Вычислительные системы и телекоммуникации Тема 3 Функциональная и

Вычислительные системы и телекоммуникации Тема 3. Функциональная и структурная организация ПК Шины и интерфейсы.

Шинная архитектура ПК n Компьютерная система состоит из трех основных компонентов: центрального процессора, памяти (основной и вспомогательной) и устройств ввода-вывода (принтеров, сканеров и модемов). n Для передачи информации (команд и данных) между устройствами используется шина 2

Шинная архитектура n n n a) b) c) Впервые 12 битная шина Omni. Bus появилась в 1965 г в машине PDP-8 Организация связи между устройствами компьютера по единственной общей шине оказалась довольно простой дешевым и простым вариантом архитектуры компьютера. Однако шина могла удовлетворительно справляться со своей ролью до тех пор , пока быстродействие процессора, микросхем памяти, магнитных дисков и других устройств. Основными характеристиками шин являются: Разрядность Тактовая частота Производительность 3

Материнская плата ПК n n n 2/1/2018 каф. АОИ Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные вспомогательные микросхемы. На материнской плате располагаются шина (она тянется вдоль платы) и несколько разъемов для подсоединения устройств ввода-вывода. Иногда шин бывает несколько. 4

Материнская плата n На материнской плате располагаются шина (она тянется вдоль платы) и несколько разъемов для подсоединения устройств ввода-вывода. n Иногда шин бывает несколько: PCI с высокой скоростью передачи данных, предназначается для современных устройств ввода-вывода, а другая (шина ISA), с низкой скоростью передачи данных. - для устаревших устройств 2/1/2018 каф. АОИ 5

Мультиплексные шины n n Для уменьшения стоимости и размеров шины были разработаны различные варианты мультиплексных шин. В мультиплексных шинах нет отдельных линиц для передачи данных и адресов. Сначала по шине передается адрес передаваемого кода, а потом по тем же проводам его биты. Увеличение частоты шины может нарушить её совместимость со старыми устройствами и существующим ПО. Повышение частоты вызывает особенно сильные помехи в многоразрядных шинах, поэтому невозможно одновременное повышение частоты и разрядности. 2/1/2018 каф. АОИ 6

Контроллер n n n Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна объединяет большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода -вывода, например дисковод. Контроллер обычно располагается на плате, которая вставляется в свободный разъем. Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и для этого регулирует доступ к шине. 2/1/2018 каф. АОИ 7

Контроллер n Контроллер управляет своим устройством вводавывода и для этого регулирует доступ к шине. 2/1/2018 каф. АОИ 8

Контроллер, прерывание n 2/1/2018 каф. АОИ Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA). 9

Контроллер, прерывание n Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостанавливать работу текущей программы и начинать выполнение особой процедуры. 2/1/2018 каф. АОИ 10

Прерывания n n Эта процедура называется программой обработки прерываний, и нужна она для того, чтобы проверить, нет ли ошибок, в случае их обнаружения произвести необходимые действия и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершается, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для взаимодействия с памятью. Однако если работает какое-нибудь устройство ввода-вывода, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Этот процесс, который притормаживает работу компьютера, называется захватом цикла памяти (cycle stealing). 2/1/2018 каф. АОИ 11

Арбитр шины n Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. n Если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно. В этом случае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. 2/1/2018 каф. АОИ 12

Архитектура ПК, ISA PCI n n ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура). PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов) или PCI-Express. 13

Компьютерная Шина n n Шина — это несколько проводников, соединяющих различные устройства. Шины можно разделить на категории в соответствии с выполняемыми функциями. 2/1/2018 каф. АОИ 14

Виды шин n Шины могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных в АЛУ и из АЛУ, а могут быть внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода. 2/1/2018 каф. АОИ 15

Системная шина n n 2/1/2018 каф. АОИ Первые персональные компьютеры имели одну внешнюю шину, которая называлась системной. Она состояла из нескольких медных проводов (от 50 до 100), которые встраивались в материнскую плату. 16

Шина памяти и шина в/вывода n Современные персональные компьютеры обычно содержат специальную шину между центральным процессором и памятью, и по крайней мере, еще одну шину для устройств ввода-вывода. 2/1/2018 каф. АОИ 17

