1 системная шина основные составляющие. Шины адреса и данных. Тесты фирмы SPEC

Знать строение компьютера обычному пользователю совершенно не обязательно. Но если вы хотите считать себя продвинутым пользователем, который без труда справляется с любой поставленной компьютерной задачей, да к тому же собирается в ближайшем будущем самостоятельно собрать свой первый системный блок, то подобные знания просто необходимы.

Функционирование компьютера невозможно без наличия в нем хотя бы одной из перечисленных ниже систем:

1. Процессора.
2. Видеоплаты.
3. Оперативного запоминающего устройства.

Но даже все эти компоненты в совокупности не смогут функционировать. Для этого необходимо организовать между ними связь, посредством которой осуществлялись бы логические и вычислительные операции. Подобные системы связи организуют системные шины компьютера. Поэтому можно сказать, что это еще один незаменимый компонент системного блока.

Системная шина

Системная шина - это совокупность путей передачи данных, которые обеспечивают взаимосвязанную работу между остальными элементами компьютера: процессором, видеоадаптером, жесткими дисками и другими компонентами. Данное устройство состоит из нескольких уровней:

• механического;
• электрического или физического;
• логического и уровня управления.

Первостепенное деление системных шин

Деление шин основывается на нескольких факторах. Первенствующим показателем является месторасположение. Согласно этому показателю шины бывают:

1. Внутренними, которые обеспечивают взаимосвязь внутренних компонентов системного блока, таких как процессор, ОЗУ, материнская плата. Такая системная шина называется еще локальной, так как служит для связи местных устройств.
2. Внешними, которые служат для подключения наружных устройств (адаптеров, флеш-накопителей) к материнской плате.

В самом общем случае системной шиной можно назвать любое устройство, которое служит для объединения в одну систему нескольких устройств. Даже сетевые подключения, например, сеть Интернет, в некотором роде является системной шиной.

Самая важная система связи

Вся деятельность, которую мы осуществляем посредством компьютера - создание разнообразных документов, воспроизведение музыки, запуск компьютерных игр - была бы невозможна без процессора. В свою очередь, микропроцессор не смог бы выполнять свою работу, если бы не имел каналов связи с другими важными элементами, такими как ОЗУ, ПЗУ, таймеры и разъема ввода-вывода информации. Именно для обеспечения этой функции в компьютере имеется системная шина процессора.

Быстродействие компьютера

Для функционирования микропроцессора в состав системы каналов связи входит сразу несколько шин. Это шины:

Количество представленных типов системных каналов связи процессора может быть от одного и более. Причем считается, что чем больше шин установлено, тем больше общая производительность компьютера.

Важным показателем, который также затрагивает производительность ПК, является пропускная способность системной шины. Она определяет скорость передачи информации между локальными системами электронно-вычислительной машины. Рассчитать ее довольно просто. Необходимо лишь найти произведение между тактовой частотой и количеством информации, то есть байт, которая передается за один такт. Так, для давно устаревшей шины ISA пропускная способность составит 16 Мбайт/с, для современной шины PCI Express это значение будет находиться на отметке в 533 Мбайт/с.

Виды компьютерных шин

История компьютерной техники насчитывает уже не одно десятилетие. Совместно с развитием новых компонентов разрабатывались и новые типы системных шин. Самым первым таким каналом связи была система ISA. Этот компонент компьютера обеспечивает передачу данных на довольно медленной скорости, но ее достаточно для одновременного функционирования клавиатуры, монитора и некоторых других компонентов.

Несмотря на то что она была изобретена более полувека назад, данная системная шина активно применялась и в настоящее время, уверенно конкурируя с более современными представителями. Это смогло осуществиться благодаря выпуску большого количества расширений, которые увеличивали ее функционал. Лишь в последние годы процессоры стали выпускаться без использования ISA.

Современные системные шины

Шина VESA стала новым словом в области компьютерной техники. Разработанная специально для непосредственного подключения внешних устройств к самому процессору, она и по сей день обладает высокими показателями скорости передачи информации и обеспечивает высокую производительность процессора.

Но подобная система каналов связи не в состоянии обеспечить надлежащее функционирование микропроцессора. Поэтому она внедряется в систему совместно с ISA и выступает в роли еще одного расширения.

Вот и вся краткая справочная информация, которая должна пролить свет на один из важнейших компонентов современных компьютеров. Следует сказать, что здесь представлена лишь малейшая частичка информации о компьютерных шинах. Полным их изучением занимаются в специальных заведениях на протяжении нескольких лет. Подобная детальная информация необходима непосредственно для разработки новых моделей микропроцессоров или для модернизации уже существующих. Шина PCI является ближайшим конкурентом предыдущего представителя каналов передачи данных. Эта системная шина была разработана компанией Intel специально для производства процессоров собственной торговой марки. Данное устройство способно обеспечить еще большую скорость передачи данных и при этом не нуждается в дополнительных элементах, как в предыдущем примере.

Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.

Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.

Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.

Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.

Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, бо льшее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.

Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.

Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.

100 * 64 = 6400 Мбит/сек;

6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода–вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) - Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования - поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.

Чипсет

Как уже можно было убедиться на примере системной и локальных шин, материнская плата является довольно сложным устройством и включает следующий важный компонент – чипсет. От чипсета напрямую зависят все основные характеристики материнской платы, а следовательно, и конструируемой на ее базе компьютерной системы.

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.

Чипсет – это набор микросхем системной логики (называют сокращенно НМС или МСЛ). Общеизвестно, что персональный компьютер состоит из некоторого количества устройств, которые так или иначе подключены к материнской плате и занимаются тем, что принимают, обрабатывают и передают какую-либо информацию. Логической организацией всей этой работы и занимаются чипсеты. На первых поколениях ПК, когда НМС еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы отдельных устройств, что было крайне неудобно. Вот некоторые из них: контроллеры прерываний, контроллер прямого доступа, контроллер клавиатуры, часы, системный таймер, контроллер шин и прочее и прочее. Такое положение просуществовало до 1986 года, когда фирма Chip and Technologies предложила поистине революционное решение. Микросхема называлась 82С206 и стала основной частью набора микросхем системной логики. Она выполняла такие функции, как:

Контроллер шин;

Генератор тактовой частоты;

Системный таймер;

Контроллер прерываний;

Контроллер прямого доступа к памяти;

С появлением процессора i80486 отдельные микросхемы стали объединять в одну–две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, - это одна или чаще всего две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера.

С появлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами - так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный - с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это - двухмостовая схема.

В северный мост чипсета традиционно включены контроллер оперативной памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета может содержать дополнительные линии PCI Express x1 для организации взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий интерфейс.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB-контроллер, сетевой контроллер, контроллер PCI-шины и PCI-Express-шины, контроллер прерывания и DMA-контроллер. Также в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер, и в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека. Кроме того, южный мост соединяется с еще двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM-памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и за флоппи-дисковод.

Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется специальная выделенная шина, причем разные производители используют для этого разные шины (с различной пропускной способностью):

· Intel- DMI (Direct Media Interface),

· VIA Technologies (основной производитель для процессоров AMD)-V-Link;

· SiS (Silicon Integrated System Corporation) - MuTIOL;

· ATI- HyperTransport, PCI Express;

· NVIDIA- HyperTransport.

Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста, хотя более правильным является указание именно совокупности северного и южного мостов, поскольку во многих случаях один и тот же северный мост чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.

Выбор чипсетов на сегодня очень велик. И если процессоры выпускают всего две компании – Intel и AMD–, то чипсеты производят и Intel, и VIA, и SiS, и NVIDIA, и ATI, и ULi.

Рассмотрим некоторые особенности современных чипсетов компании Intel. Сегодня компания Intel выпускает весьма разнообразный спектр чипсетов для процессоров Intel Pentium D, Intel Pentium 4 и Intel Celeron D. В 2004–2005гг. применялось семейство Intel 915, Intel 925, в 2006 г. – Intel 945. Вместе с новыми процессорами Intel Pentium Extreme Edition 8хх и Intel Pentium D компания Intel представила и новый чипсет Intel 955X Express (кодовое название Glenwood). Все отмеченные чипсеты предназначены для корпуса микропроцессора LGA775.

Чипсет Intel 955X Express является на сегодня старшей моделью и логическим продолжением чипсетов серии Intel 945, Intel 925X Express. Он может поддерживать двухъядерный процессор Intel Pentium Extreme Edition 8хх с частотой FSB 800 МГц или одноядерный процессор Intel Pentium 4 Extreme Edition c частотой FSB 1066 МГц и обычные процессоры Intel Pentium 4. Для процессора Intel Pentium D предназначен чипсет Intel 945X Express. А теперь перечислим основные особенности набора системной логики Intel 955X Express (рис. 10) по сравнению с предыдущими сериями.

Контроллер памяти этого чипсета поддерживает память DDR2-667 в двухканальном режиме, а шина памяти имеет пропускную способность 8,5 Гбайт/с. Всего поддерживается до 8 Гбайт памяти, причем реализована поддержка памяти с ECC. Кроме того, в контроллере памяти реализована технология оптимизации производительности памяти (Performance Memory Optimizations).

Для совместимости с процессорами Intel Pentium 4 Extreme Edition частота FSB может быть как 800, так и 1066 МГц. Особенностью северного моста чипсета Intel 955X Express является также поддержка двух графических шин с внешним мостом, обеспечивающим два физических слота PCI Express x16. Южный мост чипсета ICH7 - это новая версия уже хорошо знакомого контроллера ввода-вывода ICH6. Среди функциональных особенностей - поддержка четырехканального SATA RAID-контроллера, восьмиканального аудиоформата Intel High Definition Audio, PCI-шины и шести слотов шины PCI Express x1.

Чипсеты разрабатываются под конкретные поколения процессоров и конкретные модели процессоров. Так, например, компании VIA Technologies, NVIDIA, SiS в большей степени разрабатывают чипсеты для процессоров AMD. А фирма Intel, естественно, работает на собственный модельный ряд Pentium 4. Основные характеристики чипсетов Intel отражены в табл. 5. Как видно, чем старше модельный ряд, тем большие возможности по производительности и функциональности заложены в них. Поддержка высокоскоростных шин (FSB 800/1066 МГц), современный процессорный разъем (LGA 775), быстрая и большой емкости памяти (DDR2), увеличенное количество USB портов, высокоскоростные интерфейсы винчестера (SATA II) и другие.

Рис. 10. Структурная схема чипсета Intel 955X Express

BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода–вывода) - это встроенное в компьютер на чипе программное обеспечение, которое ему доступно на первом этапе без обращения к диску. Оно представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, в частности необходимых для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и называемой «холодной» загрузке) и сбросе («горячей» загрузке) системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода–вывода, настраивает чипсет и передает управление загрузчику операционной системы. Образец микросхемы BIOSа представлен на рис. 11.

Рис. 11. Микросхема BIOSа компании American Megatrends Inc (AMI).

Таблица 5

Основные характеристики чипсетов для микропроцессоров Intel

По сути дела, BIOS – это набор драйверов (драйвер – программа управления устройством), обеспечивающих работу системы при запуске компьютера или при загрузке в безопасном режиме. При включении питания компьютера еще до загрузки операционной системы можно управлять им с клавиатуры, видеть все действия на мониторе. Кроме этого, если загрузка происходит в безопасном режиме, то осуществляется отказ от драйверов операционной системы и в работе остаются только драйвера BIOS.

При работе под операционными системами DOS и Windows 9x BIOS также управляла основными устройствами, то есть выступала посредником между операционной системой и аппаратурой компьютера. При работе под Windows NT/2000/XP, разновидностями UNIX, OS/2 и другими альтернативными ОС BIOS практически не используется, выпол­няя лишь начальную проверку и настройку.

BIOS состоит из следующих частей:

1. POST (Power On Self Test) - программа, ответственная за тестирование аппаратных средств компьютера при включении питания.

2. System Setup - программа настройки системы.

3. Набор программ для управления работой аппаратуры ПК.

BIOS, вообще говоря, уникален для каждой модели материнской платы компьютера, то есть он разрабатывается с учетом особенностей функционирования той комбинации оборудования, которая характерна именно для данной модели.

BIOS для современных системных плат разрабатывается чаще всего одной из специализирующихся на этом фирм - Award Software (поглотившей Phoenix Technology – одного из самых известных в прошлом производителей BIOS), American Megatrends Inc. (AMI ), Microid Research. В настоящее время наиболее популярен Award BIOS. Некоторые производители материнских плат - Intel, IBM или Acer - сами разрабатывают BIOS для своих плат. Они или существенно расширяют набор настроек или (как в случае с Intel), наоборот, ограничивают количество настроек только минимально необходимыми.

Первоначально BIOS размещалась в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство - ROM, Read-Only Memory: только для чтения), размещенной на материнской плате компьютера. Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступной, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться с других носителей. Поскольку доступ к оперативной памяти осуществляется значительно быстрее, чем к ПЗУ, производители компьютеров создавали системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ПЗУ в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется теневой памятью.

Во всех современных платах BIOS хранится в электрически перепрограммируемых ПЗУ (Flash ROM), которые допускают перепрошивку BIOS средствами самой платы при помощи специальной программы. Это позволяет исправлять заводские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вносить другие изменения, обновлять BIOS под новые материнские платы или компоненты компьютера.

Однако кроме явных плюсов в этой технологии есть и слабые стороны. Например, в настоящее время существует группа вирусов, которые, пользуясь возможно­стью изменять содержимое BIOS, стирают или изменяют его и таким образом делают компьютер неработоспособным. Из-за неправильного или отсутствующего BIOSа компьютер отказывается загружаться. Исправить такую ситуацию можно только в сервисном центре, где в специальном устройстве - программаторе - на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS. Например, известный вирус «Чернобыль», эпидемия которого была 26 апреля 1999 г., уничтожил миллионы BIOS по всему миру. После этой эпидемии некоторые производители стали снабжать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В случае повреждения основной копии загружается содержимое резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются достаточно редко.

Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS RAM. CMOS RAM называется так потому, что она выполнена на основе CMOS-структур (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые отличаются малым энергопотреблением. CMOS-память является энергонезависимой только потому, что постоянно подпитывается от аккумулятора, расположенного на системной плате. В то время, когда компьютер включен, CMOS RAM питается от блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM настолько мало, что даже при выключенном компьютере и отсутствующей батарее ее содержимое может сохраняться более суток только за счет остаточных зарядов на конденсаторах блока питания.

В CMOS RAM хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т. д. В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также разряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность воспользоваться настройками по умолчанию.

Общий принцип, которого следует придерживаться: если компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его работе, связанных с BIOS, не выявлено, то обновлять BIOS не следует.

Однако существуют ситуации, когда обновление BIOS необходимо. Обычно это выход нового процессора, поддержка которого не была заложена в прежней версии. Прежде чем устанавливать новую версию, нужно отправиться на сайт технической поддержки фирмы-производителя системной платы, прочитать спецификации новой версии BIOS и при необходимости скачать их, удостоверившись, что эта версия исправляет именно те недостатки, которые были выявлены в вашем компьютере.

