Шини і інтерфейси

Шина управління - комп'ютерна шина, по якій передаються сиг-нали, що визначають характер обміну інформацією по ма-гістралі. Сигнали управління визначають, яку операцію (зчитування або запис інформації з пам'яті) потрібно виробляти, синхронізують обмін інформацією між пристроями і т. Д.

Відзначимо, що в найбільш сучасних комп'ютерах функції північного моста виконує центральний процесор (Intel Nehalem, AMD Sledgehammer).

У комп'ютері є кілька шин, по яких передаються дані. Основний є шина між центральним процесором і Північним мостом. Про частоту цієї шини можна прочитати в розділі про процесорах. Наступна шина є між процесором і оперативною пам'яттю (раніше вона була між Північним мостом і оперативною пам'яттю). Про її характеристиках можна дізнатися з розділу про оперативну пам'ять. Залишаються нерозглянутими шини, які ведуть до карт розширення, які нижче і опишемо.

Шина даних передає безпосередньо дані і чим більше має ліній, тим більше даних можна передати за один такт. Тому число ліній постійно збільшується, починаючи від 8 до перших комп'ютерах до 32 в системах Pentium.

Через роз'єми материнської плати, через що вставляються плати передається інформація до / від процесора до зовнішніх пристроїв по відношенню до материнської плати. Через ці роз'єми, природно, не можна передавати більше даних, ніж це підтримує внутрішня системна шина, а зазвичай менше, в залежності від типу шини, з якою працюють карти розширення. Існує кілька видів шин і, відповідно, роз'ємів: ISA, EISA, PCI і інші. В останніх моделях комп'ютерів застосовується в основному більш продуктивна шина PCI-Е. Але досить багато пристроїв до цих пір працюють з менш продуктивними шинами. Тому в сучасних материнських платах встановлено до 5 різних шин і їм відповідних роз'ємів.

Розглянемо більш докладно наявні шини.

Шина ISA має наступні обмеження:

- наявність 16-розрядної шини, тобто можливість одночасно посилати два байта;

- максимальна тактова частота 8,33 МГц;

- відсутність спільного використання переривань і каналів DMA для декількох карт в різних роз'ємах;

- відсутність можливості програмного відключення карти при конфлікті пристроїв;

Для установки карти ISA в шину EISA зазвичай потрібно мати конфігураційний файл, щоб запустити утиліту конфігурації шини EISA, яка буде потім розподіляти ресурси для карти.

При установці нового пристрою потрібно, щоб воно було сумісно фізично і логічно. Під фізичним суміщенням мається на увазі, що вид роз'єму, кількість контактів у вилки і роз'єму повинні збігатися один з одним. Логічне поєднання означає, що повинні бути чітко визначені контакти, за якими подається напруга, де є заземлення і т.д. При цьому сигнал, що посилається по одному контакту, повинен бути ідентифікований пристроєм одержувача як сигнал пересилання даних, а не як сигнал, що управляє. Все це визначається стандартом шини.

Даний стандарт встановлюється, як правило, виробником, який почав масовий випуск нових пристроїв. До них відносяться шина ЕIDE для підключення жорстких дисків, послідовний і паралельний порт, шина для виведення графічних зображень, шина для підключення карт розширень, шина USB, IrDA і ін. Які мають свої стандарти. Однак на практиці часто під поняттям шини позначають шину, до якої підключається плата розширення. Тому в цій книзі і далі просто шина буде називатися шина PCI, VESA і т.д. На закінчення відзначимо, що перші шини для комп'ютера називалися Multibus1. Вони випускалися в двох варіантах: PC / XT bus і PC / AT bus і мали 7 ліній для апаратних переривань. Надалі їх витіснила шина ISA.

Шина EISA (Extended ISA - розширена ISA) випущена групою конкуруючих з IBM фірм в 1988 році, так як шина МСА мала закрите опис і її могла використовувати тільки компанія IBM, також вже застаріла. До переваг слід віднести її сумісність з роз'ємом ISA за рахунок розташування роз'ємів в два шари, на одному ISA, на другому - EISA. Дана шина 32-розрядна, працює з частотою 8,33 МГц і дає максимальну швидкість передачі даних до 33 Мб / с. Конфігурація встановлюється програмно, а не за допомогою перемикачів.