Протокол шины n Что бы различные устройства могли работать совместно должны быть введены четкие правила о том, как работает шина; n Эти правила называются протоколом шины. n Все устройства, связанные с шиной, должны подчиняться этим правилам, чтобы платы, которые выпускаются сторонними производителями, подходили к системной шине. 2/1/2018 каф. АОИ 18

Конструктивные особенности n Кроме того, должны существовать определенные технические требования, чтобы платы от сторонних производителей подходили к направляющим для печатных плат и имели разъемы, соответствующие материнской плате механически, с точки зрения напряжений, синхронизации и т. д. 2/1/2018 каф. АОИ 19

Стандарты шин Существует ряд широко используемых в компьютерном мире шин, например: ¨ IBM PC (PC/XT), ¨ SCSI (различные персональные компьютеры и ISA (PC/AT), рабочие станции), ¨ EISA (80386), ¨ Nubus (Macintosh), ¨ Micro. Channel (PC/2), ¨ Universal Serial Bus ¨ AGPx 1, AGPx 2 -8, (современные персональные ¨ PCI-express, компьютеры), ¨ PCI (различные ¨ Fire. Wire (бытовая персональные электроника). компьютеры), ¨ 2/1/2018 каф. АОИ 20

Взаимодействие устройств n Активное устройство называется задающим, пассивное — подчиненным. n Когда центральный процессор требует от контроллера диска считать или записать блок информации, центральный процессор действует как задающее устройство, а контроллер диска — как подчиненное. n Контроллер диска может действовать как задающее устройство, когда он командует памяти принять слова, которые считал с диска 2/1/2018 каф. АОИ 21

Основные принципы работы Задающее устройство Подчиненное устройство Пример Центральный процессор Память Вызов команд и данных Центральный процессор Устройство ввода-вывода Инициализация передачи данных Центральный процессор Сопроцессор Передача команды от процессора к сопроцессору Устройство вводавывода Память Прямой доступ к памяти Сопроцессор Центральный процессор Вызов сопроцессором операндов из центрального процессора 2/1/2018 каф. АОИ 22

Шины n Как и процессор, шина имеет адресные, информационные линии и управляющие линии. n Разработка шин и принципы действия шин — это достаточно сложные вопросы, и по этому поводу написан ряд книг. n Принципиальными вопросами в разработке являются ширина шины, синхронизация шины, арбитраж шины и функционирование шины. Все эти параметры существенно влияют на пропускную способность шины. 2/1/2018 каф. АОИ 23

Ширина адресной шины n n Ширина шины (количество адресных линий) — самый очевидный параметр при разработке. Чем больше адресных линий содержит шина, тем к большему объему памяти может обращаться процессор. Если шина содержит п адресных линий, то процессор может использовать ее для обращения к 2 n различным ячейкам памяти. Однако с увеличением разрядности шины увеличивается уровень помех, что препятствует повышению тактовой частоты шины. (и соответственно росту производителности). 2/1/2018 каф. АОИ 24

Ширина адресной шины n n n Проблема заключается в том, что для широких шин требуется больше проводов, чем для узких. Они занимают больше физического пространства (например, на материнской плате), и для них нужны разъемы большего размера. Все эти факторы делают шину дорогостоящей. Следовательно, необходим компромисс между максимальным объемом доступной памяти и стоимостью системы. Система с шиной, содержащей 64 адресные линии, и памятью в 232 байт будет стоить дороже, чем система с шиной, содержащей 32 адресные линии, и такой же памятью в 232 байт. Дальнейшее расширение не бесплатное. 25

Увеличение разрядности адресной шины n Первая модель IBM PC содержала процессор 8088 и 20 -разрядную адресную шину (рис. а). Шина позволяла обращаться к 1 Мбайт памяти. 26

Методы повышения пропускной способности n Увеличение пропускной способности можно получить двумя способами: n сократить время цикла шины (сделать большее количество передач в секунду) n увеличить ширину шины данных (то есть увеличить количество битов, передаваемых за цикл). 2/1/2018 каф. АОИ 27

Проблема совместимости n n При увеличении скорости работы шины возникает еще одна проблема: в этом случае она становится несовместимой с предыдущими версиями. Старые платы, разработанные для более медленной шины, не могут работать с новой. Такая ситуация невыгодна для владельцев и производителей старых плат. Поэтому обычно для увеличения производительности просто добавляются новые линии. 28