При включения компьютера на процессор подается напряжение питания, и он «просыпается». Первыми прочитанными процессором командами являются инструкции из чипа BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы). Первым запускается POST - программа самотестирования. POST выполняет следующие шаги:

· инициализирует системные ресурсы и регистры чипсетов, систему управления электропитанием;

· определяет объем оперативной памяти (RAM) и тестирует ее;

· инициализирует видеоадаптер;

· включает клавиатуру;

· тестирует последовательные и параллельные порты;

· инициализирует дисководы и контроллеры жестких дисков;

· отображает итоговую системную информацию.

Все эти действия скоротечно отображаются на экране монитора (в черно-белом варианте) и их можно проследить и даже проанализировать, нажав клавишу «Pause».

В процессе работы BIOS сравнивает данные текущей системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS, и при необходимости обновляет ее. Если при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS информирует об этом сообщениями на экране монитора, а если это невозможно (например, еще не был проинициализирован видеоадаптер), выдает звуковые сигналы через системный динамик. Количество гудков соответствует кодам ошибки, которые можно узнать из документации. Некоторые системные платы снабжаются жидкокристаллическим индикатором, где отображаются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших ошибок.

После того как все POST-задания завершены, BIOS приступает к поиску программы-загрузчика. Современные версии BIOS позволяют загружать операцион­ную систему не только с флоппи-дисководов и жесткого диска, но и с привода CD-ROM, ZIP-устройств или Flash накопителей. Программа-загрузчик обычно располагается в первом секторе диска (винчестера), на котором размещена операционная система. Порядок перебора дисков при поиске загрузчика задается в настройках BIOS. Если загрузчик найден, он помещается в память и ему передается управление. После этого он находит и помещает в память собственно программу загрузки операционной системы (operation system loader), которая загружает, инициализирует и конфигурирует операционную систему и драйвера устройств. И уже в завершение, когда операционная система загружена, все управление передается ОС Windows, а затем запускаются другие программы, и в первую очередь из папки «Автозагрузка».

Как уже говорилось ранее, в системах под управлением DOS или Windows 9х BIOS берет на себя роль управления аппаратной частью ПК и служит посредником между операционной системой и оборудованием.

BIOS реализует свои функции через систему прерываний программного обеспечения. Прерывания программного обеспечения приводят к тому, что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке прерывания.

Проблема BIOS в том, что ограниченным числом подпрограмм невозможно оптимальным образом накрыть все потребности программного обеспечения и все особенности работы оборудования. Таким образом, использование подпрограмм BIOS не всегда является благом. В частности, эти подпрограммы реализуют некоторые функции компьютера очень медленно. Другим отрицательным моментом является то, что BIOS не позволяет полностью использовать возможности имеющегося оборудования, например его возможности, которые были реализованы после написания BIOS. Поэтому все современные операционные системы, обладая развитой системой обнаружения, конфигурирования и работы с аппаратным обеспечением компьютеров посредством драйверов, не пользуются услугами BIOS.

В будущем ряд производителей системных плат намерены отказаться от использования BIOS. Например, Intel разрабатывает ряд технологий, которые позволят перераспределить функции BIOS между чипсетом и расширениями операционной системы и избавиться от самой старой из доживших до наших дней части ПК.

Полное название BIOSа – ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input/Output System – только для чтения основная система ввода–вывода). На начальных этапах развития персональных компьютеров BIOS кратко назвали ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство). ПЗУ является связующим звеном, между операционной системой и железом. Не будь ROM BIOS, то операционная система была бы привязана к аппаратным средствам (как это и было практически на всех моделях микро-ЭВМ) и полностью бы от них зависела. Поскольку операционные системы имеют единый интерфейс для работы с различной аппаратурой, то проблем в несовместимости hardware и software, как правило, не происходят, так как между ними как раз и стоит BIOS. Напомним, что в компьютерном мире по принятой терминалогии hardware – это аппаратная часть компьютера, а software – программное обеспечение. Все это может выглядеть примерно так (рис.12):

Рис. 12. Роль BIOSа в создании единого аппаратно-программного комплекса

Каждая материнская плата оснащена микросхемой BIOS, которых существует четыре типа:

1. ROM (Read Only Memory) или ПЗУ;

2. PROM (Programmable ROM) или ППЗУ (Программируемое ПЗУ);

3. EPROM (Erasable PROM) или СППЗУ (Стираемое ППЗУ);

4. EEPROM (Electrically EPROM) или ЭСППЗУ (Электронное – Стираемое ППЗУ), второе название – flash ROM.

ROM. Первые ПЗУ представляли собой матрицу, на которой был выжжен код программы. Матрица представляла собой кремниевый кристалл. Перезаписать данные не представлялось возможным. Эта технология продержалась не слишком долго.

PROM. В конце 70-х годов фирма Texas Instruments разработала впервые программируемое ПЗУ. Первое ППЗУ имело емкость до 2 Мбайт. Запись на микросхему PROM можно сделать один раз. Но в отличие от ПЗУ, ППЗУ можно было запрограммировать в домашних условиях. Нужно было лишь купить новую ИС и иметь дома программирующее устройство, подключенное к компьютеру. Микросхемы ППЗУ имели свои идентификационные номера по которым можно было определить тип ППЗУ и объем в Кбайтах.

EPROM. На новых микросхемах имелось кварцевое окошко, довольно дорогое. Через окошко под воздействием ультрафиолетовых лучей возникала химическая реакция, которая восстанавливала ячейки. Для стирания записанной информации применялось специальное устройство. По физическим и функциональным параметрам микросхемы EPROM особо не отличались от PROM.

EEPROM. Основное преимущество этих микросхем заключается в том, что для перепрограммирования не требуется их снятия с материнской платы и не требуется никакого дополнительного оборудования. Уже с 1994 года почти все системные платы оснащаются flash ROM, а на данный момент времени другого BIOS на современной материнской плате не встретишь.

Шины, как известно, используются для передачи данных от центрального процессора к другим устройствам персонального компьютера. Для того, чтобы согласовать передачу данных к отдельным компонентам, работающих на своей частоте, используется чипсет – набор контроллеров, конструктивно объединенных в Северный и Южный мосты. Северный мост отвечает за обмен информацией с оперативной памятью и видеосистемой, Южный – за функционирование других устройств, подключаемых через соответствующие разъемы – жесткие диски, оптические накопители, а также устройств, находящихся на материнской плате (встроенная аудиосистема, сетевое устройство и др.), и для внешних устройств – клавиатура, мышь и т.д.

Схема системной платы показана ниже.

Для связи процессора с мостами используется шина FSB (Front Side Bus) (наиболее часто используемые в настоящее время Hyper-Transport и SCI), северный мост (иногда называемый системным контроллером) позволяет функционировать наиболее производительным устройствам – видеоадаптеру с помощью шины PCI Express 16x и оперативной памяти через шину памяти. Южный мост обеспечивает работу менее скоростных устройств, подключаемых с помощью карт расширения (аудиокарты, сетевые карты, видеокарты и т.д.) через шины PCI и шину PCI Express, оптических дисководов и жестких дисков через шины ATA (ранее называемых IDE, сейчас имеют название PATA (Parallel ATA) и более современные шины SATA. Еще более медленные устройства подключены к южному мосту через шину LPC – микросхема BIOS, мультиконтроллер для связи с внешними устройствами через последовательные и параллельные порты – клавиатурой, мышью, принтером и др.

Отметим, что в наиболее современных компьютерах функции северного моста выполняет центральный процессор (Intel Nehalem, AMD Sledgehammer).

В компьютере имеется несколько шин, по которым передаются данные. Основной является шина между центральным процессором и Северным мостом. О частоте этой шины можно прочитать в разделе о процессорах. Следующая шина имеется между процессором и оперативной памятью (раньше она была между Северным мостом и оперативной памятью). О ее характеристиках можно узнать из раздела об оперативной памяти. Остаются нерассмотренными шины, которые ведут к картам расширения, которые ниже и опишем.

Шина данных передает непосредственно данные, и чем больше она имеет линий, тем больше данных можно передать за один такт, поэтому число линий постоянно увеличивается. Для передачи данных внутри компьютера используются специальная шина, которая состоит из трех частей, по которым передаются данные, адреса, управляющие сигналы, а также заземление, напряжение и пр. То есть, практически данные передаются по трем частям: шина адреса, шина данных и шина управления. Число линий адресной шины определяет максимальное адресное пространство, куда можно пересылать данные, в основном, в оперативную память. Процессор 8086 имел 20 линий для адреса и мог адресовать 2 20 = 1 мегабайт памяти, в 286 имелось 24 линий (2 24 =16 мегабайт), в 386 – 32 линии (2 32 = 4 гигабайта), современные компьютеры имеют больше 32 линий. То есть, чем больше линий в адресной шине, тем большее количество оперативной памяти поддерживает материнская плата.

Шина данных передает непосредственно данные и чем больше имеет линий, тем больше данных можно передать за один такт. Поэтому число линий постоянно увеличивается, начиная от 8 в первых компьютерах до 32 в системах Pentium.

Через разъемы материнской платы, через вставляемые платы передается информация к/от процессора к внешним устройствам по отношению к материнской плате. Через эти разъемы, естественно, нельзя передавать больше данных, чем это поддерживает внутренняя системная шина, а обычно меньше, в зависимости от типа шины, с которой работают карты расширения. Существует несколько видов шин и, соответственно, разъемов: ISA, EISA, PCI и другие. В последних моделях компьютеров применяется в основном более производительная шина PCI-Е. Но довольно много устройств до сих пор работают с менее производительными шинами. Поэтому в современных материнских платах установлено до 5 различных шин и им соответствующим разъемам.

Рассмотрим более подробно имеющиеся шины.

Шина ISA (Industry Standart Architecture – промышленная стандартная архитектура) появилась давно и была долгое время стандартом. Сейчас она безнадежно устарела. Всего в первых моделях ХТ было 8 линий для данных, что позволяло передавать байт, 20 адресных линий для адресации до 1 мегабайта памяти, и еще 34 линии для других целей. При переходе на модель РС АТ были добавлены еще 36 линий, среди них 8 для данных и 4 для адреса. 8-разрядная использовалась еще в PC XT, имела 62 контакта и позволяла адресовать 1 Мб памяти. Далее появилась 16-разрядная (иногда называемая AT BUS), работает с частотой 8 Мгц со скоростью 16 Мб/сек, позволяет адресовать до 16 Мегабайт. Она состоит из двух частей, первая из них соответствует 8-разрядному слоту шины ISA. Дополнительные 8 разрядов используется для дополнительных адресов ввода/вывода и содержат 36 разъемов (поэтому можно устанавливать 8-разрядные карты в 16-разрядный слот). Однако данное устройство имело тактовую частоту 8,33 Мгц, работало медленно, поэтому появились другие шины.

В настоящее время работает стандарт Plug-an d-Play (PnP), который позволяет при установке нового устройства производить настройку автоматически. При этом система сама определяет вид устройства, адрес порта ввода/вывода, номер прерывания и канал прямого доступа к памяти (DMA). Однако старые шины с трудом позволяют использовать этот стандарт. Так, шина ISA была разработана до появления PnP. Поэтому не все устройства, которые подключаются к этой шине, могут автоматически конфигурироваться. Для выхода из существующей ситуации в системе Windows 9х имеется список устройств, которые можно подключать к компьютеру и которые сами устанавливаются.

Шина ISA имеет следующие ограничения :

Наличие 16-разрядной шины, то есть возможность одновременно посылать два байта;

Максимальная тактовая частота 8,33 МГц;

Отсутствие совместного использования прерываний и каналов DMA для нескольких карт в разных разъемах;

Отсутствие возможности программного отключения карты при конфликте устройств;

Отсутствие программного управления адресов порта ввода/вывода, линий прерываний и каналов прямого доступа.

Для установки карты ISA в шину EISA обычно нужно иметь конфигурационный файл, чтобы запустить утилиту конфигурации шины EISA, которая будет затем распределять ресурсы для карты.

При установке нового устройства нужно, чтобы оно было совместимо физически и логически. Под физическим совмещением подразумевается, что вид разъема, количество контактов у вилки и разъема должны совпадать друг с другом. Логическое совмещение означает, что должны быть четко определены контакты, по которым подается напряжение, где имеется заземление и т.д. При этом сигнал, посылаемый по одному контакту, должен быть идентифицирован принимающим устройством как сигнал пересылки данных, а не как управляющий сигнал. Все это определяется стандартом шины.

Данный стандарт устанавливается, как правило, производителем, который начал массовый выпуск новых устройств. К ним относятся шина ЕIDE для подключения жестких дисков, последовательный и параллельный порт, шина для вывода графических изображений, шина для подключения карт расширений, шина USB, IrDA и пр., которые имеют свои стандарты. Однако на практике часто под понятием шины обозначают шину, к которой подключается плата расширения. Поэтому в этой книге и дальше просто шина будет называться шина PCI, VESA и т.д. В заключение отметим, что первые шины для компьютера назывались Multibus1 . Они выпускались в двух вариантах: PC/XT bus и PC/AT bus и имели 7 линий для аппаратных прерываний. В дальнейшем их вытеснила шина ISA.

Шина МСА (Microchannel - микроканал) появилась в 1987 году, разработана компанией IBM и установлена на компьютере PS/2 ISA. Имеется два вида: 16- и 32-разрядная. 32-разрядная работает с частотой 10 Мгц, со скоростью передачи данных до 20 Мб/с, позволяет адресовать до 4-х гигабайт. Карта расширения могла быть самостоятельно распознана и автоматически конфигурирована компьютером. Основным недостатком является несостыковка с шиной ISA, для которой были разработаны основные устройства, поэтому данная архитектура не нашла широкого распространения.

Шина EISA (Extended ISA - расширенная ISA ) выпущена группой конкурирующих с IBM фирм в 1988 году, так как шина МСА имела закрытое описание и ее могла использовать только компания IBM , также уже устарела. К достоинствам нужно отнести ее совместимость с разъемом ISA за счет расположения разъемов в два слоя, на одном ISA, на втором - EISA. Данная шина 32-разрядная, работает с частотой 8,33 Мгц и дает максимальную скорость передачи данных до 33 Мб/с. Конфигурация устанавливается программно, а не при помощи переключателей.

Чтобы при установке карты, требующей разъем ISA, не были замкнуты два слоя, в разъеме имеется заглушка, которая не позволяет соединиться с нижними контактами. Карта EISA содержит в месте заглушки вырез, который позволяет миновать эту заглушку.

Ввиду дороговизны шина EISA не получила широкого применения в персональных компьютерах, но использовалась в рабочих станциях и серверах.

Шина SCSI (Small Computer System Interface – небольшой системный компьютерный интерфейс) разработан для подключения к шине больших массивов устройств, таких как, жесткие диски, оптические накопители, стримеры, принтеры и пр. Поэтому используется в основном в серверных компьютерах или компьютерах с системой RAID . В домашних компьютерах практически не используется.

SCSI-1 появилась в 1986 году, имела 8 линий для передачи данных, каждое устройство со своим номером, причем адаптеру присвоен номер 7. Остальные устройства имеют номер от 0 до 6, причем номер устанавливается вручную на задней стороне подключаемого устройства или при помощи перемычек. Устройства на шине могут обмениваться между собой информацией без участия адаптера, который в этом случае определяет, кто кому может передавать данные. В то же время, когда информация проходит через него, он принимает в этом участие. Частота шины – 5 МГц, максимальной число подключаемых устройств – 8.

