Шины, интерфейсы
В зависимости от способа передачи информации по шине различают шины последовательные и параллельные.
Последовательная шина состоит из одной линии данных, при этом данные передаются по этой линии последовательно (бит за битом).
Параллельная шина содержит несколько линий. Их число трактуется как разрядность («ширина») шины, которая определяет количество бит, параллельно (одновременно) проходящих через шину.
Предотвращение одновременной активности нескольких ведущих обеспечивается специальной процедурой допуска одного из них к управлению шиной, называемой арбитражем.
Системная шина (магистраль) – это совокупность проводов или проводников на материнской (системной) плате и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ЭВМ в единую систему и их взаимодействие. Это основная интерфейсная система ЭВМ.
Системная шина включает в себя:
шину данных (производит обмен информацией между устройствами ЭВМ), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
шину адреса (передаются уникальные идентификаторы адреса (коды) отдельных устройств, ячеек памяти, номера регистров ЦП, адреса портов ввода-вывода), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
шину (управления) команд, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ВМ;
шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания.
Шина «процессор – память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей.
Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором и памятью во многом определяет быстродействие ЭВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор –память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.
Шина ввода-вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода-вывода. Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода-вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством устройств ввода-вывода (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. Шины ввода-вывода содержат меньше линий по сравнению с шиной «процессор – память», но длина линий может быть довольно большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI, USB или SCSI (внешняя шина).
Интерфейс (англ. interface – сопряжение) – совокупность средств, способов и методов взаимодействия двух систем, устройств или программ для обмена информацией между ними, определѐнная их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена и т. п.
Различают следующие виды интерфейсов:
Аппартатный – это совокупность технических средств и алгоритмов, обеспечивающих обмен данными между устройствами. Например, PCI, SCSI.
Внутрисистемный – это группа интерфейсов, которая обеспечивает заимодействие компонент ядра ВС. Интерфейсы этого уровня должны удовлетворять критерию максимальной производительности, например, интерфейс между процессором и памятью.
Системный – это группа интерфейсов, сопрягающих как элементы ядра ВС, так и элементы подсистемы ввода-вывода. Служат для развития системы (ISA, PCI, PCI Express), т.е. наращивания характеристик вычислительного ядра. Является компромиссом при создании дешевой вычислительной структуры.
Уровень стандартных интерфейсов ввода-вывода – это группа интерфейсов, объединяющая контроллеры ввода-вывода процессорами ввода-вывода. Характеристики этих интерфейсов сильно отличаются от характеристик первых двух групп: критерием является удобство и эффективность управления большим числом периферийных устройств. Рассматривается протокол обмена между ведущим и ведомым (интерфейс SCSI, SAS).
Уровень малых периферийных интерфейсов, которые сопрягают контроллеры (процессоры) ввода-вывода непосредственно с внешними устройствами (RS-232, SATA). Для каждого внешнего устройства требуется свой оптимальный интерфейс.
Контроллерные сети. Примеры: 1-Wire, USB.
Сети передачи данных (СПД) систем обработки данных (СОД) (InfiniBand, Ethernet)
Программный – это совокупность функций, доступных для использования в приложениях (англ. API – application programming interface). Так же это соглашение о связях программных модулей в некой программной среде. Например, Win32.
Пользовательский – это совокупность средств и методов организации взаимодействия человека (пользователя) с вычислительной системой. Например, графический интерфейс WIMP, жестовый интерфейс.
Последовательный интерфейс предполагает для передачи данных в одном направлении единственную сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Примеры последовательных интерфейсов: RS-232
В параллельном интерфейсе для передачи данных в одном направлении используется несколько линий (8, 16, 24, 32, 64). Примеры параллельных интерфейсов: ISA, ATA, SCSI, PCI.