Мультиплексная шина n n 2/1/2018 Чтобы обойти эту проблему, разработчики иногда отдают предпочтение мультиплексной шине. В этой шине нет разделения на адресные и информационные линии. Сначала эти линии используются для адресов, затем — для данных. Объединение линий сокращает ширину и стоимость шины, но система работает при этом медленнее. каф. АОИ 29

Арбитраж шины n «Что происходит, когда задающим устройством шины становятся два или более устройства одновременно? » . n Чтобы предотвратить хаос, который может при этом возникнуть, нужен специальный механизм, называемый арбитражем шины. n Арбитраж может быть централизованным или децентрализованным. 2/1/2018 каф. АОИ 30

Централизованный арбитраж n n В данном примере один арбитр шины определяет, чья очередь следующая. Шина содержит одну линию запроса (монтажное ИЛИ), которая может запускаться одним или несколькими устройствами в любое время.

Децентрализованный арбитраж n n Используются только три линии независимо от того, сколько устройств имеется в наличии. Первая линия — монтажное ИЛИ. Она требуется для запроса шины. Вторая линия называется BUSY и означает занятость. Она запускается текущим задающим устройством шины. Третья линия служит для арбитража шины. Она последовательно соединяет все устройства

Децентрализованный арбитраж n n n Когда шина не требуется ни одному из устройств, линия арбитража передает сигнал всем устройствам. Чтобы получить доступ к шине, устройство сначала проверяет, свободна ли шина, и установлен ли сигнал арбитража IN. Если сигнал IN не установлен, устройство не может стать задающим устройством шины. В этом случае оно сбрасывает сигнал OUT. Если сигнал IN установлен, устройство также сбрасывает сигнал OUT, в результате чего следующее устройство не получает сигнала IN и, в свою очередь, сбрасывает сигнал OUT. Следовательно, все следующие по цепи устройства не получают сигнал IN и сбрасывают сигнал OUT. В результате остается только одно устройство, у которого сигнал IN установлен, а сигнал OUT сброшен. Оно становится задающим устройством шины, устанавливает линию BUSY и сигнал OUT. после чего начинает передачу данных.

Шина ISA n Шина ISA представляет гобой незначительно усовершенствованный вариант шины IBM PC — первой шины для персональных компьютеров компании IBM. По соображениям совместимости она еще несколько лет назад устанавливалась во всех персональных компьютерах Intel, но впоследствии Intel и Microsoft договорились прекратить ее поддержку. n Шина IBM PC (ISA) была неофициальным стандартом систем с процессором 8088, поскольку практически все производители клонов скопировали ее. чтобы иметь возможность использовать в своих системах платы ввода-вывода от различных производителей. n Шина содержала 62 сигнальные линии, из них 20 для адресов памяти, 8 для данных и по одной для сигналов считывания информации из памяти, записи информации в память, считывания с устройства ввода-вывода и записи на устройство ввода-вывода. Имелись, кроме того сигналы для запроса и обработки прерываний, а также для прямого доступа к памяти

Шина ISA n Шина IBM PC встраивалась в материнскую плату персонального компьютера. На плате было несколько разъемов, расположенных на расстоянии 2 см друг от друга. В разъемы вставлялись различные платы. На платах имелись позолоченные выводы (по 31 с каждой стороны), которые физически подходили под разъемы. Через них осуществлялся электрический контакт с разъемами. n ISA BUS (Industry Standard Architecture) — стандартные шины IBM XT (8 бит) и AT (16 бит).

Шина XT n 1. 2. 3. 4. 5. 6. n Шина XT характеризуется следующими показателями : 8 -битовая шина данных; 20 -битовая шина адреса, что позволяет адресоваться к 220 бит (1 Мбайт) памяти; три канала прямого доступа к памяти (DMA); тактовая частота 8 МГц; пропускная способность 4 Мбайт/с; 62 -контактный разъем. Шина XT поддерживает централизованный метод арбитража, с этой целью в ней имеются общие линии запроса и ответа. Для обеспечения арбитража всем устройствам присваивается фиксированный уровень приоритета. В настоящее время XT не применяется.