Fast SCSI появилась в 1991 г. и имела 8 линий для передачи данных, а также улучшенный кабельный разъем. Частота шины – 10 МГц, пропускная способность – 10 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 8.

Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 10 МГц, пропускную способность – 20 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.

Ultra SCSI появилась в 1992 году, имела 8 линий для передачи данных, частоту шины – 20 МГц, пропускную способность – 20 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 4-8.

Ultra Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 20 МГц, пропускную способность – 40 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 4 - 16.

Ultra 2 SCSI появилась в 1997 году, имела 8 линий для передачи данных, частоту шины – 10 МГц, пропускную способность – 40 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 8.

Ultra 2 Wide SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 40 МГц, пропускную способность – 80 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.

Ultra 3 SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 40 МГц, пропускную способность – 160 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.

Ultra -320 SCSI имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 80 МГц, пропускную способность – 320 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.

Ultra -640 SCSI появился в 2003 году, имела 16 линий для передачи данных, частоту шины – 160 МГц, пропускную способность – 640 Мбайт/сек, максимальной число подключаемых устройств – 16.

В дальнейшем стала развиваться технология SAS (Serial Attached SCSI ) для работы с жесткими дисками и ленточными накопителями. К разъему SAS можно подключить устройства SATA , но не наоборот. Обеспечивает пропускную способность 1.5, 3.0, 6.0 Гбит/сек, ожидается 12 Гбит/сек. Позволяет подключать не только накопители в 3.5 дюйма, но и 2.5 дюйма.

Сам адаптер располагается на материнской плате (как у макинтоша) или на карте расширения. Карта вставляется в слот PCI. У кабеля устройств SCSI компьютеров Мак имеется розетка с разъемом DB25, таким же, как и для параллельного порта. Если его случайно подключить к принтеру или параллельному порту компьютеру или, наоборот, подключить принтерный кабель к устройству SCSI, то могут выгореть микросхемы устройства, к которому они подключены.

При передаче данных по кабелю в нем может возникнуть так называемая «стоячая волна». Чтобы ее не было, применяется специальная заглушка, которая ее гасит. Причем эта заглушка должна быть одна и находиться на конце кабеля. SCSI устройства могут иметь два разъема, один из которых подключается к SCSI шине, а на втором, если он находится на конце кабеля, должна быть заглушка. Если имеется две заглушки на двух устройствах на линии, то они могут мешать друг другу выполнять свою роль.

Шина SCSI несколько по-иному работает с жесткими дисками, нежели другие стандарты, рассматривая диск не как записи, имеющие головки, цилиндры, сектора, а как последовательность логических записей. Получая от центрального процессора информацию для жесткого диска о записи по определенному адресу, адаптер SCSI переводит ее в номер логической записи. В результате, если жесткий диск поставить на место любого SCSI устройства данного адаптера, он будет работать, но если установить в другие адаптеры, то система может не прочитать данные о приведении диска к новой структуре, вся информация на диске будет уничтожена.

Другие устройства (оптические накопители, Iomega) имеют специальные драйверы, при которых можно свободно перемещать их из одной системы в другую. В одном компьютере можно использовать как устройства, подключенные к адаптеру SCSI, так и EIDE одновременно.

Устройства SCSI требуют на конце кабеля, который их соединяет, оконечной нагрузки. Как правило, она на заводе устанавливается на каждое из устройств. Поэтому при установке всех устройств, кроме последнего, нужно их снять. Если устройства, подключаемые к шине SCSI, не поддерживают стандарт Plug & Play, то на них нужно установить при помощи перемычек номер устройства. При этом нужно иметь в виду, что некоторые адаптеры требуют, чтобы устройства с номером 0 и 1 были жесткими дисками.

Шина EIDE предназначается для подключения жестких дисков и оптических накопителей. Также называется как ATA или РАТА (параллельная АТА). Сейчас вытесняется шиной SATA , но, тем не менее, устанавливается и на современных платах, так как к нему можно подключить несколько оптических накопителей (два на каждый разъем). Более подробно это рассмотрено в пункте о жестких дисках. Первые дисководы подключались к компьютеру при помощи карт, на которых находился контроллер диска. Со временем, когда размеры микросхем уменьшились, контроллер стали устанавливать на жестком диске, а контроллер гибких дисков - на материнской плате, поэтому появилась возможность подключать жесткие диски непосредственно через разъем на материнской плате.

Так появилась шина IDE, являющаяся частью шины ISA, которая выведена на специальный разъем (в современных устройствах два разъема) на материнской плате. Сначала был разработан стандарт работы шины под названием АТА, затем ATAPI, который позволял работать с оптическими накопителями. Со временем появился расширенный вариант EIDE со стандартом АТА и в дальнейшем расширение стандарта - ATAPI. Если устройств, подключаемых к разъему EIDE, больше, чем может поддержать компьютер, то требуется установить специальную карту, к которой можно подключить еще несколько устройств.

Первые стандарты использовали жесткие диски, подключавшиеся к плате при помощи специальных карт, на которых размещался контроллер, к шине ISA. Со временем размеры электронных компонентов сократились и они стали устанавливаться на самом жестком диске. Далее диски стали подключаться к плате через соединитель IDE, затем появились два разъема, причем к каждому из разъемов можно было подключить до двух устройств, увеличилось быстродействие, была введена адресация логических блоков, появилась возможность подключения оптических накопителей и все это поддерживалось стандартом EIDE, которая работает с тактовой частотой 8,33 Мгц. Первые устройства работали со стандартом АТА, а затем ATAPI, которые позволили подключать к каналу оптического устройства. Так как по каналу стало возможно передавать за один такт 2 байта одновременно, по этим же линиям скорость передачи достигла 16,6 мбайт/сек. Со временем данные передавались за один такт не только при переходе с высокого напряжения на низкое, но и при переходе с низкого на высокий. Этот стандарт называется Ultra ATA или АТА33, так как позволяет передавать данные со скоростью 33,3 мбайт/сек.

Позже появился стандарт АТА66, в котором увеличилась тактовая частота в канале до 16,7 Мгц и передача данных происходит со скоростью 66,7 мбайт/сек. Кабель для подключения жесткого диска к материнской плате уже другой и содержит 80 проводов вместо 40, как было у предыдущих стандартов. Для подключения устройств к этому кабелю используется 40 проводов. Если подключить устройство, способное работать в АТА33, к этому каналу, или устройство, работающее со стандартом АТА66, к шине АТА33, то устройство будет работать со скоростью 33,3 мбайт/сек. В некоторых платах АТА и его расширение АТАРI позволяет подключать устройства с разными скоростями к одной шине без снижения производительности, но лучше все-таки разделить их на разные каналы.

Кабель для работы со стандартом IDE АТА (AT-Bus) – 16-битный, имеет 40 жил. Кабель XT IDE (8 бит) имеет также 40 жил, но не совместим с АТА, то есть его нельзя использовать для стандарта IDE.

Существует два режима работы канала DMA: Singleword и Multiword. Singleword DMA имеет mode 0, которая работает со скоростью 2.08 мб/сек., mode 1 – 4.16, mode 2 – 8.33, а Multiword DMA имеет mode 0, работающий со скоростью 4.12, mode 1 – 13.3, mode 2 – 16.6 мб/сек. Режим Ultra DMA имеет mode 0, работающий со скоростью – 16.6, mode 1 – 25, 2 – 33.

Кроме того, существуют другие режимы PIO, от 0 и выше, и чем больше номер, тем быстрее работает шина.

Режим АТА-2 работает в PIO Mode 3 multiword DMA Mode 1, поддерживает LBA и CHS. Fast ATA -2 поддерживает Multiword DMA mode 2 и PIO mode 4. АТА3 - это расширение АТА2 с Smart, то есть улучшает потребление питания. АТА/ATAPI-4 - расширение АТА3, имеет Ultra DMA, интерфейс ATAPI. E-IDE поддерживает PIO mode3, с multiword DMA mode 1 и работает с LBA и CHS. Для Ultra DMA нужен 80-жильный кабель с разъемами на 40 контактов с экранированием. Стандарт IDE Mastering позволяет внешнему устройству управлять системной шиной для передачи данных без управления шиной процессора, однако использование такой шины позволяет избавиться от проблем с распределением каналов DMA и ограничения возможностей. В частности, работает с 8- или 16-разрядными данными. Далее появились режимы работы АТА-3 (другое название EIDE ), АТА-4 (частота 16.7, 25, 33.3, другое название Ultra ATA /33), АТА-5 (частота 66 МГц, другое название Ultra ATA /66), АТА-6 (частота 100 МГц, другое название Ultra DMA 100 или UDMA 5 (100)), АТА-7 (частота 133 МГц, другое название Ultra DMA 133 или UDMA 6 (133)), АТА-8 (в развитии).

Шина VESA (Video Electronics Standard s Assoсiation - Ассоциация видео-электронных стандартов или VL -BUS или VLB или VESA local bus ) устарела, первой появилась после шины ISA и имела вчетверо большую скорость, чем ISA, однако она имела некоторые ограничения, в частности, можно было иметь только 2-3 разъема, что, несомненно, уменьшало возможность компьютера. Она представляет собой шину для подключения дисплея, но может быть использована и для других устройств, не является расширением шины ISA (как предыдущие шины). Данная карта напрямую связана с шиной CPU, обходя системную шину. Работает с частотой системной шины до 66 Мгц, использовалась в основном с 486, иногда с 386 компьютерами для видеоплат и жестких дисков. Для Pentium вышла новая версия 2.0, но широкого распространения не получила и в настоящее время практически не используется.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение периферийных компонентов) также не основана на шине ISA и является вполне самостоятельной, синхронной шиной, разработана компанией Intel, первые версии работали с частотой 33 Мгц, имела 32-битный (или 64-битный) канал и является независимой от центрального процессора, то есть позволяет передавать данные в то время, когда процессор занят другими вычислениями. Теоретическая пропускная способность шины была 133 Мбайт/сек, реально – 80 Мбайт/сек. Эта шина до сих пор имеет широкое распространение.

Шина PCI начала разрабатываться в одно время с шиной ISA, но была закончена позже. У шины PCI больше линий для передачи данных, чем в ISA, и работает она быстрее, чем ISA, причем общее число контактов в разъеме - 124. Шина позволяет выявить ошибки при передаче данных и работает без заглушки кабеля. Кроме того, позволяет при установке конфигурировать подключаемое устройство, то есть при этом компьютер считывает информацию из памяти устройства, где хранятся его основные параметры. Шина может работать не только с определенным набором микросхем на материнской плате, но и с разными устройствами, а также в других видах компьютеров. Кроме того, шина PCI способна использовать совместно прерывания и каналы DMA для разных устройств, что послужило толчком к ее активному внедрению, тогда как шина ISA не могла этого обеспечить.

В разъем шины PCI можно подключать карты: имеющие питание в 5 в (ключ 50, 51 контакт), 3.3В (ключ 12,13) и универсальный (ключ в 12, 13, 50, 51 контактах). 32-битный слот имеет по 62 контакта с каждой стороны, 64-битный – 94. Данная шина позволяет подключить до четырех устройств одновременно, то есть может иметь до четырех разъемов. Для использования большего количества подключаемых устройств применяется специальная микросхема - мост шины, для соединения двух шин. Для устройств промышленного использования имеется стандарт Compact PCI с 8 разъемами.

Пока разрабатывалась шина PCI, развивались и другие отрасли. Возросла тактовая частота внутренней шины до 100, 150 и выше Мгц, увеличилось число линий передачи данных до 64 и продолжает увеличиваться, однако тип шины PCI остался 32-разрядный, но в дальнейшем шина PCI также будет развиваться.

У каждого слота имеется 256 восьмибитных регистра, где содержатся конфигурационные параметры. После включения питания компьютера происходит запрос на конфигурирование шины во время выполнения программы Post, после установки параметров шина может производить операции ввода/вывода. Основное преимущество шины заключается в том, что передача данных происходит без задействования центрального процессора, то есть во время передачи данных от одного устройства к другому центральный процессор может заниматься своими задачами.

Шина PCI 1.0 – 32-разрядная с полосой пропускания 132 Мб/с, с адресацией до 4 гигабайт, а PCI 2.0 - 64-разрядная с полосой пропускания 528 Мб/с. Данная шина приспособлена для технологии Plug&Play, то есть конфигурация плат происходит программно. Для промышленного применения используется стандарт Compact PCI, в котором можно устанавливать до восьми устройств одновременно.

Разрешение конфликтов прерываний в шине PCI обеспечивается за счет того, что шине предоставляется возможность обслуживать обработку каждого из устройств по очереди. Шина PCI обеспечивает 32 линии данных при тактовой частоте 33 Мгц, затем стала 64-разрядной, с тактовой частотой 66 Мгц, причем в новый вариант шины можно вставлять старые платы PCI, а также новую карту в старый разъем. Более новые версии PCI могут увеличивать тактовую частоту и позволяют использовать старые карты расширений для их работы, а также устанавливать новые платы в старые разъемы.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) разработана компанией Intel в 1997 году специально для работы с видеокартой, при частоте 66 Мгц имеет 32-разрядную шину данных. В настоящее время вытеснена шиной PCI -E . Шина позволяет использовать конвейеризацию обращений, то есть посылать данные в виде непрерывных пакетов. В шине PCI посылается предыдущее данное и адрес для следующего данного, после чего происходят временные задержки, а в шине AGP посылаются несколько адресов и несколько данных один за другим, что уменьшает задержки. Имеется возможность постановки в очередь до 256 запросов и поддерживать две очереди для операций чтения/записи с высоким и низким приоритетом. Сдвоенная передача, то есть передача за один такт двух данных вместо одного, позволяет иметь пропускную способность при частоте 66 Мгц до 528 Мбайт/сек. Позволяет работать на частоте до 100 Мгц и выше с более высокой пропускной способностью. Учетверенная передача позволяет передавать до 1 056 Мбайт/сек.

Для шины AGP существует несколько стандартов: AGP 1Х, 2Х, 4Х, Pro и 8Х. Большинство карт работает со стандартом 4Х и 8Х. В оперативной памяти хранятся не только части изображения, но и графические текстуры. Чтобы видеосистема могла обращаться только к тем областям памяти, которые ее касаются, используется специальная таблица GART (Graphics Address Remapping Table – графическая таблица переадресации адресов), которая определяет эти области памяти.

В шине имеется возможность для видеопроцессора обращаться непосредственно к участкам оперативной памяти, так же как и к видеопамяти, и обрабатывать там текстуры в режиме DiMe (Direct Memory Execution), при этом адресация одинакова. Шина применяется для процессоров Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и Pentium IV , но может работать и с процессорами Pentium.

SATA (Serial ATA ) является развитием интерфейса IDE . Ее особенностью является не параллельная передача данных, а последовательная, что хотя и медленнее, но позволяет использовать более высокие частоты без необходимости синхронизации сигнала. Первый стандарт SATA 1.x мог работать на частоте 1.5 ГГц с пропускной способностью 1.2 Гбит/сек (потери за счет передачи большого количества служебной информации). Стандарт 2.х работает на частоте 3 ГГц с пропускной способностью до 2.4 Гбит/сек и стандарт 3.0 на частоте 6.0 Гбит/сек, с пропускной способностью 4.8 Гбит/сек.

