, не обращаясь к системной памяти, передавать данные ускорителю со скоростью 4х.

Для видеоакселераторов, отличающихся повышенным потреблением электроэнергии, предназначается еще одна разновидность стандарта AGP - AGP Pro, которая отличается лишь наличием в разъеме дополнительных линий питания. Эти контакты расположены в небольшой секции, добавленной к передней части стандартного разъема AGP, и обеспечивают работоспособность видеокарт, потребляющих до 110 Вт.

Следующим этапом было внедрение спецификации AGP версии 3.0, обеспечивающей режим работы AGP 8х. Эта спецификация - последняя, базирующаяся на стандарте шины PCI. Пропускная способность шины AGP 8х - 2133 Мбайт/с.

Современные видеопроцессоры берут на себя все большую часть вычислений, необходимых для формирования сложных объемных изображений, да и объем локальной памяти на видеокартах неуклонно растет, что ведет к уменьшению потока данных от процессора к видеокарте.

4.1.4. Шина FSB

FSB – высокоскоростная параллельная 64-разрядная шина северного моста для связи с оперативной памятью. Использование технологии Quad Pumped Bus (четыре транзакции за цикл) позволяет при частоте шины 200 МГц поддерживать передачу данных с частотой 800 МГц. При этом, с учетом разрядности шины, обеспечивается поток данных 3.6 Гбайт/с. Особенностью шины является реализация режима двухканального обмена с двумя модулями оперативной памяти одновременно.

4.1.5. Перспективные шины

Шина PCI – основная системная шина IBM PC - становится узким местом при передаче данных между системными компонентами, и именно ее пропускная способность может существенно ограничить производительность перспективных компьютеров. Поэтому в настоящее время создаются несколько новых стандартов системных шин конкурентами - Intel и AMD, каждый их которых создает свой собственных проект перспективной системной шины. Эти технологии, Arapahoe и HyperTransport, призваны заменить системную шину PC, определив архитектурный облик компьютеров будущих поколений. Обе фирмы образовали свои "группы поддержки". Первую, под названием HyperTransport Technology Consortium (HTTC), возглавляет AMD. Эта группа продвигает на рынок одноименный стандарт под названием HyperTransport. Вторая группа, возглавляемая Intel, имеет название Arapahoe Working Group, и стандарт называется, соответственно, Arapahoe.

Шина Arapahoe, на начальной стадии разработки известная как 3GIO (3D Generation Input/Output), должна обеспечить высокоскоростное соединение между компонентами компьютера, а также между компьютером и другими устройствами. Разработчики обещают совместимость с существующими шинами, такими как InfiniBand, IEEE 1394b (FireWire), USB 2.0, Serial ATA и 1/10 Ethernet. Шина Arapahoe представляет собой симметричную двунаправленную шину, обеспечивающую передачу данных по одной линии со скоростью вплоть до 2.5 Гбит/с. В отличие от PCI, шина Arapahoe будет достаточно гибкой с точки зрения обеспечения максимальной пропускной способности, определяемой количеством используемых линий приема/передачи данных, задействованных разработчиком системы в зависимости от его потребностей в каждом конкретном случае. Например, в случае реализации 32 линий интерфейса пропускная способность шины составит величину порядка 10 Гбайт/с, что почти в 20 раз больше скорости работы 32-битной 33-мегагерцовой шины PCI. Как и шина PCI, Arapahoe использует технологию подключения периферийных устройств с помощью моста, но дополненную переключателями оконечных точек, позволяющими направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя сам мост, то есть позволяя осуществить подключение по схеме "peer-to-peer". Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных. Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и QDR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.

Так же как и Arapahoe, системная шина HyperTransport, ранее известная как LDT (Lightning Data Transport) - это peer-to-peer шина, позволяющая обмениваться информацией между периферийными устройствами, не задействуя процессор и память. Протокол новой шины использует пакетированную передачу данных, когда за передачу данных между устройствами отвечает контроллер шины. Обе конкурирующие технологии, и Arapahoe, и HyperTransport, имеют много общего, но в отличие от симметричной Arapahoe, пропускная способность которой одинакова во всех направлениях, асимметричная шина HyperTransport позволяет подключенным устройствам обмениваться пакетами информации, пропускаемыми в разных направлениях с разной скоростью. Такое решение способствует максимальному использованию возможностей системы в тех случаях, когда информационные потоки в разных направлениях имеют сильно отличающуюся интенсивность, например в устройствах вывода видеоинформации. Шина позволяет передавать данные с частотой в 800 МГц по переднему и заднему фронтам тактового импульса, так что суммарная скорость работы шины получается около 12.8 Гбайт/с при передаче 16-разрядного слова за один такт.