Шина XT n n Если бы компания IBM решила оставить прежнюю шину с 20 адресными линиями и 8 линиями данных, то процессор80286 не смог бы реализовать вое свои возможности (например, возможность обращаться к 16 Мбайт памяти и передавать 16 разрядные слова). В результате было принято решение усовершенствовать прежнюю шину. Сменные платы персональных компьютеров содержали краевой разъем (62 контакта), но этот краевой разъем проходил не по всей длине платы. Поэтому на плате поместили еще один краевой разъем, смежный с главным. Схемы PC/AT были разработаны таким образом, чтобы можно было подсоединять платы обоих типов.

Шина АТ. n В компьютерах IBM PC/AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. Параметры шины AT: n 6 -битовая шина данных; n 24 -битовая шина адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт памяти; n 8 каналов прямого доступа (DMA); n тактовая частота 8— 16 МГц. n Максимальная скорость передачи данных составляет 8 Мбайт/с (8 МГц х 16 бит= 128 Мбит/с), 128 Мбит/с : 2 (передача данных требует от 2 до 8 тактов) = 64 Мбит/с = 8 Мбайт/с. n Для шины ISA выпускаются два типа плат расширения — 16 -и 8 разрядные.

Шина ISA n Шина ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура), которая, по существу, представляет собой шину PC/AT, работающую на частоте 8, 33 МГц. n Максимальная частота передачи данных шины ISA 8, 33 МГц. Она способна передавать два байта за цикл, поэтому ее максимальная пропускная способность составляет 16, 7 Мбайт/с.

Шина EISA n n n Позднее шина ISA была расширена до 32 разрядов. Шина EISA может передавать 4 байта за цикл. Ее пропускная способность достигает 33, 3 Мбайт/с. У нее появились некоторые новые особенности (например, возможность параллельной обработки). Такая шина получила название EISA (Extended Industry Standard Architecture — расширенная стандартная промышленная архитектура). Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture). Шина EISA явилась «асимметричным ответом» производителей клонов PC на попытку IBM поставить рынок под свой контроль путем выпуска МСА.

Шина PCI n n В 1990 году компания Intel разработала новую шину с гораздо более высокой пропускной способностью, чем у шины EISA. Эту шину назвали PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Компания Intel запатентовала шину PCI и сделала все патенты всеобщим достоянием, так что любая компания могла производить периферийные устройства для этой шины без каких -либо выплат за право пользования патентом. Все эти действия привели к тому, что шина PCI стала чрезвычайно популярной. Разработка шины PCI закончилась в июне 1992 г. как внутренний проект корпорации Intel.

Шина PCI n Первая шина PCI передавала 32 бита за цикл и работала на частоте 33 МГц (время цикла — 30 нc), общая пропускная способность составляла 133 Мбайт/с. В 1993 году появилась шина PCI 2. 0, а в 1995 году - PCI 2. 1. n Шина PCI 2. 2 подходит и для портативных компьютеров (где требуется экономия заряда батареи). n В конце концов, удалось получить шину PCI, которая работает на частоте 66 МГц, способна передавать 64 бита за цикл, а ее общая пропускная способность составляет 528 Мбайт/с. n При такой производительности полноэкранное видео вполне достижимо (предполагается, что диск и другие устройства системы справляются со своей работой). Во всяком случае, шина PCI не является «узким местом» системы.

Шина PCI

Основные возможности шины следующие: n Синхронный 32 - или 64 -разрядный обмен данными (64 -разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, т. е. адрес и данные передаются по одним и тем же линиям; n Частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2. 1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима) — 132 Мбайт/с (32 -бит/ЗЗ МГц); 264 Мбайт/с (32 -бит/66 МГц); 264 Мбайт/с (64 -бит/ЗЗ МГц); 528 Мбайт/с (64 -бит/66 МГц). При этом для работы шины на частоте 66 МГц необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте; n Полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине); Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео, звук и т. д. ); n

Архитектура систем класса Pentium 1 n Ключевыми компонентами данной архитектуры являются мосты между шинами (эти микросхемы выпускает компания Intel — отсюда такой интерес к проекту). n Мост PCI связывает центральный процессор, память и шину PCI. n Мост ISA связывает шину PCI с шиной ISA, а также поддерживает один или два IDE-диска.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт). n n n Несмотря на разрядность и скорость шины PCI, оставалась задача, которая выходила за пределы ее возможностей, — передача графической информации. Если адаптер CGА (4 = 22 цвета, экран 320 х. 200 точек, частота 60 Гц) требует пропускную способность 2 х 320 х 200 х 60 = 7 680 000 бит/с = 960 Кбайт/с, то адаптер XGA (216 цветов, экран 1024 x 768 пикселей, частота 75 Гц) требует 16 х 1024 х х 758 х 75 = 9 433 718 400 бит/с « 118 Мбайт/с. В то же время пиковая пропускная способность PCI тогда составляла до 132 Мбайт/с.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт).

Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт). n n n Ее первая версия, AGP 1. 0, работала на скорости 264 Мбайт/с, и эта величина была принята за 1 х. Недостаток скорости (по сравнению с PCI) компенсировался узкой специализацией на управлении графическим адаптером. Впоследствии были разработаны новые версии шины в частности, AGP 3. 0 работает на скорости 2, 1 Гбайт/с (8 х).

AGP 8 -x n На сегодняшний день существует стандарт AGP 8 -х (поддерживаемый чипсетами Intel и Via), позволяющий повысить пропускную способность до 2 Гбайт/с.

Модификации шины PCI n Известны также более поздние разновидности — PCI-X и PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA — стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др.

Шина PCI Express n Возможностей шины PCI вполне достаточно для большинства современных приложений, однако потребность в ускорении ввода-вывода постепенно дезорганизует некогда стройную внутреннюю архитектуру ПК. n Суть проблемы заключается в том, что со временем появляется все больше устройств ввода-вывода, требования, по быстродействию которых не соответствуют возможностям шины PCI. n Еще один недостаток шины PCI состоит в чрезмерных габаритах плат

Архитектура PCI Express n Суть технологии PCI Express заключается в замене параллельной шины с ее многообразием задающих и подчиненных устройств высокоскоростными двухточечными последовательными соединениями.

Архитектура PCI Express n n Шина должна вобрать в себя все интерфейсы, на которые поделена базовая платформа современного ПК. Ведь вследствие недостаточной пропускной способности PCI оказалась вытесненной на периферию, а взаимодействие со всеми прочими подсистемами ввода/вывода (например, интегрированными сетевыми адаптерами класса Gigabit Ethernet), контроллерами памяти и графическими подсистемами осуществляется с помощью специальных шин. Согласно новой идеологии центральным коммуникационным хабом материнской платы станет Root Complex. Этот узел является точкой соприкосновения трех интерфейсов: шины памяти, PCI Express и процессорной шины.

Архитектура PCI Express n n n Основная идея такова: по сути, ПК - это набор микросхем процессора, памяти и устройств ввода-вывода, которые необходимо соединить между собой. С учетом этого обстоятельства PCI Express выполняет роль универсального коммутатора, соединяющего микросхемы по последовательным каналам. Новым элементом здесь является подключенный к мосту коммутатор (иногда он встраивается непосредственно в микросхему моста). Между каждой микросхемой устройства ввода-вывода, с одной стороны, и коммутатором, с другой, устанавливается двухточечное соединение. Любое такое соединение состоит из двух однонаправленных каналов — по одному в каждом из направлений между устройством и коммутатором. Каналы состоят из двух проводов (сигнального и заземляющего), что обеспечивает высокую помехозащищенность в ходе высокоскоростной передачи сигналов.

Архитектура PCI Express n n n Технологию, примененную в PCI Express, именуют симплексной, и это означает, что данные передаются одновременно в обоих направлениях по двум парам проводов или дорожке (Lane). Иначе схему можно называть дифференциальным дуплексом. Первая версия стандарта специфицирует пропускную способность одного симплексного канала как 2, 5 Gbps в одну сторону или 5 Gbps в обе. PCI Express, как и следовало ожидать, полностью соответствует требованиям спецификаций PCI Bus Power Management Interface Specification 1. 1 и ACPI 2. 0. Управление энергопотреблением выполняется отдельно на уровне каждого соединения. Есть несколько состояний энергопотребления: L 0 s, L 1, L 2 и L 3.