Для подключения устройств внутри системного блока, они подключаются к информационному разъему с 7 контактами SATA на материнской плате и 15-разъемным кабелем питания к блоку питания. Существуют устройства, которые позволяют подключить как 15 разъемный кабель, так и 4 разъемный кабель электрического питания Molex . Нужно иметь в виду, что подключение двух кабелей одновременно может сжечь устройство.

Существуют переходники с SATA на IDE и обратно.

eSATA (External SATA – внешний SATA ) предназначен для подключения устройств в режиме горячей замены, то есть, при включенном компьютере. Для того, чтобы можно было это сделать в Windows XP нужно установить драйвер AHCI . Был создан в 2004 году. Имеет разъем, аналогичный SATA , но добавлено экранирование разъема. Поэтому не совместим с разъемом SATA , так как электрически совместимы, а физически нет. Длина кабеля увеличена до 2 метров (1 метр у SATA ).

Существует совмещенный разъем eSATA +USB = Power eSATA , который имеет не только информационные линии, но и линии питания.

PCI - E (или PCI Express или PCI -E ) появилась в 2002 году, использует связь между устройствами типа звезда, позволяет горячую замены устройств. Существует несколько вариантов х1, х2, х4, х8, х12, х16, х32, которые имеют разные разъемы. Чем меньше число, тем меньше контактов и меньше длина разъема. Устройства, которые предназначены для разъема х8 можно подключать в разъемы с числом большим, в данном случае, х12, х16, х32. Это правило применяется для других видов.

Имеется три стандарта. Стандарт 1.0 позволяет передавать в одну сторону для х1 - 2 Гбит/сек, в двух направлениях – 4 Гбит для х1. Пропускная способность других видов можно рассчитать умножив вышеуказанную цифру на число в названии. Например, для х16 пропускная способность в одном направлении составляет 2 х 16 = 32 Гбит/сек. Стандарт 2.0 вышел в 2007 году, имеет пропускную способность в одном направлении (в двух направлениях удвоенную) для х1 – 4 Гбит/сек. Также можно вычислить пропускную способность для других видов. Стандарт 3.0 вышел в 2010 году, позволяет передавать данные со скоростью 8 Гбит/сек. Стандарт 4.0 планируется выпустить к 2015 году и он будет в два раза быстрее, чем 3.0.

В настоящее время на материнских платах наиболее распространены х16 для подключения видео карт и х2 для подключения других устройств.

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная серийная шина) предназначена для подключения периферийных устройств (например, клавиатуры, мыши, джойстика, принтера и других). Ее миссия – подключение различных устройств к работающему компьютеру, например, тостеров, клавиатуры, микроволновой печи, светодиодных светильников, вентиляторов и пр., без необходимости устанавливать переключатели, перемычки, использовать для этого матобеспечение (драйверы) и пр.

Первый стандарт 1.0 появился в 1994 году и имеет режим с низкой пропускной способностью в 1.5 Мбит/сек (Low speed ), с высокой пропускной способностью (Full-speed) до 12 Мбит/сек. Шина USB может работать в двух режимах: в низкоскоростном, в котором работает клавиатура, мышь и т.д., с небольшой скоростью передачи (длина кабеля – 5 метров) и высокоскоростном режиме (длина кабеля – 3 метра), что позволяет работать с максимальной скоростью принтера.

В версии 1.1 были исправлены имеющиеся ошибки.

В стандарте 2.0 появился новый режим (Hi -speed ) c пропускной способностью 25480 Мбит/сек.

В этой шине можно подключать устройства, а компьютер сам определит устройство, которое подключено. При этом имеется возможность не только подключить новое устройство непосредственно к компьютеру, но и к устройству, которое уже подключено к компьютеру. Например, к клавиатуре можно подключить жесткий диск, микрофон и прочие устройства.

Она может использовать концентратор, к которому можно подключить до 127 устройств, поддерживает технологию Plug&Play. При этом шина автоматически присваивает номер для устройств, с которым оно работает. По этим проводам, помимо пересылки данных, передается и электроэнергия, но в небольшом количестве, которого хватает для клавиатуры, но может быть недостаточно для динамиков. Поэтому динамики с большой выходной мощностью требуют отдельного электропитания.

Шина позволяет подключать устройства при включенном компьютере. При подключении они запрашивают главное устройство, которое назначает им адреса, после чего они могут начинать работать. Помимо данных, передается также и электроэнергия, которая служит для питания устройств. Если электроэнергии недостаточно, то устройства можно подключить к дополнительному источнику питания.

Помимо увеличения производительности компьютера, необходимость в модернизации может возникнуть при добавлении новых устройств, для чего требуется соответствующая мощность блока питания, определенное количество и тип разъемов для плат расширения на материнской плате и количество свободных отсеков внутри системного блока. Со временем, при распространении стандарта USB, многие устройства, которые в настоящее время можно будет подключать, расположены не внутри, а вывести их вне системного блока. Таким образом, все больше и больше будет выпускаться внешних устройств и количество разъемов внутри корпуса и отсеков не будет являться проблемой при установке большого количества дополнительных устройств.

Последний стандарт USB 3.0 появился в 2008 году, разъемы совместимы с более ранними стандартами. Однако добавлены еще четыре линии связи в виде двух витых пар и сам кабель стал толще. Разъемы на материнской плате для подключения таких кабелей стали синего цвета, и сами штекеры имеют вставки синего цвета. Таким образом была повышена максимальная скорость передачи данных до 4,8 Гбит в секунду, а скорость передачи выросла до 600 Мбайт в секунду (показатель выше, чем у стандарта USB 2.0 в десять раз). Одновременно повысилась сила пропускаемого тока с 500 мА до 900 мА, что позволяет подключить более энергоёмкие устройства.

Шина PCMCIA используется в ноутбуках и имеет возможность передавать данные по 16 разрядам с адресацией до 64 Мегабайт, с частотой шины 33 мегагерц. Данная шина позволяет подключать разные устройства - жесткие диски, модемы, расширители памяти и др. Многие адаптеры выпускаются по технологии РnР и имеют возможность подключать устройства, не выключая компьютер. Все устройства, подключаемые к данному разъему, имеют пониженное энергопотребление. Шина имеет большие перспективы в будущем и будет устанавливаться и в настольных компьютерах.

Карты PCMCIA, называемыя также РС картой, предназначены для оперативной памяти, модемов, жестких дисков и пр. устройств и бывают трех видов. Они имеют длину и ширину 85х54 мм, а толщина зависит от типа. I тип имеет толщину 3,3 мм, II тип - 5 мм, III тип - 10,5 мм. Карта вставляется в разъем шины ISA, приспособленной для этих карт, которая также называется PCMCIA.

Тип I используется для оперативной памяти, иногда для модемов или сетевой карты, обладает 16 разрядным интерфейсом, толщина 3.3 мм, тип II для этих же устройств, но они потолще (5 мм), в тип III можно установить также жесткий диск (толщина 10,5 мм). В ноутбуке есть отсек, куда можно установить либо одну карту типа I или II, либо в современных моделях - две карты типа I и II или одну типа III.

Для модема на конце карты установлен специальный разъем (X-jack) к которому подключается провод, на другом конце имеется телефонный разъем (RG11) для подключения к телефонной линии. При установке нужно просто вставить карту в отверстие до щелчка, а для того, чтобы вынуть, нужно нажать на рядом расположенную клавишу, и карта выскочит наружу. PC Card AT называется разъем PCMCIA для подключения к блокнотным и стационарным компьютерам.

Card Bus является дальнейшим развитием РС Card, которые передают данные через 32-разрядный интерфейс (карты PCMCIA стали называть РС Card). Шина соединяет карту с системой видеоизображений, что позволяет миновать шину ISA. Эта шина называется Zoomed Video Port – порт увеличенного видео.

IEEE 1394 – разработана Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers ) на основе шины компании Apple – FireWire в 1995 году, где номер 1394 обозначает порядковый номер шины, которая разработана данной организацией. Шина позволяет подключить до 16 устройств к одному узлу, при этом каждому устройству присваивается номер, который имеет размерность 16 бит, то есть всего можно адресовать более 64 000 устройств. К каждой шине подключается до 63 устройств, при этом каждому узлу присваивается номер, состоящий из 6 бит. Между собой можно соединить 1023 шины при помощи мостов, каждая из которых имеет разрядность 10 бит, в шине возможна «горячая замена». Каждое новое устройство может быть подключено к любому свободному порту, на одном аппарате их бывает от одного до трех, но возможно - до 27. Единственное исключение заключается в запрете организации петель устройств, так как шина поддерживает древовидную структуру.

Существует три класса устройств с передачей данных 98,3; 196,6 и 339,2 Мбит/сек, или их обычно округляют до 100, 200 и 400 Мбит/сек.по стандарту IEEE 1394a и 800 и 1600 по стандарту IEEE 1394b . По стандарту IEEE 1394.1, разработанному в 2004 году, можно подключать до 64 449 устройств, по стандарту IEEE 1394с, разработанному в 2006 году, можно использовать кабель от сети Ethernet . При этом максимальная длина кабеля составляет до 100 метров, а скорость до 800 Мбит/сек.

Существует три вида разъема: 4 pin – без питания, устанавливается на ноутбуках и видеокамерах, (IEEE 1394a без питания), 6 pin –с дополнительными двумя контактами для питания (IEEE 1394a) и 9 pin с дополнительными контактами для приема и передачи (IEEE 1394 b). Также может быть разъем RJ -45 (IEEE 1394с) .

Если кабель состоит из 6 медных проводов, два на питание, остальные две пары для данных, причем каждая пара экранирована и также экранированы все провода вместе. Так как обеспечивается электропитание от 8 до 40 вольт при токе до 1,5 ампер, то многие устройства не требуют дополнительного подключения к сети. Между двумя устройствами можно установить кабели до 4,5 метров, разъемы шин простые, с возможностью легкого подсоединения.

Шина работает в синхронном и асинхронном режимах. При асинхронной передаче отправляются данные, организованные в пакеты, и при возникновении ошибок передача повторяется, что важно для точной передачи данных. Синхронная передача используется в мультимедиа, для передачи звуковых и видеоданных, но если данные пропали, то это не критично, так как производится передача следующей порции данных.

Шина IEEE 1394 передает данные в цифровом виде, поэтому качество видеоизображения лучше по сравнению с аналоговым. Компьютер может программным образом включать и выключать устройства, подключенные к нему. Шина является независимой от компьютера, то есть возможна её работа при отсутствии компьютера, например, для передачи данных от видеокамеры к видеомагнитофону. Данную шину поддерживает Windows 98 (нужно обновление), Windows МЕ, Windows 2000, Windows ХР и другие.

Для ускорения работы была введена хост-шина (иногда называемая шиной процессора). Предназначена для передачи данных с 64-разрядностью между процессором, оперативной памятью и кэш-памятью 2-го уровня и работает с частотой 50, 60, 66, 75, 100, 133 Мгц, в то время как шина PCI - с половинной частотой (25; 30; 33; 37,5 Мгц).

Эксплуатация . Если одна из старых карт перестала работать, то можно попробовать ее снять и прочистить контакты обыкновенным ластиком, который удалит налеты и окись. После установки проверьте работу платы. Неиспользуемые слоты желательно закрыть специальными крышками.

Компоненты внутри РС взаимодействуют друг с другом различными способами. Большинство внутренних компонентов, включая процессор, кэш, память, карты расширения и запоминающие устройства взаимодействуют друг с другом с помощью одной или нескольких шин (buses).

Шина в компьютерах представляет собой канал, по которому передается информация между двумя или несколькими устройствами (обычно шина, соединяющая только два устройства, называется портом - port). Шина обычно имеет точки доступа, или места, к которым может подключиться устройство для превращения себя в часть шины, а устройства на шине могут посылать информацию другим устройствам и принимать информацию от других устройств. Понятие шины является довольно общим как для "внутренности" РС, так и для внешнего мира. Например, телефонное соединение в доме можно считать шиной: информация передается по проводникам в доме и можно подключиться к "шине", установив телефонную розетку, подключив к ней телефон и подняв трубку телефона. Все телефоны на шине могут разделять (share) информацию, т.е. речь.

Этот материал посвящен шинам современных РС. Вначале обсуждаются шины и их характеристики, а затем подробно рассматриваются наиболее распространенные в мире РС шины ввода-вывода (Input/Output bus), называемые также шинами расширения (expansion buses).

Функции и характеристики шин

Шины РС являются основными "трактами" данных на материнской плате. Главной из них является системная шина (system bus), которая соединяет процессор и основную память RAM. Раньше эта шина называлась локальной, а в современных РС называется передней шиной (Front Side Bus - FSB). Характеристики системной шины определяются процессором; современная системная шина имеет ширину 64 бита и работает на частоте 66, 100 или 133 МГц. Сигналы такой высокой частоты создают электрические помехи и ставят другие проблемы. Следовательно, частоту необходимо снизить, чтобы данные достигали карт расширения (expansion card), или адаптеров (adapters), и других более удаленных компонентов.

Однако первые РС имели только одну шину, которая была общей для процессора, памяти RAM и компонентов ввода-вывода. Процессоры первого и второго поколений работали с низкой частотой синхронизации и все компоненты системы могли поддерживать такую частоту. В частности, такая архитектура позволяла расширять емкость RAM с помощью карт расширения.

В 1987 г. разработчики компании Compaq решили отделить системную шину от шины ввода-вывода с тем, чтобы они могли работать с различной скоростью. С тех пор такая многошинная архитектура стала промышленным стандартом. Более того, современные РС имеют несколько шин ввода-вывода.

Иерархия шин

В РС имеется иерархическая организация различных шин. Большинство современных РС имеет, как минимум, четыре шины. Иерархия шин объясняется тем, что каждая шина все больше отдаляется от процессора; каждая шина подключается к находящемуся выше ее уровню, объединяя различные компоненты РС. Каждая шина обычно медленнее шины, находящейся выше ее (по очевидной причине - процессор является наиболее быстрым устройством в РС):

• Шина внутреннего кэша: Это самая быстрая шина, которая соединяет процессор и внутренний L1-кэш.
• Системная шина: Это системная шина второго уровня, которая соединяет подсистему памяти с чипсетом и процессором. В некоторых системах шины процессора и памяти представляют собой одно и то же. Эта шина до 1998 г. работала со скоростью (частотой синхронизации) 66 МГц, а затем она была повышена до 100 МГц и даже 133 МГц. В процессорах Pentium II и выше реализована архитектура с двойной независимой шиной (Dual Independent Bus - DIB) - единственная системная шина заменена на две независимые шины. Одна из них предназначена для доступа к основной памяти и называется передней шиной (frontside bus), а вторая - для доступа к L2-кэшу и называется задней шиной (backside bus). Наличие двух шин повышает производительность РС, так как процессор может одновременно получать данные с обеих шин. В материнских платах и чипсетах пятого поколения L2-кэш подключен к стандартной шине памяти. Отметим, что системную шину называют также основной шиной (main bus), шиной процессора (processor bus), шиной памяти (memory bus) и даже локальной шиной (local bus).
• Локальная шина ввода-вывода: Эта быстродействующая шина ввода-вывода используется для подключения быстрых периферийных устройств к памяти, чипсету и процессору. Такую шину используют видеокарты, дисковые накопители и сетевые интерфейсы. Наиболее распространенными локальными шинами ввода-вывода являются VESA Local Bus (VLB) и шина Peripheral Component Interconnect (PCI).
• Стандартная шина ввода-вывода: К рассмотренным трем шинам подключается "заслуженная" стандартная шина ввода-вывода, которая применяется для медленных периферийных устройств (мышь, модем, звуковые карты и др.), а также для совместимости со старыми устройствами. Почти во всех современных РС такой шиной является шина ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура).
• Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus - USB), позволяющая подключать до 127 медленных периферийных устройств с использованием хаба (hub) или шлейфного соединения (daisy-chaining) устройств.
• Скоростная последовательная шина IEEE 1394 (FireWire) , предназначенная для подключения к РС цифровых камер, принтеров, телевизоров и других устройств, требующих исключительно высокой пропускной способности.