Щоб при установці карти, що вимагає роз'єм ISA, що не були замкнуті два шари, в роз'ємі є заглушка, яка не дозволяє з'єднатися з нижніми контактами. Карта EISA містить в місці заглушки виріз, який дозволяє минути цю заглушку.

З огляду на дорожнечу шина EISA не отримала широкого застосування в персональних комп'ютерах, але використовувалася в робочих станціях і серверах.

Шина SCSI (Small Computer System Interface - невеликий системний комп'ютерний інтерфейс) розроблений для підключення до шини великих масивів пристроїв, таких як, жорсткі диски, оптичні накопичувачі, стримери, принтери та ін. Тому використовується в основному в серверних комп'ютерах або комп'ютерах з системою RAID. У домашніх комп'ютерах практично не використовується.

SCSI-1 з'явилася в 1986 році, мала 8 ліній для передачі даних, кожен пристрій зі своїм номером, причому адаптера присвоєно номер 7. Решта пристрої мають номер від 0 до 6, причому номер встановлюється вручну на задній стороні пристрою, що підключається або за допомогою перемичок. Пристрої на шині можуть обмінюватися між собою інформацією без участі адаптера, який в цьому випадку визначає, хто кому може передавати дані. У той же час, коли інформація проходить через нього, він приймає в цьому участь. Частота шини - 5 МГц, максимальної число пристроїв, що підключаються - 8.

Wide SCSI мала 16 ліній для передачі даних, частоту шини - 10 МГц, пропускну здатність - 20 Мбайт / сек, максимальної число пристроїв, що підключаються - 16.

Ultra Wide SCSI мала 16 ліній для передачі даних, частоту шини - 20 МГц, пропускну здатність - 40 Мбайт / сек, максимальної число пристроїв, що підключаються - 4 - 16.

Ultra2 Wide SCSI мала 16 ліній для передачі даних, частоту шини - 40 МГц, пропускну здатність - 80 Мбайт / сек, максимальної число пристроїв, що підключаються - 16.

Ultra3 SCSI мала 16 ліній для передачі даних, частоту шини - 40 МГц, пропускну здатність - 160 Мбайт / сек, максимальної число пристроїв, що підключаються - 16.

Ultra-320 SCSI мала 16 ліній для передачі даних, частоту шини - 80 МГц, пропускну здатність - 320 Мбайт / сек, максимальної число пристроїв, що підключаються - 16.

Надалі стала розвиватися технологія SAS (Serial Attached SCSI) для роботи з жорсткими дисками і стрічковими накопичувачами. До роз'єму SAS можна підключити пристрої SATA, але не навпаки. Забезпечує пропускну здатність 1.5, 3.0, 6.0 Гбіт / сек, очікується 12 Гбіт / сек. Дозволяє підключати не тільки накопичувачі в 3.5 дюйма, а й 2.5 дюйма.

Сам адаптер розташовується на материнській платі (як у макінтоша) або на карті розширення. Карта вставляється в слот PCI. У кабелю пристроїв SCSI комп'ютерів Мак є розетка з роз'ємом DB25, таким же, як і для паралельного порту. Якщо його випадково підключити до принтера або паралельного порту комп'ютера або, навпаки, підключити принтерний кабель до пристрою SCSI, то можуть вигоріти мікросхеми пристрою, до якого вони підключені.

При передачі даних по кабелю в ньому може виникнути так звана «стояча хвиля». Щоб її не було, застосовується спеціальна заглушка, яка її гасить. Причому ця заглушка повинна бути одна і перебувати на кінці кабелю. SCSI пристрої можуть мати два роз'єми, один з яких підключається до SCSI шині, а на другому, якщо він знаходиться на кінці кабелю, повинна бути заглушка. Якщо є дві заглушки на двох пристроях на лінії, то вони можуть заважати один одному виконувати свою роль.

Інші пристрої (оптичні накопичувачі, Iomega) мають спеціальні драйвери, при яких можна вільно переміщувати їх з однієї системи в іншу. В одному комп'ютері можна використовувати як пристрої, підключені до адаптера SCSI, так і EIDE одночасно.