Архитектура PCI Express n n n Третье отличие меньше бросается в глаза. Концептуальная модель, на которой основана шина PCI, сводится к тому, что задающее устройство шины передает подчиненным устройствам команды на чтение слова или блока из нескольких слов. PCI Express основывается на другом принципе, предусматривающем отправку пакетов данных от одного устройства другому. Поскольку к базовому коммутатору можно подключить другой коммутатор, сформировав, таким образом, древовидную структуру, повышается степень расширяемости системы. Кроме того, устройства в рамках PCI Express поддерживают «горячее» подключение, а значит, их можно снимать и монтировать непосредственно в процессе работы.

Слоты PCI Express n n С аппаратной точки зрения разъемы PCI Express будут включать в себя 4 разновидности набора контактов, поддерживающих 1, 4, 8 или 16 соединений. При этом карты с меньшим количеством контактов допускается устанавливать в большие слоты. По желанию конструктора плат расширения они могут поддерживать горячее подключение. Предусмотрено три набора контактов питания: +3, 3 В -- основное, +3, 3 В -- вспомогательное (aux) и +12 В. Напряжения были выбраны из соображения совместимости с ныне выпускаемой логикой. Отдельная спецификация определяет внешний вид разъемов PCI Express для мобильных устройств.

Пропускная способность n Впрочем, у PCI Express есть один недостаток: чем больше линий PCIe, тем выше энергопотребление чипсета. Именно по этой причине чипсеты с 40 и большим количеством линий PCI Express требуют больше энергии. Как правило, 16 дополнительных линий PCI Express увеличивают энергопотребление современных чипсетов на 10 Вт.

Стек протоколов PCI Express n Следуя модели сети с коммутацией пакетов, технология PCI Express реализуется на основе многоуровневого стека протоколов.

Шина Гипер-транспорт n n n Контроллер Hyper. Tramport. Фирмой AMD (процессор Hammer) была предложена архитектура Гипер. Транспорт (Hyper. Transport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации многопроцессорных систем. Устройства, связываемые по шине Гипер. Транспорт, соединяются по принципу «точка—точка» (peer-to-peer), что подразумевает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Пропускная способность шины Гипер. Транспорт меняется от 200 Мбайт/с (частота 200 МГц и два 2 -битовых канала) до 12, 8 Гбайт/с (частота 800 МГц и два 32 -битовых канала)

Шина Гипер-транспорт n Разводка Гипер. Транспорт экономичнее, чем у традиционных шин — достаточно сравнить площади, занимаемые на системной плате шиной AGP 8 х с пропускной способностью 2 Гбайт/с и Гипер. Транспорт (до 6, 4 Гбайт/с).

Шина Гипер-транспорт

Шина USB n Шины PCI и PCI Express очень хорошо подходят для соединения высокоскоростных периферийных устройств, но использовать интерфейс PCI для низкоскоростных устройств ввода-вывода (например, мыши и клавиатуры) было бы слишком дорого. n В 1993 году представители семи компаний (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Nothern Telecom) собрались вместе, чтобы разработать шину, оптимально подходящую для подсоединения низкоскоростных устройств. Потом к ним примкнули сотни других компаний. Результатом их работы стала шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), которая сейчас широко используется в персональных компьютерах.

Шина USB n n 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Некоторые требования, изначально составившие основу проекта: пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах; пользователи не должны открывать компьютер, чтобы установить новые устройства ввода-вывода; должен существовать только один тип кабеля, подходящий для соединения всех устройств; устройства ввода-вывода должны получать питание через кабель; должна быть возможность подсоединения к одному компьютеру до 127 устройств; система должна поддерживать устройства реального времени (например, звуковые устройства, телефон); должна быть возможность устанавливать устройства во время работы компьютера; должна отсутствовать необходимость перезагружать компьютер после установки нового стройства; производство новой шины и устройств ввода-вывода для нее не должно требовать больших затрат.

Шина USB n n 1. Некоторые требования, изначально составившие основу проекта: пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах;

Шина USB n Протокол USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) был разработан в качестве альтернативы протоколам последовательной и параллельной передачи данных. Стандарт USB 1. 0 вступил в действие в январе 1996 года. Как видно из табл. A, с тех пор и до публикации стандарта USB 2. 0 прошло довольно много времени.