Несколько шин ввода-вывода, соединяющие различные периферийные устройства с процессором, подключаются к системной шине с помощью моста (bridge), реализованного в чипсете. Системный чипсет управляет всеми шинами и обеспечивает, что каждое устройство в системе правильно взаимодействует с каждым другим устройством.

В новых РС есть дополнительная "шина", которая специально предназначена только для графического взаимодействия. Фактически это не шина, а порт - ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP). Различие между шиной и портом заключается в том, что шина обычно рассчитана на разделение носителя несколькими устройствами, а порт предназначен только для двух устройств.

Как показано ранее, шины ввода-вывода фактически являются расширением системной шины. На материнской плате системная шина заканчивается микросхемой чипсета, которая образует мост к шине ввода-вывода. Шины играют важнейшую роль в обмене данными в РС. Фактически все компоненты РС, за исключением процессора, взаимодействуют друг с другом и системной памятью RAM через различные шины ввода-вывода, как показано на рисунке слева.

Шины адреса и данных

Каждая шина состоит из двух разных частей: шина данных (data bus) и шина адреса (address bus). Говоря о шине, большинство людей понимает именно шину данных; по линиям этой шины передаются собственно данные. Шина адреса представляет собой набор линий, сигналы на которых определяют, куда передавать или откуда принимать данные.

Конечно, имеются сигнальные линии для управления функционированием шины и сигнализации о доступности данных. Иногда эти линии называются шиной управления (control bus), хотя часто они и не упоминаются.

Ширина шины

Шина - это канал, по которому "течет" информация. Чем шире шина, тем больше информации может "течь" по каналу. Первая шина ISA в IBM PC имела ширину 8 битов; используемая сейчас универсальная шина ISA имеет ширину 16. Другие шины ввода-вывода, включая VLB и PCI, имеют ширину 32 бита. Ширина системной шины в РС с процессорами Pentium составляет 64 бита.

Ширину шины адреса можно определять независимо от ширины шины данных. Ширина шины адреса показывает, сколько ячеек памяти можно адресовать при передаче данных. В современных РС ширина шины адреса составляет 36 битов, что обеспечивает адресацию памяти емкостью 64 ГБ.

Скорость (быстродействие) шины

Скорость шины (bus speed) показывает, сколько битов информации можно передавать по каждому проводнику шины в секунду. Большинство шин передают по одному проводнику один бит в такте синхронизации, хотя новые шины, например AGP, могут передавать два бита данных в такте синхронизации, что удваивает производительность. В старой шине ISA для передачи одного бита требуются два такта синхронизации, что снижает производительность вдвое.

Ширина полосы пропускания шины

Ширина (битов) Скорость (МГц) Пропускная способность (МБ/с) 8-битовая ISA 16-битовая ISA 64-битовая PCI 2.1 AGP (режим x2) AGP (режим x4)

Ширина полосы пропускания (bandwidth) называется также пропускной способностью (throughput) и показывает общий объем данных, который можно передать по шине за данную единицу времени. В таблице приведены теоретические пропускные способности современных шин ввода-вывода. Фактически шины не достигают теоретического показателя из-за служебных потерь на выполнение команд и других факторов. Большинство шин может работать с различной скоростью; в следующей таблице приведены наиболее типичные значения.

Сделаем замечание относительно четырех последних строк. Теоретически шину PCI можно расширить до 64 битов и скорости 66 МГц. Однако по причинам совместимости почти все шины PCI и устройства на шине рассчитаны только на 33 МГц и 32 бита. AGP опирается на теоретический стандарт и работает на 66 МГц, но сохраняет ширину 32 бита. AGP имеет дополнительные режимы x2 и x4, которые позволяют порту выполнять передачи данных два или четыре раза в такте синхронизации, что увеличивает эффективную скорость шины до 133 или 266 МГц.

Интерфейс шин

В системе с несколькими шинами чипсет должен обеспечить схемы для объединения шин и взаимодействия устройства на одной шине с устройством на другой шине. Такие схемы называются мостом (bridge) (отметим, что мостом называется также сетевое устройство для соединения двух разнотипных сетей). Наиболее распространен мост PCI-ISA, который является компонентом системного чипсета для РС с процессорами Pentium. Шина PCI также имеет мост к системной шине.

Мастеринг шины

В шинах с большой пропускной способностью каждую секунду по каналу передается огромный объем информации. Обычно для управления этими передачами требуется процессор. Фактически процессор действует как "посредник" и, как это часто бывает в реальном мире, намного эффективнее убрать посредника и прямо выполнять передачи. Для этого разработаны устройства, которые могут управлять шиной и действовать самостоятельно, т.е. передавать данные непосредственно в системную память RAM; такие устройства называются ведущими шины (bus masters). Теоретически процессор одновременно с передачами данных по шине может выполнять и другую работу; на практике ситуация усложняется несколькими факторами. Для правильной реализации мастеринга шины (bus mastering) необходим арбитраж запросов шины, который обеспечивается чипсетом. Мастеринг шины называется также "first party" DMA, так как работой управляет устройство, выполняющее передачу.

Сейчас мастеринг шины реализован на шине PCI; добавлена также поддержка для жестких дисков IDE/ATA реализации мастеринга шины на PCI при определенных условиях.

Принцип локальной шины

Начало 90-х годов характеризуется переходом от текстовых приложений к графическим и ростом популярности операционной системы Windows. А это привело к огромному увеличению объема информации, который должен передаваться между процессором, памятью, видео и жесткими дисками. Стандартный экран монохроматического (черно-белого) текста содержит всего 4000 байтов информации (2000 для кодов символов и 2000 для экранных атрибутов), а стандартный 256-цветный экран Windows требует более 300 000 байтов! Более того, современная разрешающая способность 1600x1200 при 16 млн цветов требует 5.8 млн байтов информации на экран!

Переход программного мира с текста на графику означал также увеличение размеров программ и повышенные требования памяти. С точки зрения ввода-вывода для обработки дополнительных данных для видеокарты и жестких дисков огромной емкости требуется намного большая пропускная способность ввода-вывода. С этой ситуацией пришлось столкнуться при появлении процессора 80486, производительность которого была намного выше прежних процессоров. Шина ISA перестала удовлетворять возросшим требованиям и стала узким местом в деле повышения производительности РС. Повышение скорости процессора мало что дает, если он должен ожидать медленной системной шины для передачи данных.

Решение было найдено в разработке новой более быстрой шины, которая должна была дополнить шину ISA и применяться специально для таких быстродействующих устройств как видеокарты. Эта шина должна была размещаться на (или вблизи) намного более быстрой шины памяти и работать примерно с внешней скоростью процессора, чтобы передавать данные намного быстрее стандартной шины ISA. При размещении таких устройств вблизи ("локально") процессора появилась локальная шина . Первой локальной шиной была VESA Local Bus (VLB), а современной локальной шиной в большинстве РС является шина Peripheral Component Interconnect (PCI).

Системная шина

Системная шина (system bus) соединяет процессор с основной памятью RAM и, возможно, с L2-кэшем. Она является центральной шиной компьютера и остальные шины "ответвляются" от нее. Системная шина реализована как набор проводников на материнской плате и должна соответствовать конкретному типу процессора. Именно процессор определяет характеристики системной шины. Вместе с тем, чем быстрее системная шина, тем быстрее должны быть остальные электронные компоненты РС.

Старые ЦП Ширина шины Скорость шины 8088 8 битов 4.77 МГц 8086 16 битов 8 МГц 80286-12 16 битов 12 МГц 80386SX-16 16 битов 16 МГц 80386DX-25 32 бита 25 МГц

Рассмотрим системные шины РС с процессорами нескольких поколений. В процессорах первого, второго и третьего поколений частота системной шины определялась рабочей частотой процессора. По мере повышения скорости процессора увеличивалась и скорость системной шины. Одновременно увеличивалось и адресное пространство: в процессорах 8088/8086 оно составляло 1 МБ (20-битовый адрес), в процессоре 80286 адресное пространство увеличено до 16 МБ (24-битовый адрес), а начиная с процессора 80386 адресное пространство составляет 4 ГБ (32-битовый адрес).

Семейство 80486 Ширина шины Скорость шины 80486SX-25 32 бита 25 МГц 80486DX-33 32 бита 33 МГц 80486DX2-50 32 бита 25 МГц 80486DX-50 32 бита 50 МГц 80486DX2-66 32 бита 33 МГц 80486DX4-100 32 бита 40 МГц 5X86-133 32 бита 33 МГц

Как видно из таблицы для процессоров четвертого поколения, скорость системной шины вначале соответствовала рабочей частоте процессора. Однако технологические достижения позволяли повышать частоту процессора, а соответствие скорости системной шины требовало повышения быстродействия внешних компонентов, в основном, системной памяти, что было сопряжено со значительными трудностями и стоимостными ограничениями. Поэтому в процессоре 80486DX2-50 было впервые использовано удвоение частоты (clock doubling): процессор работал с внутренней частотой синхронизации 50 МГц, а внешняя скорость системной шины составляла 25 МГц, т.е. только половину рабочей частоты процессора. Этот прием значительно повышает производительность компьютера, особенно благодаря наличию внутреннего L1-кэша, который удовлетворяет большинство обращений процессора к системной памяти. С тех пор умножение частоты (clock multiplying) стало стандартным способом повышения производительности компьютера и применяется во всех современных процессорах, причем множитель частоты доведен до 8, 10 и более.

Семейство Pentium Ширина шины Скорость шины Intel P60 64 бита 60 Мгц Intel P100 64 бита 66 МГц Cyrix 6X86 P133+ 64 бита 55 МГц AMD K5-133 64 бита 66 МГц Intel P150 64 бита 60 Мгц Intel P166 64 бита 66 МГц Cyrix 6X86 P166+ 64 бита 66 МГц Pentium Pro 200 64 бита 66 МГц Cyrix 6X86 P200+ 64 бита 75 МГц Pentium II 64 бита 66 Мгц

Продолжительное время системные шины РС с процессорами пятого поколения работали со скоростью 60 МГц и 66 МГц. Значительным шагом вперед стало увеличение ширины данных до 64 битов и расширение адресного пространства до 64 ГБ (36-битовый адрес).

Скорость системной шины была повышена до 100 МГц в 1998 г. благодаря освоению производства микросхем PC100 SDRAM. Микросхемы памяти RDRAM позволяют еще более повысить скорость системной шины. Однако переход от 66 МГц к 100 МГц оказал значительное влияние на процессоры и материнские платы с Socket 7. В модулях Pentium II до 70-80% трафика (передач информации) осуществляется внутри нового картриджа SEC (Single Edge Cartridge), в котором находятся процессор и оба кэша L1-кэш и L2-кэш. Этот картридж работает со своей скоростью, независящей от скорости системной шины.

Процессор Чипсет Скорость шины Скорость ЦП Intel Pentium II 82440BX 82440GX 100 МГц 350,400,450 МГц AMD K6-2 Via MVP3, ALi Aladdin V 100 МГц 250,300,400 МГц Intel Pentium II Xeon 82450NX 100 МГц 450,500 МГц Intel Pentium III i815 i820 133 МГц 600,667+ МГц AMD Athlon VIA KT133 200 МГц 600 - 1000 МГц

Чипсеты i820 и i815, разработанные для процессора Pentium III, рассчитаны на системную шину 133 МГц. Наконец, в процессоре AMD Athlon введены значительные изменения в архитектуру и понятие системной шины оказалось ненужным. Этот процессор может работать с различными типами RAM на максимальной частоте 200 МГц.

Типы шин ввода-вывода

В этом разделе речь пойдет о различных шинах ввода-вывода, причем большая часть его посвящена современным шинам. Общее представление об использовании шин ввода-вывода дает следующий рисунок, наглядно показывающий назначение различных шин ввода-вывода современного РС.

В следующей таблице приведены суммарные сведения о различных шинах ввода-вывода, которые применяются в современных РС:

Шина	Год	Ширина	Скорость	Макс. пропускная способность
PC и XT	1980-82	8 битов	Синхронная: 4.77-6 МГц	4-6 МБ/с
ISA (AT)	1984	16 битов	Синхронная: 8-10 МГц	8 МБ/с
MCA	1987	32 бита	Асинхронная: 10.33 МГц	40 МБ/с
EISA (для серверов)	1988	32 бита	Синхронная: макс. 8 МГц	32 МБ/с
VLB, для 486	1993	32 бита	Синхронная: 33-50 МГц	100-160 МБ/с
PCI	1993	32/64 бита	Асинхронная: 33 МГц	132 МБ/с
USB	1996	Последовательная		1.2 МБ/с
FireWire (IEEE1394)	1999	Последовательная		80 МБ/с
USB 2.0	2001	Последовательная		12-40 МБ/с

Старые шины

Новые современные шина PCI и порт AGP "родились" из старых шин, которые до сих пор можно встретить в РС. Более того, самая старая шина ISA до сих пор используется даже в новейших РС. Далее мы рассмотрим несколько подробнее старые шины РС.

Шина Industry Standard Architecture (ISA)

Это самая распространенная и действительно стандартная шина для РС, которая используется даже в новейших компьютерах несмотря на то, что практически не изменилась с момента своего расширения до 16 битов в 1984 г. Конечно, сейчас она дополнена более быстрыми шинами, но "выживает" благодаря наличию огромной базы периферийного оборудования, рассчитанного на этот стандарт. Кроме того, имеется много устройств, для которых скорости ISA более чем достаточно, например для модемов. По мнению некоторых экспертов до "умирания" шины ISA пройдет не менее 5-6 лет.

Выбор ширины и скорости шины ISA определился процессорами, с которыми она работала в первых РС. Оригинальная шина ISA в IBM PC имела ширину 8 битов, соответствуя 8 битам внешней шины данных процессора 8088, и работала на частоте 4.77 МГц, что также соответствует скорости процессора 8088. В 1984 г. появился компьютер IBM AT с процессором 80286 и ширина шины была удвоена до 16 битов, как у внешней шины данных процессора 80286. Одновременно была повышена до 8 МГц скорость шины, что также соответствовало скорости процессора. Теоретически пропускная способность шины составляет 8 МБ/с, но практически она не превышает 1-2 МБ/с.

В современных РС шина ISA действует как внутренняя шина , которая используется для клавиатуры, гибкого диска, последовательных и параллельных портов, и как внешняя шина расширения , к которой можно подключить 16-битовые адаптеры, например звуковую карту.