Практическим результатом работы над новой системной шиной для материнских плат на чипсетах фирмы Intel стало постепенное внедрение шины PCI Express. Особенностью шины является гибкость спецификации, которая в настоящее время позволяет устанавливать на материнскую плату слоты шины с разными скоростными параметрами, ориентированными на соответствующий класс устройств ввода-вывода: от шины с однократной скоростью PCI Express х1 (500 Мбайт/с) до PCI Express х16 (8 Гбайт/с). Последний вариант шины реализует двухканальный обмен с видеокартами нового поколения и заменяет стандартную видеошину AGP 8x.

4.2. Порты IBM PC

За относительно короткий, но бурный период расцвета IBM-совместимых персональных компьютеров было создано множество самых разнообразных устройств, значительно расширяющих изначальные возможности базовых систем. Но, вместе с тем, избежать взаимной несовместимости различных устройств, произведенных в различное время и в различных странах многочисленными компаниями, позволило использование в любых компьютерных устройствах ряда стандартных интерфейсов.

Порты являются развитием шинной архитектуры материнской платы, включают в себя интегрированные контроллеры определенного класса устройств ввода-вывода и заканчиваются соответствующим стандартным разъемом для подключения внешнего устройства, способного работать в этом стандарте. В соответствии с названием порту выделяются конкретные системные ресурсы (диапазон адресации регистров порта, ресурсы прерываний и прямого доступа к памяти).

Обычно разъемы интерфейсов для подключения внешних устройств располагаются на обратной стороне корпуса ПК, причем на системных платах стандарта АТХ большинство внешних портов распаяно непосредственно на плате.

4.2.1. Последовательные СОМ-порты

Еще со времен первых IBM-PC одним из самых важных средств "общения" компьютера с "внешним миром" стали последовательные порты, интерфейс которых, часто обозначаемый как RS-232, обеспечивает, наряду с предельной простотой реализации, высокую помехозащищенность на длинных линиях. В настоящее время COM-интерфейс используется для подключения мыши, для управления работой источников бесперебойного питания (ИБП), реализации инфракрасного порта, подключения внешних модемов и некоторых других устройств, но активно вытесняется более современным последовательным интерфейсом USB.

Главный элемент последовательного интерфейса - 16450 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter - универсальный асинхронный приемо-передатчик), обеспечивающий максимальную скорость передачи данных 115200 бит/с, обычно интегрированный в микросхему южного моста системного чипсета. Физически разъемы СОМ-порта представляют собой 9-контактный (вилка) двурядный Sub-D разъем.

Пересылка данных по линии RS-232 осуществляется побитно, последовательно друг за другом, при этом возможен обмен данными в двух направлениях. Передача данных осуществляется в асинхронном режиме, каждый "пакет" данных состоит из стартового бита, 8 бит данных и стопового бита, причем как прием, так и передача осуществляются с одной тактовой частотой.

Для снижения вероятности ошибок в пакет данных иногда включается дополнительный бит контроля четности. Амплитуда сигналов достигает величины +/- 12 В, благодаря чему обеспечивается высокая помехозащищенность передаваемых по кабелю данных.

BIOS современных компьютеров поддерживает до четырех СОМ-портов, причем для их обслуживания выделяются всего 2 прерывания: IRQ3 и IRQ4 (рис. 4.1).

Обычно на системной плате располагаются два СОМ-порта, СОМ1 и COM2 или только СОМ1, параметры которых можно задавать непосредственно из BIOS. Если же они не используются, то лучше их отключить, чтобы освободить IRQ для других устройств. Порты COM3 и COM4, в случае необходимости их использования, оперативно создаются операционной системой Windows.

