Раздел 4: основные характериситики эвм. Типы шин. Различия системных шин для цп intel и amd основные характеристики эвм

Насколько бы ни была сложной ЭВМ, имеющая многопроцессорную архитектуру, большое количество видеокарт, сетевых подключений и тому подобное, существует несколько основополагающих элементов, без которых ни один компьютер не способен эффективно выполнять задачи. Ими являются: центральный процессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство. Именно объем ПЗУ, тактовая частота центрального процессора и объем оперативной памяти дают наиболее полное представление о конкретном компьютере, его быстродействии и способности удовлетворить потребности пользователя^[19].

Шины эвм

Компьютер состоит из множества различных компонентов, а также дополнительных (отдельные обработчики звука, изображения; элементы взаимодействия с сетями) и внешних устройств (устройства ввода/вывода). Контроль над компонентами компьютера и различными устройствами, а также управление ими осуществляется центральным процессором, путём передачи и получения сигналов и данных. Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и центральным процессором через шины.

Компьютерная шина (англ. «computer bus») – соединение, служащее для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни^[22]. Важнейшими характеристиками шины являются ширина (разрядность), т.е. число линий данных, и частота. Они в совокупности непосредственно влияют на производительность шины, измеряемую в мегабайтах в секунду^[20].

Одним из простейших механизмов, позволяющих организовать взаимодействие различных подсистем, является единственная центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Доступ к такой шине разделяется между всеми подсистемами^[20]. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность. Поскольку такая шина является единственным местом подсоединения для разных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же периферийные устройства могут применяться в разных вычислительных системах, использующих однотипную шину. Стоимость такой организации получается достаточно низкой, поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины, разделяемый множеством устройств. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины для памяти и устройств ввода/вывода^[20].

Типы шин

Все шины можно разделить на два типа: системные (внутренние или локальные) шины и шины ввода/вывода. Системные шины соединяют центральный процессор и основные компоненты компьютера на материнской плате, а шины ввода/вывода – периферийные устройства. Шины ввода/вывода соединяются с внутренней шиной через так называемые «мосты» (особые микросхемы центрального процессора, занимающиеся управлением шинами ввода/вывода) ^[21].

Также шины можно разделить на параллельные (данные переносятся потактово словами: каждый бит – отдельным проводником) и последовательные (биты данных переносятся поочерёдно по каналу, например, паре проводников) ^[22].

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Основной функцией системной шины является передача информации между центральным процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса и шины управления^[20].

Шина адреса – шина, используемая для адресации. Она связана с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти^[20].

Каждая ячейка памяти и устройство ввода/вывода компьютера имеет свой собственный адрес. При считывании или записи данных процессор должен сообщать, по какому адресу он желает прочитать или записать данные, для чего необходимо этот адрес указать. Шина адреса является однонаправленной^[20].

Разрядность адресной шины определяет максимальное число адресов, по которым может обратиться процессор, т. е. число линий в адресной шине показывает, каким объемом памяти может управлять центральный процессор. Учитывая, что одна адресная линия обеспечивает представление одного разряда двоичного числа, формулу для максимального объема адресуемой памяти можно записать в следующем виде^[20]:

где N – максимальное число адресов,

n – разрядность адресной шины.

Шина данных – шина, которая используется для передачи данных между центральным процессором компьютера и внешними устройствами.

Шину данных образуют линии, служащие для передачи данных между отдельными структурными группами ПК. Исходным пунктом линий данных является центральный процессор (он также определяет разрядность шины данных). Шина данных может быть как последовательной, так и параллельной^[20].

Шина управления – компьютерная шина, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее^[22].

Шина управления не имеет такой же чёткой структуры, как шина данных или шина адреса. В шину управления условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы от центрального процессора на все периферийные устройства и обратно^[22].

С помощью небольшого числа линий шина управления обеспечивает такое функционирование системы, чтобы в каждый данный момент времени только одна структурная единица ПК пересылала данные по шине данных или осуществляла адресацию памяти. К шине управления может быть подключено много приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов определяет, для кого именно предназначаются данные на шине. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Управляющая логика активизирует в каждый конкретный момент только одно устройство, которое становиться ведущим. Когда устройство активировано, оно помещает свои данные на шину. Все другие микросхемы в этот промежуток времени должны блокироваться с помощью соответствующего сигнала на линии управления^[20].

Шина ввода/вывода – основная шина для управления периферийными устройствами. Шина ввода/вывода компьютера может рассматриваться как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода/вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода/вывода работать независимо^[20].

Интерфейс малых вычислительных систем (англ. «Small Computer System Interface», SCSI) – набор стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов США (ANSI) и определяющих механизм реализации магистрали передачи данных между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. Первоначально SCSI предназначался для использования в небольших дешевых системах и поэтому был ориентирован на достижение хороших результатов при низкой стоимости. Характерной его чертой является простота, особенно в части обеспечения гибкости конфигурирования периферийных устройств без изменения организации основного процессора. Главной особенностью подсистемы SCSI является размещение в периферийном оборудовании интеллектуального контроллера^[20].

Для достижения требуемого высокого уровня независимости от типов периферийных устройств в операционной системе основной машины, устройства SCSI представляются c очень простой архитектурой. Например, геометрия дискового накопителя представляется в виде линейной последовательности одинаковых блоков, хотя в действительности любой диск имеет более сложное строение, содержащее поверхности, цилиндры, дорожки, характеристики плотности, таблицу дефектных блоков и множество других деталей. В этом случае само устройство или его контроллер несут ответственность за преобразование упрощенной SCSI модели в данные для реального устройства^[20].

SCSI шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD-приводы; а также для подключения принтеров и сканеров^[21].

Industry Standard Architecture (ISA) – 8-ми или 16-ти разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров, впервые введённая в 1981 году. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-ух или 98-ми контактного разъёма на материнской плате. Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения^[21].

PCI-express (PCI-e) – это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том, что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение «peer-to-peer», между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16 штук. Такое строение даёт максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера^[21].

В стандарте PCI-express Информация, которую необходимо передать упаковывается в пакеты, куда заносится и информация о получателе и коды обнаружения и исправления ошибок. Получившийся сплошной поток данных, где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная информация, уже передается через физическую среду. Приёмник распаковывает прибывшие данные, исправляет ошибки или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и перенаправляет пакет далее^[22].

Integrated Drive Electronics (IDE) – параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. Разработан в 1986 году фирмой Western Digital, позднее стал именоваться ATA, затем PATA. Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате, а один или два других подключаются к дискам. Прямое подключение к материнской плате являлся нововведением IDE, так как в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения. В один момент времени шлейф PATA передаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, допускающие подключение трёх дисков к одному IDE-каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме «read-only» ^[21].

IDE был стандартом для IBM совместимых компьютеров в 1990-е годы, в наши дни он вытесняется своим последователем – SATA^[21].

Serial ATA (SATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE). SATA использует 7-ми контактный разъём вместо 40-ка 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. Теперь 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. В отличие от PATA, стандарт SATA предусматривает горячее подключение устройства^[26].