Впоследствии процессоры AT стали быстрее, а затем была увеличена и их шина данных, но теперь требование совместимости с существующими устройствами заставило производителей придерживаться стандарта и шина ISA с того времени практически не изменилась. Шина ISA обеспечивает достаточную пропускную способность для медленных устройств и наверняка гарантирует совместимость почти с каждым выпущенным РС.

Многие карты расширения, даже современные, до сих пор являются 8-битовыми (об этом можно узнать по разъему карты - 8-битовые карты используют только первую часть разъема ISA, а 16-битовые карты используют обе части). Для этих карт невысокая пропускная способность шины ISA не играет роли. Однако доступ к прерываниям от IRQ 9 до IRQ 15 обеспечивается через проводники в 16-битовой части разъемов шины. Именно поэтому большинство модемов нельзя подключить к IRQ с большими номерами. Линии IRQ между устройствами ISA нельзя разделять.

Документ The PC99 System Design Guide , подготовленный компаниями Intel и Microsoft, категорически требует удаления слотов шины ISA с материнских плат, поэтому можно ожидать, что дни этой "заслуженной" шины сочтены.

Шина MicroChannel Architecture (MCA)

Эта шина стала попыткой компании IBM сделать шину ISA "больше и лучше". При появлении в середине 80-х годов процессора 80386DX с 32-битовой шиной данных компания IBM решила разработать шину, соответствующую такой ширине шины данных. Шина MCA имела ширину 32 бита и имела несколько преимуществ по сравнению с шиной ISA.

Шина MCA имела несколько прекрасных возможностей с учетом того, что она появилась в 1987 г., т.е. за семь лет до появления шины PCI с аналогичными возможностями. В некоторых отношениях шина МСА просто опередила свое время:

• Ширина 32 бита: Шина имела ширину 32 бита, как и локальные шины VESA и PCI. Ее пропускная способность была намного выше по сравнению с шиной ISA.
• Мастеринг шины: Шина MCA эффективно поддерживала адаптеры с мастерингом шины, включая правильный арбитраж шины.
• Шина MCA автоматически конфигурировала карты адаптеров, поэтому перемычки стали ненужными. Это произошло за 8 лет до того, как Windows 95 превратила технологию PnP в общепринятую для РС.

Шина MCA имела огромные потенциальные возможности. К сожалению, компания IBM приняла два таких решения, которые не способствовали распространению этой шины. Во-первых, шина МСА была несовместимой с шиной ISA, т.е. карты ISA вообще не работали в РС с шиной МСА, а компьютерный рынок очень чувствителен к проблеме обратной совместимости. Во-вторых, компания IBM решила сделать шину МСА своей собственностью, не продавая лицензию на ее применение.

Эти два фактора совместно с более высокой стоимостью систем с шиной МСА привели к забвению шины МСА. Поскольку компьютеры PS/2 больше не выпускаются, шина МСА "умерла" для рынка РС, хотя компания IBM до сих пор использует ее в своих серверах RISC 6000 UNIX. История с шиной МСА является одним из классических примеров того, как в мире компьютеров нетехнические вопросы часто доминируют над техническими.

Шина Extended Industry Standard Architecture (EISA)

Эта шина никогда не стала таким стандартом, каким является шина ISA, и не получила широкого распространения. Фактически она была ответом компании Compaq на шину МСА и привела к аналогичным результатам.

Компания Compaq при разработке шины EISA избежала двух важнейших ошибок компании IBM. Во-первых, шина EISA была совместимой с шиной ISA и, во-вторых, было разрешено использовать ее всем производителям РС. В общем, шина EISA имела значительные технические преимущества над шиной ISA, но рынок ее не воспринял. Основные особенности шины EISA:

• Совместимость с шиной ISA: Карты ISA могли работать в слотах EISA.
• Ширина шины 32 бита: Ширина шины увеличена до 32 битов.
• Мастеринг шины: Шина EISA эффективно поддерживала адаптеры с мастерингом шины, включая правильный арбитраж шины.
• Технология Plug and Play (PnP): Шина EISA автоматически конфигурировала карты адаптеров аналогично стандарту PnP современных систем.

Системы на базе EISA сейчас иногда встречаются в сетевых файловых серверах, а в настольных РС она не применяется из-за более высокой стоимости и отсутствию широкого выбора адаптеров. Наконец, пропускная способность ее значительно уступает локальным шинам VESA Local Bus и PCI. Практически шина сейчас EISA близка к "умиранию".

Шина VESA Local Bus (VLB)

Первая довольно популярная локальная шина VESA Local Bus (VL-Bus или VLB) появилась в 1992 г. Аббревиатура VESA означает Video Electronics Standards Association, а эта ассоциация была создана в конце 80-х годов для решения проблем видеосистем в РС. Основной причиной разработки шины VLB было улучшение производительности видеосистем РС.

Шина VLB представляет собой 32-битовую шину, которая является прямым расширением шины памяти процессора 486. Слот шины VLB - это 16-битовый слот ISA с добавленными в конце третьим и четвертым разъемами. Шина VLB обычно работает на частоте 33 МГц, хотя в некоторых системах возможна и большая скорость. Поскольку она является расширением шины ISA, карту ISA можно использовать в слоте VLB, но имеет смысл вначале занять обычные слоты ISA и оставить небольшое число слотов VLB для карт VLB, которые, конечно, не работают в слотах ISA. Применение видеокарты VLB и контроллера ввода-вывода значительно повышает производительность системы по сравнению с системой, имеющей только одну шину ISA.

Несмотря на то, что шина VLB была очень популярна в РС с процессором 486, появление в 1994 г. процессора Pentium и его локальной шины PCI привело к к постепенному "забвению" шины VLB. Одной из причин этого стали усилия фирмы Intel по продвижению шины PCI, но было и несколько технических проблем, связанных с реализацией VLB. Во-первых, конструкция шины очень сильно "привязана" к процессору 486, а переход к Pentium вызвал проблемы совместимости и другие проблемы. Во-вторых, сама шина имела технические недостатки: небольшое число карт на шине (часто две или даже одна), проблемы синхронизации при использовании нескольких карт и отсутствие поддержки мастеринга шины и технологии Plug and Play.

Сейчас шина VLB считается устаревшей и даже в последних материнских платах с процессором 486 используется шина PCI, а с процессорами Pentium - только PCI. Однако РС с шиной VLB недороги и их иногда можно еще встретить.

Шина Peripheral Component Interconnect (PCI)

Наиболее популярная сейчас шина ввода-вывода взаимодействия периферийных компонентов (Peripheral Component Interconnect - PCI) разработана фирмой Intel в 1993 г. Она ориентировалась на системы пятого и шестого поколений, но применялась и в последнем поколении материнских плат с процессором 486.

Как и шина VESA Local Bus, шина PCI имеет ширину 32 бита и обычно работает на частоте 33 МГц. Главное преимущество PCI над шиной VESA Local Bus кроется в чипсете, который управляет шиной. Шиной PCI управляют специальные схемы в чипсете, а шина VLB была, в основном, просто расширением шины процессора 486. Шина PCI в этом отношении не "привязана" к процессору 486 и ее чипсет обеспечивает правильные управление шиной и арбитраж шины, позволяя PCI делать намного больше, чем могла шина VLB. Шина PCI также применяется и вне платформы РС, обеспечивая универсальность и сокращая стоимость разработки систем.

В современных РС шина PCI действует как внутренняя шина , которая подключается к каналом EIDE на материнской плате, и как внешняя шина расширения , которая имеет 3-4 слота расширения для PCI-адаптеров.

Шина PCI соединяется с системной шиной через специальный "мост" (bridge) и работает на фиксированной частоте независимо от частоты синхронизации процессора. Она ограничена пятью слотами расширения, но каждый из них можно заменить двумя устройствами, встроенными в материнскую плату. Процессор может также поддерживать несколько микросхем мостов. Шина PCI более строго специфицирована по сравнению с шиной VL-Bus и предоставляет несколько дополнительных возможностей. В частности, она поддерживает карты, имеющие напряжение питания +3.3 В и 5 В, с помощью специальных ключей, которые не позволяют вставить карту в неподходящий слот. Далее функционирование шины PCI рассмотрено более подробно.

Производительность шины PCI

Шина PCI фактически имеет наибольшую производительность среди общих шин ввода-вывода в современных РС. Это объясняется несколькими факторами:

• Пакетный режим (burst mode): Шина PCI может передавать информацию в пакетном режиме, когда после начальной адресации можно подряд передавать несколько наборов данных. Этот режим похож на пакетизацию кэша (cache bursting).
• Мастеринг шины: Шина PCI поддерживает полный мастеринг, что способствует повышению производительности.
• Опции высокой полосы пропускания: Версия 2.1 спецификации шины PCI допускает расширение до 64 битов и 66 МГц, что повышает текущую производительность в четыре раза. На практике 64-битовая шина PCI пока в РС не реализована (хотя уже применяется в некоторых серверах) и скорость сейчас ограничена 33 МГц, в основном, из-за проблем совместимости. Некоторое время придется ограничиваться 32 битами и 33 МГц. Однако благодаря AGP в несколько измененной форме будет реализована и более высокая производительность.

Скорость шины PCI в зависимости от чипсета и материнской платы можно установить как синхронную или асинхронную. При синхронной настройке (используемой в большинстве РС) шина PCI работает с половинной скоростью шины памяти; поскольку шина памяти обычно работает на 50, 60 или 66 МГц, шина PCI работает на частоте 25, 30 или 33 МГц. При асинхронной настройке скорость шины PCI можно задавать независимо от скорости шины памяти. Этим обычно управляют с помощью перемычек на материнской плате или параметрами BIOS. "Разгон" (overclocking) системной шины в РС, который использует синхронную шину PCI, вызовет "разгон" и периферийных устройств PCI, часто вызывая проблемы неустойчивой работы системы.

В первоначальной реализации шина PCI работала на частоте 33 МГц, а последующая спецификация PCI 2.1 определила частоту 66 МГц, что соответствует пропускной способности 266 МБ/с. Шину PCI можно конфигурировать на ширину данных 32 и 64 бита и допускается применять 32- и 64-битовые карты, а также разделять прерывания, что удобно в высокопроизводительных системах, в которых не хватает линий IRQ. С середины 1995 г. все скоростные устройства РС взаимодействуют друг с другом по шине PCI. Чаще всего она применяется для контроллеров жестких дисков и графических контроллеров, которые монтируются непосредственно на материнской плате или на картах расширения в слотах шины PCI.

Слоты расширения шины PCI

Шина PCI допускает больше слотов расширения, чем шина VLB, не вызывая технических проблем. Большинство систем с PCI поддерживают 3 или 4 слота PCI, а некоторые и значительно больше.

Примечание: В некоторых системах не все слоты обеспечивают мастеринг шины. Сейчас это встречается реже, но все же рекомендуется посмотреть руководство по материнской плате.

Шина PCI допускает большее разнообразие карт расширения по сравнению с шиной VLB. Чаще всего встречаются видеокарты, хост-адаптеры SCSI и скоростные сетевые карты. (Жесткие диски также работают на шине PCI, но они обычно подключаются непосредственно к материнской плате.) Однако отметим, что шина PCI не реализует некоторые функции, например последовательные и параллельные порты должны оставаться на шине ISA. К счастью, даже сейчас шина ISA остается более чем достаточной для этих устройств.

Внутренние прерывания шины PCI

Шина PCI использует свою внутреннюю систему прерываний для обработки запросов от карт на шине. Эти прерывания часто называются "#A", "#B", "#C" и "#D", чтобы избежать путаницы с обычно пронумерованными системными IRQ, хотя иногда они называются также от "#1" до "#4". Эти уровни прерываний обычно невидимы пользователю за исключением экрана настройки BIOS для PCI, где их можно использовать для управления работой карт PCI.

Эти прерывания, если они требуются картам в слотах, отображаются на обычные прерывания, чаще всего на IRQ9 - IRQ12. Слоты PCI в большинстве систем можно отобразить на большинство четыре обычных IRQs. В системах, имеющих больше четырех слотов PCI или имеющих четыре слота и контроллер USB (который использует PCI), два или больше устройств PCI разделяют IRQ.

Мастеринг шины PCI

Напомним, что мастеринг шины (bus mastering) представляет собой способность устройств на шине PCI (отличающихся, конечно, от системного чипсета) брать на себя управление шиной и непосредственно выполнять передачи. Шина PCI стала первой шиной шиной, которая привела к популярности мастеринга шины (наверное, потому что операционная система и программы смогли использовать его преимущества).

Шина PCI поддерживает полный мастеринг шины и обеспечивает средства арбитража шины через системный чипсет. Конструкция PCI допускает одновременный мастеринг шины нескольких устройств, а схема арбитража гарантирует, что ни одно устройство на шине (включая процессор!) не заблокирует никакое другое устройство. Однако разрешается одному устройству использовать полную пропускную способность шины, если другие устройства ничего не передают. Другими словами, шина PCI действует как крохотная локальная сеть внутри компьютера, в которой несколько устройств могут взаимодействовать друг с другом, разделяя коммуникационный канал, и которой управляет чипсет.

Технология Plug and Play для шины PCI

Шина PCI является частью стандарта Plug and Play (PnP), разработанного компаниями Intel, Microsoft и многими другими. Системы с шиной PCI первыми популяризировали применение PnP. Схемы чипсета PCI управляют идентификацией карт и совместно с операционной системой и BIOS автоматически производят распределение ресурсов для совместимых карт.

Шина PCI постоянно совершенствуется и разработками руководит Группа PCI Special Interest Group, в которую входят компании Intel, IBM, Apple и др. Результатом этих разработок стало повышение частоты шины до 66 МГц и расширение данных до 64 битов. Однако создаются и альтернативные варианты, например ускоренный графический порт (AGP) и скоростная последовательная шина FireWire (IEEE 1394). Фактически AGP представляет собой шину PCI 66 МГц (версия 2.1), в которую введены некоторые усовершенствования, ориентированные на графические системы.

Еще одной инициативой является шина PCI-X , называемая также "Project One" и "Future I/O". Компании IBM, Mylex, 3Com, Adaptec, Hewlett-Packard и Compaq хотят разработать специальную высокоскоростную серверную версию шины PCI. Эта шина будет иметь пропускную способность 1 ГБ/с (64 бита, 133 МГц). Компании Intel и Dell Computer не участвуют в этом проекте.

Компании Dell Computer, Hitachi, NEC, Siemens, Sun Microsystems и Intel в ответ на Project One выступили с инициативой разработки шины Next-Generation I/O (NGIO ), ориентированной на новую архитектуру ввода-вывода для серверов.

В августе 1999 г. семь лидирующих компаний (Compaq, Dell, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Microsoft, Sun Microsystems) объявили о намерении объединить лучшие идеи шин Future I/O и Next Generation I/O. Новая открытая архитектура ввода-вывода для серверов должна обеспечить пропускную способность до 6 ГБ/с. Ожидается, что новый стандарт NGIO будет принят в конце 2001 г.