Таблица 4.1

Адреса и прерывания СОМ - портов

Порт	Базовый адрес	Линия прерывания
COM1	3F8h	IRQ4
COM2	2F8h	IRQ3
COM3	3E8h	IRQ4
COM4	2E8h	IRQ3

4.2.2. Параллельный порт

Вторым типом интерфейса внешних устройств, сохранившихся в современных компьютерах еще со времен первых IBM-PC, является параллельный интерфейс, иногда называемый, по имени фирмы-разработчика, Centronics. До сих пор этот тип интерфейса является основным для многих современных принтеров, хотя в последнее время он все активнее заменяется универсальной последовательной шиной USB. Кроме устройств печати, параллельный интерфейс раньше служил для непосредственного соединения двух компьютеров и до сих пор все еще используется в отдельных моделях сканеров. Разъем для параллельного интерфейса типа Sub-D представляет собой розетку и содержит 25 контактов, расположенных в 2 ряда. Обмен данными с периферийным устройством осуществляется по 8 шинам передачи данных со скоростью от 120 Кбайт/с до 2 Мбайт/с в зависимости от режима работы параллельного порта, которых существует несколько:

• Стандартный;

• ЕРР;

• ЕСР.

Эти режимы, наряду с адресом I/O и прерыванием IRQ, определяются в BIOS системной платы. По умолчанию используются I/O адрес 378h и IRQ7.

Стандартный параллельный порт (SPP) обеспечивает только одностороннюю передачу данных от компьютера к принтеру, но позволяет работать практически со всеми устройствами, подключаемыми к параллельному порту, хотя скорость передачи при этом не превышает 200 Кбайт/с.

Расширенный параллельный порт (ЕРР - Enhanced Parallel Port) полностью совместим со стандартным, но является двунаправленным. ЕРР использует существующие сигналы параллельного порта и осуществляет асимметричный двунаправленный обмен данными со скоростью до 2 Мбайт/с. В режиме ЕРР предусматривается возможность подключения в цепочку до 64 периферийных устройств.

Порт с расширенными возможностями (ЕСР - Extended Capability Port) является дальнейшим развитием ЕРР. ЕСР, как и ЕРР, использует протокол DMA и, предоставляя симметричный двунаправленный обмен данными, обеспечивает максимальную пропускную способность до 2,5 Мбайт/с. Одной из наиболее важных функций, реализованных в ЕСР, является сжатие данных по методу RLE. ЕСР наилучшим образом подходит для передачи больших объемов данных (например, для сканеров и принтеров).

Стандарты портов ЕРР и ЕСР включены в единый стандарт Американского института инженеров по электротехнике и электронике IEEE 1284. Для тех, кто не знает, какой режим двунаправленной передачи данных наиболее оптимален для имеющегося принтера или сканера, в BIOS есть опция ЕСР + ЕРР. Если выбрать этот режим, то устройство, подключенное к параллельному порту, сможет использовать любой из режимов ЕСР или ЕРР.

4.2.3. Порт IrDA

Порт IrDA позволяет устанавливать связь с периферийным оборудованием без кабеля при помощи инфракрасного излучения на расстоянии до 1 метра. К числу такого оборудования относятся, в первую очередь, ноутбуки, карманные ПК и другие образцы мобильной техники. Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта, который работает со скоростью передачи данных до 115,2 Кбит/с. Так как интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850-900 нм) с малой мощностью излучения, то его использование не требует сертификации FCC (Федеральной комиссии по связи). Задавать режимы работы инфракрасного порта можно из BIOS системной платы.

Практически все современные системные платы имеют лишь внутренние разъемы для подсоединения приемопередатчика инфракрасного излучения, поэтому для организации полноценного интерфейса IrDA необходимо дополнительно приобрести и установить специальную многофункциональную панель в свободный отсек накопителей в корпусе системного блока. Панель имеет, наряду с портами IrDA и СОМ, еще и 2 USB, 3 стандартных аудиоразъема и комплект для мониторинга и индикации состояния. Помимо этого, возможно также использование отдельного выносного блока IrDA, подключаемого к свободному разъему СОМ- или USB-порта.

4.2.4. Порт USB

К 1995 году стало ясно, что СОМ-порты изживают себя, так как не обеспечивают ни достаточную скорость обмена данными между ПК и подключенным устройством, ни возможность "горячего" подключения этих устройств. Ограничение количества подключенных к одному порту устройств также вынуждало искать замену устаревшему интерфейсу. И такая замена появилась достаточно быстро в лице универсальной последовательной шины - USB (Universal Serial Bus), предложенной консорциумом компаний во главе с Intel. Создание качественных драйверов USB задержало внедрение порта вплоть до появления Windows 98.