Интерфейс USB 2. 0 n n n Интерфейс USB, название которого переводится как «универсальная последовательная шина» практически вытеснил все морально устаревшие внешние интерфейсы для подключения периферии к компьютеру, возведя в ранг само собой разумеющихся такие функции, как «горячее» подключение, автоматическая индентификация и установка драйверов, простое расширение количества портов, подключение устройств по цепочке. Тем не менее на сегодня у USB имеются недостатки, и самым главным из них является низкая пропускная способность. Все мы знаем, что интерфейс USB версии 2. 0 поддерживает режим работы High Speed, обеспечивающий в теории скорость обмена в 480 Мбит/с (около 60 МБ/с). Но из-за особенностей протокола обмена данными и архитектурных решений, примененных в USB, реализовать такую скорость на практике не представляется возможным. Максимум, что мы можем получить от USB 2. 0, — это порядка 35— 38 МБ/с. Этой пропускной способности уже не хватает внешним накопителям, особенно настольным жестким дискам, которые сегодня способны выдавать данные с постоянной скоростью выше 150 МБ/с.

Интерфейс USB 2. 0 n Для протокола USB предусмотрены четыре типа скоростей передачи данных, которые не следует путать с четырьмя версиями самого протокола. В каждой последующей версии стандарта USB вводилась новая скорость передачи данных при поддержке всех предыдущих. В табл. B перечислены типы скоростей, поддерживаемые четырьмя версиями протокола USB.

Интерфейс USB 3. 0 получил статус официального в 2008 году, но на рынок реально пришел в конце 2009 -го. Как и раньше, он был разработан корпорацией Intel при поддержке консорциума USB IF. При создании новой версии универсального интерфейса разработчики ставили перед собой сразу четыре противоречивые задачи: 1) повысить скорость подключения устройств как минимум в 10 раз; 2) обеспечить полную совместимость с USB 2. 0 как для устройств, так и для хоста; 3) обеспечить экономичный расход энергии шиной и устройствами; 4) улучшить возможности питания устройств по интерфейсу USB. n

Шина USB 3. 0 n n n n Super. Speed — повышенная скорость передачи сигнала на уровне 5 Гбит/с (625 Мбайт/с); двухшинная архитектура — шина Low-Speed/Full. Speed/High-Speed плюс шина Super. Speed; асинхронная передача данных вместо передачи данных по запросу; двойная симплексная передача данных в двух направлениях одновременно для обеспечения скорости Super. Speed вместо полудуплексной однонаправленной передачи данных; поддержка потоковой передачи данных; технология Sync-N-Go для быстрой передачи данных; поддержка более высоких мощностей электропитания; улучшенная система управления питанием.

Интерфейс USB 3. 0 Скорость n n n Интерфейс USB 3. 0 — это фактически новый интерфейс, сохраняющий совместимость с прежними вариантами реализации универсального интерфейса. Принцип кодирования и модуляции был позаимствован у современных последовательных интерфейсов PCI Express и Serial ATA, хотя протокол обмена данными совершенно другой. Архитектурно USB 3. 0 представляет собой все тот же хост -центрический интерфейс с физической топологией «многоуровневая звезда» , но с логической топологией «шина» (все устройства равноудалены от центра и нумеруются последовательно). Для оптимизации прохождения трафика введена маршрутизация, которую осуществляют хабы (включая корневой хаб, объединенный с контроллером).

Интерфейс USB 3. 0 Скорость n n n Пропускная способность USB 3. 0 первой версии составляет 5 Гбит/с (как у шины PCI Express 2. 0), или около 500 МБ/с. Однако это еще не предел, и разработчики заявляют о возможности безболезненного масштабирования скорости в несколько раз. При этом больше не потребуется пересматривать основы интерфейса, как это было сделано с USB 3. 0. Для реализации требуемой пропускной способности не удалось использовать прежний электрический интерфейс, и USB 3. 0 фактически представляет собой два различных интерфейса. Разъемы и кабели содержат электрические линии как старого USB 1. 0/2. 0, так и нового USB 3. 0. Соответственно, новый интерфейс (режим работы) получил название Super. Speed, или сокращенно SS. При подключении устройств на стадии согласования скоростей выбирается один из двух интерфейсов. При этом в режиме Super. Speed из прежнего интерфейса USB 2. 0 используется только питание.

Интерфейс USB 3. 0 n Для обеспечения нормальной работы схемы «двойного» интерфейса пришлось придумать особые разъемы, которые, с одной стороны, были бы полностью совместимы с портами USB 1. 0/2. 0, а с другой — обеспечивали возможность использования нового интерфейса.