Ускоренный графический порт

Необходимость повышения полосы пропускания между процессором и видеосистемой вначале привела к разработке в РС локальной шины ввода-вывода, начиная с VESA Local Bus и кончая современной шиной PCI. Эта тенденция продолжается, причем требование повышенной полосы пропускания для видео уже не удовлетворяет даже шина PCI с ее стандартной пропускной способностью 132 МБ/с. Трехмерная графика (3D graphics) позволяет моделировать на экране виртуальные и реальные миры с мельчайшими деталями. Отображение текстур и скрывание объектов требуют огромных объемов данных и видеокарта должна иметь быстрый доступ к этим данным, чтобы поддержать высокую частоту регенерации.

Трафик на шине PCI становится очень напряженным в современных РС, когда видео, жесткие диски и другие периферийные устройства конкурируют между собой за единственную полосу пропускания ввода-вывода. Чтобы предотвратить насыщение шины PCI видеоинформацией, фирма Intel разработала новый интерфейс специально для видеосистемы, который называется ускоренный графический порт (Accelerated Graphics Port - AGP).

Порт AGP разработан в ответ на требование все большей производительности для видео. По мере использования программами и компьютерами таких областей, как трехмерная акселерация и воспроизведение видеофильмов (full-motion video playback), процессор и видео-чипсет должны обрабатывать все больше и больше информации. В таких приложения шина PCI достигла своего предела тем более, что ее используют еще и жесткие диски и другие периферийные устройства.

Кроме того, требуется все больше и больше видеопамяти. Для трехмерной графики нужно больше памяти и не только для экранного изображения, но и для производства вычислений. Традиционно эта проблема решается размещением все больше памяти на видеокарте, но при этом возникают две проблемы:

• Стоимость: Видеопамять дороже обычной памяти RAM.
• Ограниченная емкость: Емкость памяти на видеокарте ограничена: если разместить на карте 6 МБ и для буфера кадра требуется 4 МБ, то для обработки остается всего 2 МБ. Эту память расширить непросто и ее нельзя использовать для чего-то другого, если видеообработка не нужна.

AGP решает эти проблемы, разрешая видеопроцессору обращаться к основной системной памяти для производства вычислений. Этот прием намного эффективнее, так как эту память можно динамически разделять между системным процессором и видеопроцессором в зависимости от потребностей системы.

Идея реализации AGP довольно проста: создать быстрый специализированный интерфейс между видео-чипсетом и системным процессором. Интерфейс реализуется только между этими двумя устройствами, что обеспечивает три основных преимущества: проще реализовать порт, проще повысить скорость AGP и можно ввести в интерфейс специфические для видео усовершенствования. AGP-чипсет действует как посредник между процессором, L2-кэшем Pentium II, системной памятью, видеокартой и шиной PCI, реализуя так называемый счетверенный порт (Quad Port).

AGP считается портом, а не шиной, так как он объединяет только два устройства (процессор и видеокарту) и не допускает расширения. Одно из главных достоинств AGP состоит в том, что он изолирует видеосистему от остальных компонентов РС, исключая конкуренцию за полосу пропускания. Поскольку видеокарта удаляется с шины PCI, остальные устройства могут работать быстрее. Для AGP на материнской плате предусмотрен специальный сокет, который похож на сокет шины PCI, но размещается в другом месте платы. На следующем рисунке сверху видны два сокета шины ISA (черные), затем два сокета шины PCI (белые) и сокет ADP (коричневый).

AGP появился в конце 1997 г. и первой его поддержал чипсет 440LX Pentium II. Уже в следующем году появились AGP-чипсеты других компаний. Подробнее об AGP см. сайт http://developer.intel.com/technology/agp/ .

Интерфейс AGP

Интерфейс AGP во многих отношениях похож на шину PCI. Сам слот имеет такие же физические форму и размеры, но смещен от края материнской платы дальше, чем слоты PCI. Спецификация AGP фактически опирается на спецификацию PCI 2.1, которая допускает скорость 66 МГц, но эта скорость не реализована в РС. Материнские платы AGP имеют один слот расширения для видеокарты AGP и на один слот PCI меньше, а в остальном похожи на материнские платы PCI.

Ширина, скорость и полоса пропускания шины

Шина AGP имеет ширину 32 бита, как и шина PCI, но вместо работы с половинной скоростью шины памяти, как это делает PCI, она работает с полной скоростью. Например, на стандартной материнской плате Pentium II шина AGP работает на 66 МГц вместо 33 МГц шины PCI. Это сразу же удваивает полосу пропускания порта - вместо предела в 132 МБ/с для PCI порт AGP имеет в режиме наименьшей скорости полосу 264 МБ/с. Кроме того, он не разделяет полосу с другими устройствами шины PCI.

В дополнение к удвоению скорости шины в AGP определен режим 2X , в котором используются специальные сигналы, позволяющие передавать через порт вдвое больше данных при одной и той же частоте синхронизации. В этом режиме информация передается по нарастающему и спадающему фронтам сигнала синхронизации. Если шина PCI передает данные только по одному фронту, AGP передает данные по обоим фронтам. В результате производительность еще удваивается и теоретически доходит до 528 МБ/с. Планируется также реализовать режим 4X , в котором в каждом такте синхронизации осуществляются четыре передачи, что повысит производительность до 1056 МБ/с.

Конечно, все это впечатляет и для видеокарты ширина полосы в 1 ГБ/с очень хорошая, но возникает одна проблема: в современном РС имеется несколько шин. Напомним, что в процессорах класса Pentium ширина шины данных 64 бита и она работает на 66 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность 524 МБ/с, поэтому полоса в 1 ГБ/с не дает значительного выигрыша, если не повысить скорость шины данных сверх 66 МГц. В новых материнских платах скорость системной шины повышена до 100 МГц, что увеличивает пропускную способность до 800 МБ/с, но и этого недостаточно для того, чтобы оправдать передачи режима 4X .

Кроме того, процессор должен обращаться к системной памяти, а не только к видеосистеме. Если вся системная полоса 524 МБ/с занята видео через AGP, что же остается делать процессору? В этом случае переход к системной скорости 100 МГц даст определенный выигрыш.

Видео-конвейеризация порта AGP

Одно из достоинств AGP состоит в возможности конвейеризовать запросы данных. Конвейеризация впервые использовалась в современных процессорах как способ повышения производительности за счет перекрытия последовательных фрагментов задач. Благодаря AGP видео-чипсет может использовать аналогичный прием при запросе информации из памяти, что значительно повышает производительность.

Доступ AGP к системной памяти

Важнейшая особенность AGP заключается в возможности разделять основную системную память с видео-чипсетом. Это обеспечивает видеосистеме доступ к большей памяти для реализации трехмерной графики и другой обработки, не требуя размещения на видеокарте большой видеопамяти. Память на видеокарте разделяется между буфером кадра (frame buffer) и другими применениями. Поскольку для буфера кадра требуется быстродействующая и дорогая память, например VRAM, в большинстве карт вся память выполняется на VRAM, хотя этого и требуется для областей памяти кроме буфера кадра.

Отметим, что AGP не относится к унифицированной архитектуре памяти (Unified Memory Architecture - UMA). В этой архитектуре вся память видеокарты, включая и буфер кадра, берется из основной системной памяти. В AGP буфер кадра остается на видеокарте, где он и размещается. Буфер кадра является наиболее важным компонентом видеопамяти и требует наивысшей производительности, поэтому целесообразнее оставить его на видеокарте и использовать для него VRAM.

AGP разрешает видеопроцессору обращаться к системной памяти для решения других задач, требующих памяти, например текстурирования и других операций трехмерной графики. Эта память не столь критична, как буфер кадра, что позволяет удешевить видеокарты за счет уменьшения емкости памяти VRAM. Обращение к системной памяти называется прямым выполнением из памяти (DIrect Memory Execute - DIME). Специальное устройство, называемое таблицей переотображения графической апертуры (Graphics Aperture Remapping Table - GART), оперирует адресами RAM таким образом, что их можно распределить в системной памяти небольшими блоками, а не одной большой секции, и предоставляет их видеокарте как бы частью видеопамяти. Наглядное представление о функциях AGP дает следующий рисунок:

Требования AGP

Чтобы использовать в системе AGP, необходимо выполнить несколько требований:

• Наличие видеокарты AGP: Это требование вполне очевидно.
• Наличие материнской платы с чипсетом AGP: Разумеется, чипсет на материнской плате должен поддерживать AGP.
• Поддержка операционной системы: Операционная система должна поддерживать новый интерфейс с помощью своих внутренних драйверов и процедур.
• Поддержка драйверов: Конечно, видеокарте требуются специальные драйверы, чтобы поддерживать AGP и использовать его специальные возможности, например режим 3X .

Новые последовательные шины

Уже 20 лет многие периферийные устройства подключаются к тем же параллельным и последовательным портам, которые появились в первом РС, и за исключением стандарта Plug and Play "технология ввода-вывода" с 1081 г. мало изменилась. Однако к концу 90-х годов прошлого века пользователи все сильнее стали ощущать ограничения стандартных параллельных и последовательных портов:

• Пропускная способность : Последовательные порты имеют максимальную пропускную способность 115.2 Кб/с, а параллельные порты (в зависимости от типа) около 500 Кб/с. Однако для таких устройств, как цифровые видеокамеры требуется значительно более высокая пропускная способность.
• Простота использования : Подключать устройства к старым портам очень неудобно, особенно через переходные разъемы параллельных портов. Кроме того, все порты расположены сзади РС.
• Аппаратные ресурсы : Для каждого порта требуется своя линия IRQ. РС имеет всего 16 линий IRQ, большинство из которых уже занято. Некоторые РС для подключения новых устройств имеют всего пять свободных линий IRQ.
• Ограниченное число портов : Многие РС имеют два последовательных порта СОМ и один параллельный порт LPT. Допускается добавить больше портов но за счет использования ценных линий IRQ.

В последние годы технология ввода-вывода превратилась в одну из наиболее динамичных областей развития настольных РС и два разработанных стандарта последовательных передач данных сильно изменили способы подключения периферийных устройств и подняли концепцию Plug and Play на новую высоту. Благодаря новым стандартам любой пользователь сможет подключить к РС почти неограниченное множество устройств буквально за несколько секунд, не имея специальных технических знаний.

Универсальная последовательная шина

Разработанный компаниями Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom стандарт универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus - USB) предоставляет новый разъем для подключения всех распространенных устройств ввода-вывода, устраняя множество современных портов и разъемов.

Шина USB допускает подключение до 127 устройств с помощью шлейфного соединения (daisy-chaining) или использования USB-хаба (USB hub). Сам хаб, или концентратор , имеет несколько сокетов и вставляется в РС или другое устройство. К каждому USB-хабу можно подключить семь периферийных устройств. Среди них может быть и второй хаб, к которому можно подключить еще семь периферийных устройств, и т.д. Вместе с сигналами данных шина USB передает и напряжение питания +5 В, поэтому небольшие устройства, например ручные сканеры, могут не иметь собственного блока питания.

Устройства подключаются непосредственно в 4-контактный сокет (розетку) на РС или хабе в виде прямоугольного сокета Типа А. Все кабели, которые постоянно подключены к устройству, имеют вилку Типа А. Устройства, которые используют отдельный кабель, имеют квадратный сокет Типа В, а кабель, который подключает их, имеет вилку Типа А или Типа В.

Шина USB снимает ограничения скорости последовательных портов на базе UART. Она работает со скоростью 12 Мб/с, что соответствует сетевым технологиям Ethernet и Token Ring и обеспечивает достаточную пропускную способность для всех современных периферийных устройств. Например, пропускной способности шины USB достаточно для поддержки таких устройств, как внешние накопители CD-ROM и ленточные накопители, а также интерфейсов ISDN обычных телефонов. Ее также достаточно для передачи сигналов цифрового звука непосредственно в динамики, оснащенные цифро-аналоговыми преобразователя, что устраняет необходимость иметь звуковую карту. Однако шина USB не предназначена заменить сети. Чтобы получить приемлемо низкую стоимость, расстояние между устройствами ограничено 5 м. Для медленных устройств типа клавиатуры и мыши можно установить скорость передачи данных 1.5 Мб/с, экономя пропускную способность для более быстрых устройств.

Шина USB полностью поддерживает технологию Plug and Play. Она устраняет необходимость установки карт расширения внутри РС и последующего реконфигурирования системы. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и при необходимости отключать периферийные устройства в то время, когда РС и другие устройства работают. Не нужно инсталлировать драйверы, выбирать последовательные и параллельные порты, а также определять линии IRQ, DMA-каналы и адреса ввода-вывода. Все это достигается путем управления периферийными устройствами с помощью хост-контроллера на материнской плате или на карте PCI. Хост-контроллер и подчиненные контроллеры в хабах управляют периферийными устройствами, снижая нагрузку на процессор и повышая общую производительность системы. Самим хост-контроллером управляет системное программное обеспечение в составе операционной системы.

Данные передаются по двунаправленному каналу, которым управляют хост-контроллер и подчиненные контроллеры хабов. Улучшенный мастеринг шины позволяет постоянно зарезервировать для конкретных периферийных устройств части общей пропускной способности; такой способ называется изохронной передачей данных (isochronous data transfer). Интерфейс шины USB содержит два основных модуля: машину последовательного интерфейса (Serial Interface Engine - SIE), отвечающую за протокол шины, и корневой хаб (Root Hub), используемый для расширения числа портов шины USB.

Шина USB выделяет каждому порту 500 мА. Благодаря этому маломощные устройства, которые обычно требуют отдельный преобразователь переменного тока (AC adapter), можно питать через кабель - USB позволяет РС автоматически определять требуемую мощность и доставлять ее в устройство. Хабы допускают полное питание от шины USB (bus powered), но могут иметь свой преобразователь переменного тока. Хабы с собственным питанием, предоставляющие 500 мА на порт, обеспечивают максимальную гибкость для будущих устройств. Хабы с переключением портов изолируют все порты друг от друга, поэтому одно "закороченное" не нарушает работу других.

Шина USB обещает создание РС с единственным портом USB вместо современных четырех или пяти различных разъемов. К нему можно подключить одно большое мощное устройство, например монитор или принтер, которое будет действовать как хаб, обеспечивая подключение других меньших устройств, например мыши, клавиатуры, модема, сканера, цифровой камеры и т.д. Однако для этого потребуется разработка специальных драйверов устройств. Однако у такой конфигурации РС имеются недостатки. Некоторые специалисты считают, что архитектура USB довольно сложная, а необходимость поддержки многих разнотипных периферийных устройств требует разработки целого набора протоколов. Другие полагают, что принцип хаба просто смещает стоимость и сложность с системного блока в клавиатуру или монитор. Но главным препятствием успеху USB является стандарт IEEE 1394 FireWire.

Шина IEEE 1394 FireWire

Этот стандарт быстродействующей периферийной шины разработан компаниями Apple Computer, Texas Instruments и Sony. Он разрабатывался как дополнение шины USB, а не как альтернатива ей, поскольку в одной системе могут использоваться обе шины, аналогично современным параллельным и последовательным портам. Однако крупные производители цифровых камер и принтеров заинтересованы в шине IEEE 1394 больше, чем в шине USB, потому что для цифровых камер лучше подходит сокет 1394, а не порт USB.