Шина USB обеспечивает работу 127 устройств, подключенных последовательно; необходимо при этом учитывать, что пропускная способность одного контроллера ограничена пиковой величиной 12 Мбит/с, фактически же пользователь может рассчитывать только на 700 - 900 Кбайт/с, поэтому к одному каналу можно одновременно подключить не более 3-5 устройств.

Одним из важнейших потребительских свойств шины является обеспечиваемая ею возможность "горячего" подключения самых разнообразных устройств без отключения питания. Кроме того, следует отметить способность USB организовать питание периферийных устройств непосредственно от интерфейса, но только маломощных.

USB работает по принципу "ведущий - ведомый", то есть два отдельных устройства могут обмениваться данными друг с другом только через компьютер или специальный хаб; обмен обеспечивается управляющим контроллером. Стандарт USB 1.1 больше всего подходит для подсоединения к компьютеру ограниченного числа низкоскоростных устройств. Большим достоинством шины USB является возможность использования соединительного кабеля длиной до 5 метров.

Конструктивное расположение разъемов USB на задней стенке компьютера при подключении устройства, особенно "на лету", порой доставляет определенные неудобства, поэтому обычно один из разъемов выводится на лицевую панель системного блока.

Хотя порт USB 1.1 вполне удовлетворяет потребности низкоскоростных периферийных устройств, век ее оказался недолог. "Виной" тому стала стремительно растущая мощность современных компьютеров, позволяющая выполнять на них такие задачи, как, например, ввод и обработка видеоизображений в реальном масштабе времени. Для решения этих задач требуется пропускная способность линий передачи данных, существенно большая той, которую обеспечивают существующие интерфейсы, включая USB 1.1. Новая версия контроллера USB 2.0 интегрируется во все без исключения новые чипсеты.

Основное отличие USB 2.0 - пиковая скорость передачи данных, достигающая 480 Мбит/с против 12 Мбит/с у USB 1.1, что сопоставимо со скоростью интерфейса UltraATA66 и на 20 % превосходит своего основного конкурента - IEEE 1394. С целью максимальной совместимости с большим количеством периферийного оборудования, выполненного по спецификации USB 1.1, устройства стандарта USB 2.0 могут использоваться с контроллерами и хабами стандарта 1.1, при этом скорость будет ограничена 12 Мбит/с.

Так как основополагающий принцип функционирования шины USB: принцип "ведущий - ведомый", - остался в USB 2.0 неизменным, то новый интерфейс не составит конкуренцию IEEE1394 на рынке бытовой электроники, поскольку невозможно организовать, к примеру, передачу данных с видеокамеры на цифровой магнитофон, минуя компьютер. Тем не менее, у нового стандарта есть и большой плюс: отсутствие лицензирования и необходимости выплаты лицензионных отчислений, что имеет место в случае с FireWire.

4.2.5. Порт IEEE 1394 (FireWire)

Периферийная шина передачи данных FireWire (IEEE 1394) пришла в IBM PC из компьютеров Apple Macintosh. Обладая очень высокими характеристиками и возможностями, эта шина первоначально, из-за лицензионной политики компании-разработчика Apple, не получила особого распространения, и лишь с появлением портативных видеокамер стандартов MiniDV и Digital8 IEEE 1394 получила широкое признание. По сравнению с популярной шиной USB 1.1 шина FireWire имеет следующие основные преимущества:

• Увеличение максимальной скорости передачи с 12 Мбит/с (USB 1.1) до 400 Мбит/с (FireWire).

• Возможность питания внешних устройств от шины 1,25 А/12 В (FireWire) против максимальных 500 мА/5 В (USB).

• Одноранговая шина FireWire не требует управления, устройства общаются по принципу peer-to-peer.

Стандарт IEEE 1394 поддерживает как асинхронный, так и синхронный протоколы передачи данных и предоставляет гораздо больше возможностей, чем технология Plug&Play. Например, каждое устройство может быть подключено/отключено в любой момент времени, даже во время непосредственной передачи данных, при этом шина автоматически переконфигурируется, и происходит новое назначение адресов. Все устройства IEEE 1394 подразделяются по максимальной скорости передачи данных на три класса: 100, 200, 400 Мбит/с соответственно. В ближайшем будущем планируется ввести поддержку скоростей 800 и 1600 Мбит/с. Шина IEEE 1394 позволяет последовательно подключать до 63 устройств, причем длина кабеля может достигать 4,5 метров. Для подключения периферийных устройств в IEEE 1394 используется два типа разъемов: 6- и 4-контактные.