Интерфейс USB 3. 0 n Кабель USB 3. 0 содержит как неэкранированные линии старого интерфейса, так и экранированные — нового. В первой версии интерфейса линии по-прежнему электрические, однако стандарт допускает в перспективе их замену на оптические, с добавлением нового вида разъемов.

Интерфейс USB 3. 0 n n n Как известно, в интерфейсе USB предусмотрено два вида портов — Type A и Type B. Это не прихоть разработчиков, а особенность реализации хостцентрического интерфейса, в котором имеется четкая иерархия: хост (вычислительное ядро) полностью управляет всеми устройствами, подключенными к нему. Поскольку одно и то же физическое устройство может выполнять функции и хоста, и периферийного устройства, порты пришлось сделать разными во избежание путаницы. Порт типа А (нисходящий) принадлежит хосту, к нему подключаются периферийные устройства. В стандарте USB 3. 0 дополнительные контакты нового интерфейса реализованы за счет варьирования глубины их расположения в разъеме.

Интерфейс USB 3. 0 n n Как известно, в интерфейсе USB предусмотрено два вида портов — Type A и Type B. Внешне разъем выглядит почти так же (производители могут маркировать их цветом, обычно синим), но в его глубине можно обнаружить новые контактные площадки. Порт типа A допускает установку как старого кабеля, так и нового, с линиями Super. Speed.

Интерфейс USB 3. 0 n n Как известно, в интерфейсе USB предусмотрено два вида портов — Type A и Type B. Порт типа B (восходящий) располагается на периферийном устройстве, для которого по каким-либо соображениям желательно использовать отсоединяемый, а не фиксированный кабель. В данном случае дополнительные контакты расположены рядом с основными, с изменением формы розетки и вилки.

Интерфейс USB 3. 0 n Кроме того, в стандарте USB 3. 0 появилась возможность подачи дополнительного питания на устройство (до 5 Вт), с одновременным увеличением мощности, подаваемой по основным линиям питания (до 4, 5 Вт). Для этих целей разработан особый вид разъема — Powered Type A/Type B.

Интерфейс USB 3. 0 n Для компактных и портативных устройств создан разъем Micro USB 3. 0, который представляет собой фактически два разъема рядом (из-за высокой плотности основной разъем не удалось дооснастить новыми контактами). Также сохранилась функция USB OTG, благодаря которой через один разъем можно подключать устройство и как хост, и как периферию.

Интерфейс USB 3. 0 n Для достижения максимальной суммарной длины допустимо соединение шести кабелей с помощью пяти концентраторов. На практике кабель самого USBустройства учитывается как один из этих шести, уменьшая тем самым максимальную суммарную длину.

Интерфейс USB 3. 0 Энергопотребление n n Для снижения энергопотребления проделана большая работа, которая заключается в изменении самих принципов взаимодействия хоста с устройствами. Каждая из линий подключения устройств может находиться в одном из 4 состояний, характеризующихся различным энергопотреблением. Пересылка всего трафика через все линии и порты, сделанная в USB 1. 0/2. 0 для упрощения логики работы хабов, отменена — хабы осуществляют маршрутизацию, посылая пакеты только в те порты, которые необходимы для достижения конкретного устройства. Кроме того, хаб с упреждением информирует каждое устройство об ожидаемой нагрузке, а значит, устройство способно самостоятельно управлять линией, по которой оно подключено к хабу. Динамически меняя состояние линий, вся шина может существенно сэкономить энергию, которая в данном случае не расходуется зря.

Итого USB 3. 0 n n n 1) USB 3. 0 — это совершенно новый интерфейс, реализованный параллельно со старым. 2) Совместимость с USB 2. 0 сохраняется в полном объеме. 3) Для работы USB 3. 0 требуется новый кабель, содержащий новые разъемы и дополнительные линии. По стоимости он будет существенно отличаться от старого. 4) Хабы USB 3. 0 реализуют более сложную логику, а потому будут ощутимо дороже. 5) Помимо достижения более высокой скорости (в 10, 4 раза выше, чем у USB 2. 0), новый интерфейс обеспечит более экономный расход энергии, что актуально для мобильных систем.