Пристрої SCSI вимагають на кінці кабелю, який їх з'єднує, кінцевої навантаження. Як правило, вона на заводі встановлюється на кожне з пристроїв. Тому при установці всіх пристроїв, крім останнього, потрібно їх зняти. Якщо пристрої, що підключаються до шини SCSI, не підтримують стандарт Plug Play, то на них потрібно встановити за допомогою перемичок номер пристрою. При цьому потрібно мати на увазі, що деякі адаптери вимагають, щоб пристрої з номером 0 і 1 були жорсткими дисками.

Шина EIDE призначається для підключення жорстких дисків і оптичних накопичувачів. Також називається як ATA або РАТА (паралельна АТА). Зараз витісняється шиною SATA, але, тим не менш, встановлюється і на сучасних платах, так як до нього можна підключити декілька оптичних накопичувачів (два на кожен роз'єм). Більш детально це розглянуто в пункті про жорсткі диски. Перші дисководи підключалися до комп'ютера за допомогою карт, на яких знаходився контролер диска. Згодом, коли розміри мікросхем зменшилися, контролер стали встановлювати на жорсткому диску, а контролер гнучких дисків - на материнській платі, тому з'явилася можливість підключати жорсткі диски безпосередньо через роз'єм на материнській платі.

Так з'явилася шина IDE, що є частиною шини ISA, яка виведена на спеціальний роз'єм (в сучасних пристроях два роз'єми) на материнській платі. Спочатку був розроблений стандарт роботи шини під назвою АТА, потім ATAPI, який дозволяв працювати з оптичними накопичувачами. Згодом з'явився розширений варіант EIDE зі стандартом АТА і надалі розширення стандарту - ATAPI. Якщо пристроїв, що підключаються до гнізда EIDE, більше, ніж може підтримати комп'ютер, то потрібно встановити спеціальну карту, до якої можна підключити ще кілька пристроїв.

Пізніше з'явився стандарт АТА66, в якому збільшилася тактова частота в каналі до 16,7 Мгц і передача даних відбувається зі швидкістю 66,7 Мбайт / сек. Кабель для підключення жорсткого диска до материнської плати вже інший і містить 80 проводів замість 40, як було у попередніх стандартів. Для підключення пристроїв до цього кабелю використовується 40 проводів. Якщо підключити пристрій, здатний працювати в АТА33, до цього каналу, або пристрій, що працює зі стандартом АТА66, до шини АТА33, то пристрій буде працювати зі швидкістю 33,3 Мбайт / сек. У деяких платах АТА і його розширення АТАРI дозволяє підключати пристрої з різними швидкостями до однієї шині без зниження продуктивності, але краще все-таки розділити їх на різні канали.

Кабель для роботи зі стандартом IDE АТА (AT-Bus) - 16-бітний, має 40 жив. Кабель XT IDE (8 біт) має також 40 жив, але не сумісний з АТА, тобто його не можна використовувати для стандарту IDE.

Існує два режими роботи каналу DMA: Singleword і Multiword. Singleword DMA має mode 0, яка працює зі швидкістю 2.08 мб / сек. mode 1 - 4.16, mode 2 - 8.33, а Multiword DMA має mode 0, що працює зі швидкістю 4.12, mode 1 - 13.3, mode 2 - 16.6 мб / сек. Режим Ultra DMA має mode 0, що працює зі швидкістю - 16.6, mode 1 - 25, 2 - 33.

Крім того, існують інші режими PIO, від 0 і вище, і чим більше номер, тим швидше працює шина.

Режим АТА-2 працює в PIO Mode 3 multiword DMA Mode 1, підтримує LBA і CHS. Fast ATA-2 підтримує Multiword DMA mode 2 і PIO mode 4. АТА3 - це розширення АТА2 з Smart, тобто покращує споживання харчування. АТА / ATAPI-4 - розширення АТА3, має Ultra DMA, інтерфейс ATAPI. E-IDE підтримує PIO mode3, з multiword DMA mode 1 і працює з LBA і CHS. Для Ultra DMA потрібен 80-жильний кабель з роз'ємами на 40 контактів з екрануванням. Стандарт IDE Mastering дозволяє зовнішнього пристрою управляти системної шиною для передачі даних без управління шиною процесора, однак використання такої шини дозволяє позбутися від проблем з розподілом каналів DMA і обмеження можливостей. Зокрема, працює з 8- або 16-розрядними даними. Далі з'явилися режими роботи АТА-3 (інша назва EIDE), АТА-4 (частота 16.7, 25, 33.3, інша назва Ultra ATA / 33), АТА-5 (частота 66 МГц, інша назва Ultra ATA / 66), АТА- 6 (частота 100 МГц, інша назва Ultra DMA 100 або UDMA5 (100)), АТА-7 (частота 133 МГц, інша назва Ultra DMA 133 або UDMA6 (133)), АТА-8 (у розвитку).