В отличие от USB, где применение различных типов разъемов обусловлено различным типом устройств, в IEEE 1394 в случае, когда нет необходимости в питании устройства, используется 4-контактный малогабаритный разъем, такого типа разъемы чаще всего используются в видеокамерах. Если же устройство необходимо питать от шины, то используется более крупный 6-контактный разъем. Большинство компьютерных устройств рассчитано на последний тип разъемов.

Все версии операционной системы Windows, начиная с 98SE, имеют в своем составе качественные драйвера для этой шины. Производители материнских плат теперь часто используют чипсет с интегрированным контроллером IEEE 1394.

В ближайшее время должно начаться массовое внедрение нового интерфейса SerialATA. И хотя на первый взгляд он предназначен только для замены устаревающего интерфейса IDE, в случае успешного развития SerialATA способен значительно потеснить и FireWire, и USB 2.0. Так, скорость передачи данных у SerialATA может достигать 150 Мбайт/с, что превосходит оба вышеупомянутых интерфейса. В последующем планируется сначала удвоить скорость, а потом и учетверить. Топология подключаемых устройств типа "звезда" позволяет безболезненно вывести один - два разъема для подключения внешних устройств, да и 1 метра максимальной длины кабеля вполне может хватить для комфортной работы с такими устройствами. Выгода от замены разнокалиберных интерфейсов одним универсальным очевидна.

4.3. Дисковые интерфейсы IBM PC

Важнейшими устройствами, входящими в состав современного компьютера, являются дисковые накопители: жесткие диски (винчестеры), CD-ROM и его производные (CD-R/RW, DVD и пр.). Подавляющее большинство таких накопителей для обмена информацией с процессором и памятью используют различные варианты интерфейса IDE (Integrated Device Electronics - устройство с интегрированным контроллером). Существует еще один вариант дискового интерфейса - SCSI, но он, по причине высокой стоимости и определенной трудоемкости конфигурации отдельных устройств, больше ориентирован на рынок серверов и рабочих станций.

Практически любая современная системная плата имеет два канала IDE-контроллера, интегрированных в чипсет - первичный (Primary) и вторичный (Secondary), каждый из которых представляет собой, по сути, отдельный контроллер, имеющий собственный разъем на плате и отдельный шлейф с двумя оконечными разъемами, к которому можно подключить один или два накопителя. Причем для обеспечения взаимной совместимости устройств, работающих на одном шлейфе, одно из них должно работать в режиме Master (ведущий), а другое - в режиме Slave (ведомый), и эти режимы устанавливаются перемычками непосредственно на самом устройстве.

4.3.1. Интерфейсы АТА

Параллельный 16-разрядный интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), называемый также IDE, появился в 1989 году совместными усилиями компаний Western Digital и Compaq. Сама идея нового интерфейса была проста: было предложено интегрировать хорошо отработанную к тому времени 16-разрядную шину ISA непосредственно в электронику жесткого диска, в результате чего при незначительном увеличении стоимости самого жесткого диска существенно снижалась стоимость всей дисковой подсистемы компьютера. Кроме этого, благодаря использованию стандартной шины, достигалась взаимная совместимость жестких дисков различных производителей. Для подключения жесткого диска к контроллеру использовался ленточный 40-жильный кабель с тремя плоскими разъемами, один из которых подключается к соответствующему разъему на системной плате, а два других - к дисководам.

Первоначальные варианты интерфейса АТА предназначались исключительно для подключения жестких дисков и имели следующие возможности, сохранившиеся вплоть до наших дней:

• поддержка двух отдельных устройств в каждом канале;

• использование двух способов передачи данных: PIO (Processor Input Output) - через центральный процессор и DMA (Direct Memory Access) - путем прямого доступа к памяти.

Первый способ, наряду с таким неоспоримым достоинством, как отсутствие необходимости использовать специальные драйверы, имел и существенный недостаток, выражающийся в большой загрузке процессора в моменты доступа к данным на диске, вследствие чего в настоящее время он практически не используется. Пропускная способность шины АТА составляла менее 3 Мбайт/с, что не всегда позволяло использовать все возможности жестких дисков, но очень скоро стал очевиден второй главный минус этого интерфейса: ограничение величиной 504 Мбайт предельной емкости винчестеров.