Шина IEEE 1394 (обычно называемая FireWire - "Огненный провод") во многом похожа на шину USB, также являясь последовательной шиной с горячей заменой, но намного быстрее. В IEEE 1394 есть два уровня интерфейса: один для шины на материнской плате компьютера и второй для интерфейса типа "точка-точка" между периферийным устройством и компьютером по последовательному кабелю. Простой мост объединяет эти два уровня. Интерфейс шины поддерживает скорости передачи данных в 12.5, 25 или 50 МБ/с, а интерфейс кабеля - 100, 200 и 400 Мб/с, что намного больше скорости шины USB - 1.5 МБ/с или 12 Мб/с. Спецификация 1394b определяет другие способы кодирования и передачи данных, что позволяет повысить скорость до 800 Мб/с, 1.6 Гб/с и более. Такая высокая скорость позволяет применять IEEE 1394 для подключения к РС цифровых камер, принтеров, телевизоров, сетевых карт и внешних запоминающих устройств.

Разъемы кабеля IEEE 1394 сделаны так, что электрические контакты находятся внутри корпуса разъема, что предотвращает возможности электрического удара пользователя и загрязнения контактов руками пользователя. Эти небольшие и удобные разъемы аналогичны игровому разъему Nintendo GameBoy, который показал отличную долговечность. Кроме того, эти разъемы можно вставлять вслепую сзади РС. Не требуется никаких оконечных устройств (терминаторов - terminators) и ручной установки идентификаторов.

Шина IEEE 1394 рассчитана на 6-проводный кабель длиной до 4.5 м, который содержит две пары проводников для передачи данных и одну пару для питания устройства. Каждая сигнальная пара экранирована и весь кабель также экранирован. Кабель допускает напряжение от 8 В до 400 В и ток до 1.5 А и сохраняет физическую непрерывность устройства, когда устройство выключено или неисправно (что очень важно для последовательной топологии). Кабель обеспечивает питание для подключенных к шине устройств. По мере совершенствования стандарта ожидается, что шина обеспечит большие расстояния без повторителей и еще большую пропускную способность.

Основой любого соединения IEEE 1394 служит микросхема физического уровня и коммуникационного уровня, причем для устройства необходимы две микросхемы. Физический интерфейс (PHY) одного устройства соединяется с PHY другого устройства. Он содержит схемы, необходимые для выполнения функций арбитража и инициализации. Коммуникационный интерфейс соединяет PHY, а также внутренние схемы устройства. Он передает и принимает пакеты в формате IEEE 1394 и поддерживает асинхронные или изохронные передачи данных. Возможность поддержки асинхронных и изохронных форматов в одном и том же интерфейсе допускает работу на шине некритичных ко времени приложений, например сканеров или принтеров, а также приложений реального времени, например видео и звук. Все микросхемы физического уровня используют одну и ту же технологию, а микросхемы коммуникационного уровня специфичны для каждого устройства. Такой подход позволяет шине IEEE 1394 действовать как система "узел-узел" (peer-peer) в отличие от подхода клиент-сервер в шине USB. В результате системе IEEE 1394 не требуется ни обслуживающий хост, ни РС.

Асинхронная передача является традиционным способом передач данных между компьютерами и периферийными устройствами. Здесь данные передаются в одном направлении и сопровождаются последующим подтверждением источнику. В асинхронной передаче данных упор сделан на доставку, а не на производительность. Передача данных гарантирована и поддерживаются повторные передачи (retries). Изохронная передача данных обеспечивает поток данных с предопределенной скоростью, поэтому приложение может обрабатывать их с учетом временных соотношений. Это особенно важно для критичных во времени мультимедийных данных, когда доставка точно во времени (just-in-time delivery) устраняет необходимость в дорогом буферировании. Изохронные передачи данных работают по принципу широкого вещания (broadcast), когда одно или несколько устройств могут "прослушивать" (listen) передаваемые данные. По шине IEEE 1394 можно одновременно передавать несколько каналов (до 63) изохронных данных. Так как изохронные передачи могут занимать максимум 80% пропускной способности шины, остается достаточная полоса пропускания и для дополнительных асинхронных передач.

Масштабируемая архитектура шины IEEE 1394 и гибкая топология делают ее идеальной для подключения высокоскоростных устройств: от компьютеров и жестких дисков до цифрового аудио- и видеооборудования. Устройства можно подключать в виде шлейфной или древовидной топологии. Рисунок слева показывает две отдельные рабочие области, соединенные мостом шины IEEE 1394. Рабочая область #1 состоит из видеокамеры, РС и видеомагнитофона, которые все соединены через IEEE 1394. РС также подключен к физически удаленному принтеру через повторитель 1394, который увеличивает расстояние между устройствами, усиливая сигналы шины. На шине IEEE 1394 допускается до 16 "скачков" (hops) между любыми двумя устройствами. Размножитель (splitter) 1394 используется между мостом и принтером, чтобы предоставить еще один порт для подключения моста шины IEEE 1394. Размножители обеспечивают для пользователей большую гибкость топологии.

Рабочая область #2 содержит на сегменте шины 1394 только РС и принтер, а также соединение с мостом шины. Мост изолирует трафик данных внутри каждой рабочей области. Мосты шины IEEE 1394 допускают передавать выбранные данные из одного сегмента шины в другой. Поэтому PC #2 может запросить изображения от видеомагнитофона в рабочей области #1. Так как кабель шины передает и питание сигнальный интерфейс PHY всегда с питанием и данные передаются даже в том в том случае, если PC #1 выключен.

Каждый сегмент шины IEEE 1394 допускает подключение до 63 устройств. Сейчас каждое устройство может находиться на расстоянии до 4.5 м; большие расстояния возможны как с повторителями, так и без них. Усовершенствования кабелей позволят разносить устройства на большие расстояния. С помощью мостов можно объединять более 1000 сегментов, что обеспечивает значительный потенциал для расширения. Еще одно достоинство состоит в возможности выполнять транзакции с разными скоростями по одному носителю для устройства. Например, некоторые устройства могут работать со скоростью 100 Мб/с, а другие - со скоростями 200 Мб/с и 400 Мб/с. Разрешается горячая замена (подключение или отключение устройств) на шине даже тогда, когда шина полностью работает. Автоматически распознаются изменения в топологии шины. Благодаря этому становятся ненужными коммутаторы адресов и другие вмешательства пользователя для реконфигурирования шины.

Благодаря технологии передачи пакетов шину IEEE 1394 можно организовать так, как если бы между устройствами распределено пространство памяти, или как будто устройства находятся в слотах на материнской плате. Адрес устройства состоит из 64 битов, причем 10 битов отводятся для идентификатора сети, 6 битов для идентификатора узла и 48 битов для адресов памяти. В результате можно адресовать 1023 сети из 63 узлов, причем каждый имеет память 281 ТБ. Адресация памяти, а не каналов, считает ресурсы регистрами или памятью, к которым можно обратиться с помощью транзакций процессор-память. Все это обеспечивает простую сетевую организацию; например, цифровая камера может легко передать изображения прямо в цифровой принтер без компьютера-посредника. Шина IEEE 1394 показывает, что РС теряет свою доминирующую роль по объединению среды и его можно считать очень интеллектуальным узлом.

Необходимость использования двух микросхем вместо одной делает периферийные устройства для шины IEEE 1394 более дорогими по сравнению с устройствами для SCSI, IDE или USB, поэтому она не годится для медленных устройств. Однако ее достоинства для высокоскоростных приложений, например цифрового видеоредактирования, превращает шину IEEE 1394 в основной интерфейс для бытовой электроники.

Несмотря на достоинства шины IEEE 1394 и появление в 2000 г. материнских плат со встроенными контроллерами этой шины, будущий успех FireWire не гарантирован. Появление спецификации USB 2.0 значительно усложнило ситуацию.

Спецификация USB 2.0

В разработке этой спецификации, ориентированной на поддержку высокоскоростных периферийных устройств, принимали участие компании Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC и Philips. В феврале 1999 г. было объявлено о повышении существующей производительности в 10 - 20 раз, а в сентябре 1999 г. по результатам инженерных исследований оценки были повышены до 30 - 40 раз по сравнению с USB 1.1. Высказывались опасения, что при такой производительности шина USB навсегда "похоронит" шину IEEE 1394. Однако по общему мнению эти две шины ориентируются на различные применения. Цель USB 2.0 состоит в том, чтобы обеспечить поддержку всех современных и будущих популярных периферийных устройств РС, а шина IEEE 1394 ориентирована на подключение бытовых аудио- и видео-устройств, например цифровых видеомагнитофонов, DVD и цифровых телевизоров.

Согласно USB 2.0 пропускная способность повышается с 12 Мб/с до 360-480 Мб/с. Ожидается, что шина USB 2.0 будет совместима с USB 1.1, что обеспечит пользователям безболезненный переход к новой шине. Для нее будут разработаны новые скоростные периферийные устройства, которые расширят диапазон применений РС. Скорости 12 Мб/с вполне достаточно для таких устройств, как телефоны, цифровые камеры, клавиатура, мышь, цифровые джойстики, ленточные накопители, накопители на гибком диске, цифровые динамики, сканеры и принтеры. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит функциональность периферийных устройств, обеспечивая поддержку камер с высокой разрешающей способностью для видеоконференций, а также скоростных сканеров и принтеров следующего поколения.

Существующие периферийные устройства для USB будут без изменений работать в системе с шиной USB 2.0. Таким устройствам, как клавиатура и мышь, не требуется повышенная пропускная способность USB 2.0 и они будут работать как устройства USB 1.1. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит диапазон периферийных устройств, которые можно будет подключать к РС, а также позволит большему числу USB-устройств разделять имеющуюся пропускную способность шины вплоть до архитектурных пределов шины USB. Обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.1 может стать решающим преимуществом в борьбе с шиной IEEE 1394 за интерфейс потребительских приборов.

Стандарт DeviceBay

DeviceBay представляет собой новый стандарт, который разработан вслед за стандартами шин IEEE 1394 и USB. Эти шины допускают подключение и отключение устройств "на лету", т.е. в процессе работы РС. Такая возможность горячей замены (hot swap, hot plug) потребовала нового специального соединения между устройствами и ответом на это требование стал стандарт DeviceBay. Он стандартизует отсеки, в которые можно вставлять жесткие диски, накопители CD-ROM и другие устройства. Монтажная рама устанавливается без инструментов и в процессе работы РС. Если стандарт DeviceBay получит широкое распространение, он покончит с плоскими кабелями внутри корпуса РС. Весь РС можно оформить в виде модульной конструкции, в которой все модули подключаются к шинам USB или FireWire как устройства DeviceBay. При этом устройство можно будет свободно перемещать между РС и другими домашними приборами.

Стандарт DeviceBay рассчитан на подключение таких устройств, как накопители Zip, накопители CD-ROM, ленточные накопители, модемы, жесткие диски, считыватели PC-карт и др.

Компьютерная шина

История

Первое поколение

Такие простые шины имели серьёзный недостаток для универсальных компьютеров. Всё оборудование на шине должно было передавать информацию на одной скорости и использовать один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора было не простым, так как требовало такого же ускорения всех устройств. Это часто приводило к ситуации, когда очень быстрым процессорам приходилось замедляться для возможности передачи информации некоторым устройствам. Хотя это допустимо для встраиваемых систем, данная проблема непозволительна для коммерческих компьютеров. Другая проблема состоит в том, что процессор требуется для любых операций, и когда он занят другими операциями, реальная пропускная способность шины может значительно страдать.

Такие компьютерные шины были сложны в настройке, при наличии широкого спектра оборудования. Например, каждая добавляемая карта расширения могла требовать установки множества переключателей для задания адреса памяти, адреса ввода-вывода, приоритетов и номеров прерываний.

Второе поколение

Компьютерные шины «второго поколения», например NuBus решали некоторые из вышеперечисленных проблем. Они обычно разделяли компьютер на две «части», процессор и память в одной и различные устройства в другой. Между частями устанавливался специальный контроллер шин (bus controller ). Такая архитектура позволила ускорять скорость процессора без влияния на шину, разгрузить процессор от задач управления шиной. При помощи контроллера устройства на шине могли взаимодействовать друг с другом без вмешательства центрального процессора. Новые шины имели лучшую производительность, но также требовали более сложных карт расширения. Проблемы скорости часто решались увеличением разрядности шины данных , с 8-ми битных шин первого поколения до 16 или 32-х битных шин во втором поколении. Также появилась программная настройка устройств для упрощения подключения новых устройств, ныне стандартизованная как Plug-n-play .

Однако новые шины, так же как и предыдущее поколение, требовали одинаковых скоростей от устройств на одной шине. Процессор и память теперь были изолированы на собственной шине и их скорость росла быстрее, чем скорость переферийной шины. В результате, шины были слишком медленны для новых систем и машины страдали от нехватки данных. Один из примеров данной проблемы: видеокарты быстро совершенствовались, и им не хватало пропускной способности даже новых шин (PCI). Компьютеры стали включать в себя (AGP) только для работы с видеоадаптерами. В году AGP снова стало недостаточно быстрым для мощных видеокарт и AGP стал замещаться новой шиной PCI Express

Увеличивающееся число внешних устройств стало применять собственные шины. Когда были изобретены приводы дисков, они присоединялись к машине при помощи карты, подключаемой к шине. Из-за этого компьютеры имели много слотов расширения. Но в 1980‑х и 1990‑х были изобретены новые шины IDE решившие эту проблему и оставив большую часть разъёмов расширения в новых системах пустыми. В наше время типичная машина поддерживает около пяти различных шин.

Шины стали разделять на внутренние (local bus ) и внешние (external bus ). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров . IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

Третье поколение

Шины «третьего поколения» в настоящее время [когда? ] находятся в процессе выхода на рынок, включая

Современные интегральные схемы часто разрабатываются из заранее созданных частей, так называемых «intellectual property» или IP. Разработаны шины (например Wishbone) для более простой интеграции различных частей интегральных схем.

Примеры внутренних компьютерных шин

Параллельные

Смотреть что такое "Компьютерная шина" в других словарях:

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… … Википедия

Шина адреса компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для… … Википедия

Шина расширения компьютерная шина, которая используется на системной карте компьютеров или промышленных контроллеров, для добавления устройств (плат) в компьютер. Есть несколько видов: Персональные компьютеры ISA 8 и 16 разрядная,… … Википедия

Компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство желает обратиться для проведения операции… … Википедия

Шина адреса компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство желает обратиться для проведения… … Википедия

Шина (нем. Schiene): Содержание 1 Этноним 2 В науке и технике 3 В искусстве … Википедия

На фотографии 4 слота PCI Express: x4, x16, x1, опять x16, внизу стандартный 32 разрядный слот PCI, на материнской плате DFI LanParty nForce4 SLI DR PCI Express или PCIe или PCI E, (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI … Википедия

ШИНА компьютерная, магистраль передачи данных между оперативной памятью и контроллерами. Системную шину можно упрощенно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют… … Энциклопедический словарь

Разъёмы шины PCI Express (сверху вниз: x4, x16, x1 и x16). Ниже обычный 32 битный разъем шины PCI. У этого термина существуют и другие значения, см. Шина. Компьютерная шина (от … Википедия

Разъёмы шины PCI Express (сверху вниз: x4, x16, x1 и x16), по сравнению с обычным 32 битным разъемом шины Компьютерная шина (от англ. computer bus, bidirectional universal switch двунаправленный универсальный коммутатор) в архитектуре компьютера… … Википедия