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - з'єднання периферійних компонентів) також не базується на шині ISA і є цілком самостійною, синхронної шиною, розроблена компанією Intel, перші версії працювали з частотою 33 Мгц, мала 32-бітний (або 64-бітний) канал і є незалежною від центрального процесора, тобто дозволяє передавати дані в той час, коли процесор зайнятий іншими обчисленнями. Теоретична пропускна здатність шини була 133 Мбайт / сек, реально - 80 Мбайт / сек. Ця шина досі має широке поширення.

Шина PCI почала розроблятися в один час з шиною ISA, але була закінчена пізніше. У шини PCI більше ліній для передачі даних, ніж в ISA, і працює вона швидше, ніж ISA, причому загальне число контактів в роз'ємі - 124. Шина дозволяє виявити помилки при передачі даних і працює без заглушки кабелю. Крім того, дозволяє при установці конфігурувати пристрій, що підключається, тобто при цьому комп'ютер зчитує інформацію з пам'яті пристрою, де зберігаються його основні параметри. Шина може працювати не тільки з певним набором мікросхем на материнській платі, а й з різними пристроями, а також в інших видах комп'ютерів. Крім того, шина PCI здатна використовувати спільно переривання і канали DMA для різних пристроїв, що послужило поштовхом до її активного впровадження, тоді як шина ISA не могла цього забезпечити.

В роз'єм шини PCI можна підключати карти: мають харчування в 5 в (ключ 50, 51 контакт), 3.3В (ключ 12,13) і універсальний (ключ в 12, 13, 50, 51 контактах). 32-бітний слот має по 62 контакту з кожного боку, 64-бітний - 94. Дана шина дозволяє підключити до чотирьох пристроїв одночасно, тобто може мати до чотирьох роз'ємів. Для використання більшої кількості пристроїв, що підключаються застосовується спеціальна мікросхема - міст шини, для з'єднання двох шин. Для пристроїв промислового використання є стандарт Compact PCI з 8 роз'ємами.

Поки розроблялася шина PCI, розвивалися і інші галузі. Зросла тактова частота внутрішньої шини до 100, 150 і вище Мгц, збільшилася кількість ліній передачі даних до 64 і продовжує збільшуватися, однак тип шини PCI залишився 32-розрядний, але в подальшому шина PCI також буде розвиватися.

У кожного слота є 256 восьмібітних регістра, де містяться конфігураційні параметри. Після включення живлення комп'ютера відбувається запит на конфігурацію шини під час виконання програми Post, після установки параметрів шина може виробляти операції введення / виводу. Основна перевага шини полягає в тому, що передача даних відбувається без задіяння центрального процесора, тобто під час передачі даних від одного пристрою до іншого центральний процесор може займатися своїми завданнями.

Вирішення конфліктів переривань в шині PCI забезпечується за рахунок того, що шині надається можливість обслуговувати обробку кожного з пристроїв по черзі. Шина PCI забезпечує 32 лінії даних при тактовій частоті 33 Мгц, потім стала 64-розрядної, з тактовою частотою 66 Мгц, причому в новий варіант шини можна вставляти старі плати PCI, а також нову карту в старий роз'єм. Новіші версії PCI можуть збільшувати тактову частоту і дозволяють використовувати старі карти розширень для їх роботи, а також встановлювати нові плати в старі роз'єми.

SATA (Serial ATA) є розвитком інтерфейсу IDE. Її особливістю є не паралельна передача даних, а послідовна, що хоча і повільніше, але дозволяє використовувати більш високі частоти без необхідності синхронізації сигналу. Перший стандарт SATA 1.x міг працювати на частоті 1.5 ГГц з пропускною спроможністю 1.2 Гбіт / сек (втрати за рахунок передачі великої кількості службової інформації). Стандарт 2.х працює на частоті 3 ГГц з пропускною спроможністю до 2.4 Гбіт / сек і стандарт 3.0 на частоті 6.0 Гбіт / сек, з пропускною здатністю 4.8 Гбіт / сек.