Достаточно существенные недостатки интерфейса АТА привели к созданию в 1996 году нового варианта интерфейса АТА-2, который был, как и все последующие версии стандарта АТА, полностью обратно совместим с предшественником. Новый интерфейс получил более скоростные режимы программного ввода/вывода (PIO Mode 3 и 4) и Multiword DMA Mode 1 и 2. Повышение производительности достигалось в основном введением механизмов блочной передачи данных (режим, позволяющий передавать несколько команд чтения/записи за одно прерывание) и логической адресации блоков (LBA -Logical Block Address), что позволило расширить максимальный объем поддерживаемых дисков до 8,4 Гбайт и увеличить скорости обмена вплоть до 16,7 Мбайт/с.

В 1997 году появился еще один, неофициальный вариант интерфейса АТА-3, который не добавил новых, более быстрых режимов передачи данных, но благодаря новой технологии самоконтроля и предотвращении сбоев в дисковой подсистеме S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) в значительной мере позволил повысить надежность хранения данных на жестком диске.

Лазерные носители информации CD-ROM, дисководы которых хотя и имели разъемы идентичные разъемам винчестеров, не могли быть подключены к контролерам АТА. Для разрешения этой проблемы на основе интерфейса АТА был создан новый стандарт ATAPI (ATA Packet Interface). В результате появления ATAPI появилась возможность подключать дисководы CD-ROM непосредственно к тому же шлейфу, к которому подключен и винчестер - пакетный режим передачи данных, реализованный в протоколе ATAPI, позволяет всей цепочке устройств работать в режиме, напоминающем SCSI. Еще одним важным достоинством использования ATAPI-устройств является возможность назначать их в качестве загрузочных.

4.3.2. Интерфейсы Ultra ATA/33

Рост скорости передачи интерфейса АТА начался с введения нового режима, удвоившего пропускную способность - она возросла с 16,7 Мбайт/с до 33,3 Мбайт/с. Такой скачок скорости стал возможен в результате использования для передачи информации обоих фронтов тактового сигнала. Новая версия интерфейса стала известна как Ultra ATA/33 (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33); официальное название - ATA/ATAPI-4.

Ultra ATA/33 использует режим DMA Mode 3, обеспечивающий скорость передачи данных 33,3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по 40-жильному кабелю используются специальные схемы контроля целостности данных и коррекции ошибок по циклически избыточному коду (CRC), при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2. Полная поддержка режима Ultra ATA/33 стандартными драйверами от Microsoft, входящими в комплект поставки операционной системы, появилась только в версии Windows 98.

4.3.3. Интерфейсы Ultra ATA/66

Следующим шагом в развитии семейства интерфейсов АТА стал интерфейс Ultra ATA/66 (ATA66, ATA/ATAPI-5), разработанный компанией Quantum в 1999 году и позволяющий осуществлять передачу данных уже со скоростью 66 Мбайт/с. Такое увеличение скорости передачи данных превысило возможности старого 40-жильного кабеля, создававшегося в свое время еще для первых версий интерфейса АТА, и разработчики были вынуждены добавить в шлейф еще 40 дополнительных жил, соединенных с общим проводом и исполняющих роль экрана между основными жилами, что в значительной мере позволило снизить взаимные наводки информационных линий.

4.3.4. Интерфейсы Ultra ATA/100

В 2000 году по инициативе фирмы Quantum появился очередной стандарт Ultra ATA/100 (ATA100, ATA/ATAPI-6), обеспечивающий стабильную передачу данных по 80-жильному кабелю со скоростью 100 Мбайт/с и призванный заменить прежний Ultra ATA/66. В новом протоколе уменьшены времена задержки сигналов, увеличена рабочая частота. Ultra ATA/100 обладает полной обратной совместимостью и автоматически переключается на менее скоростные режимы (Ultra ATA/33 или Ultra ATA/66), если одно из устройств его не поддерживает. Размер блока LBA был увеличен с 28 до 64 бит. Система команд АТА была дополнена новыми командами, рассчитанными на передачу аудио/видео потоков. Чипсеты с поддержкой Ultra ATA/100 сегодня являются наиболее распространенными.