ИНТЕРФЕЙС — совокупность средств сопряжения и связи устройств

ИНТЕРФЕЙС - совокупность средств сопряжения и связи устройств ЭВМ, обеспечивающая их эффективное взаимодействие Интерфейсы системной шины

Как осуществляется обмен данными? 1. На механическом уровне: число проводов, элементы связи, типы соединений, размеры и формат разъемов, номера используемых контактов и т. п. 2. На логическом уровне: вид, длительность и частота сигналов, их полярность и амплитуда, протоколы взаимодействия.

Системная шина представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. В качестве системной шины в ПК используются: l шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств, l локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса. l

Системная шина представляет собой один или несколько реализованных интерфейсов В современных ЭВМ значительно повысилось быстродействие МП, увеличились объемы и быстродействие оперативной памяти, появились новые виды внешних устройств. Системная шина стала «узким» местом ЭВМ, поскольку все устройства, подключенные к ней, начали конкурировать за возможность передавать по ней свои данные. По этой причине архитектура современных системных шин включает в себя несколько интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие устройств ЭВМ на различных уровнях.

Конструктивно выполняются в виде щелевых разъемов (слотов) на материнской плате для установки плат адаптеров. l Типы шин и их характеристики Тип/хар-ка Разрядность Пропускная данных способность /Разрядность (Мбайт/с) адреса (бит) Тактовая частота (МГц) ISA Промышленный стандарт 8, 16 / 20, 24 до появления 32 разрядных ПК 4 -16 8 EISA Расширенная ISA 32 / 32 33 8 -33 PCI Локальная шина, выполняющая часть функций шины расширения, фактический стандарт 32, 64 / 32 132, 264 33, 66, 100, 133 AGP Локальная шина для подключения видеоадаптеров 32 / 32 264, 528, 1056 66

1. Процессорная шина (frontside bus, system bus) Используется для связи микропроцессора с северным мостом, через который осуществляется его связь с оперативной памятью (см. ниже). Тактовую частоту этой шины, нередко называют внешней частотой микропроцессора. На сегодняшний день компания Intel использует для связи своих процессоров с чипсетом интерфейс QPI (Quick. Path Interconnect), который теоретически способен обеспечивать скорость передачи информации свыше 10 гигабайт в секунду. Это позволяет использовать интерфейс QPI также и для связи между ядрами процессора.

Чипсет – набор управляющих интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется функциональный блок вычислительной системы, отвечающих за взаимодействие всех компонентов системного блока, связующее звено между всеми компонентами системной платы. В классическом варианте чипсет состоит из двух микросхем, называемых «северный мост» (North bridge) и «южный мост» - (South bridge). Определения «северный» и «южный» микросхемы получили из-за своего местоположения на системной плате - первый, соответственно, вверху, ближе к процессору и модулям памяти, второй внизу, в районе слотов расширения и разъемов контроллера IDE. Что касается слова «мост» - то набор из этих двух микросхем представляет собой как бы систему мостов, объединяющих все контроллеры и периферийные устройства.

Архитектура North/South Bridge n Северный мост обеспечивает управление четырьмя компонентами: шиной оперативной памяти, интерфейсными шинами РСI, AGP (или PCI Exp х16) и системной шиной МП. n Южный мост имеет в своем составе контроллеры (адаптеры) дисководов, клавиатуры, мыши; управляет интерфейсными шинами IDE/ATA, SCSI, USB, SATA, SAS, IEЕЕ 1394 a, РСI Exp х1.

Основные интерфейсы системной шины ПК

Северный и южный мосты чипсета системной платы

2. Шина памяти – соединяет северный мост с оперативной памятью Раньше тактовые частоты шины памяти и процессорной шины совпадали. Сейчас существует возможность изменить соотношение между указанными частотами от 1: 1 до, например, 5: 4 (т. е. шина памяти будет работать с частотой на 25% выше). Следует помнить, что в общем случае производительность ЭВМ с рассогласованным соотношением указанных частот может сильно колебаться.

3. Локальные шины Данные шины относятся к шинам второго уровня и обеспечивают взаимодействие различных устройств с центральным процессором (через северный мост), а также между собой и с другими внешними устройствами (через южный мост). К современным стандартам локальных шин относится интерфейс PCI -Express, разработка которого была закончена в 2002 году. Он приходит на смену интерфейсам PCI (Peripheral Component Interconnect) и AGP (Accelerated Graphics Port).

Интерфейс PCI Разработан компанией Intel в 1993 году и позволял подключение до 10 устройств. Тактовая частота шины PCI – 33 МГц, разрядность – 32 бита, пиковая скорость передачи данных – 132 Мб/с. Тактовая частота шины PCI – 66 МГц, разрядность – 64 бита, пиковая скорость передачи данных – 528 Мб/с. Интерфейс шины PCI предусматривал поддержку режимов Plug-and-Play, а также Bus Mastering (управление транзакциями шины), что обеспечивало независимость шины от процессора и позволило существенно повысить производительность компьютера. В современных ПК PCI-шины – это самый медленный способ для обмена данными, поэтому он используется только для подключения внешних устройств (внутренний модем, сетевая карта, адаптеры беспроводной связи и т. п. ) к южному мосту.

Шина PCI (Peripheral component interconnect) – шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера Спецификация шины PCI - частота шины — 33, 33 или 66, 66 МГц, передача синхронная; - разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям); - пиковая пропускная способность для 32 -разрядного варианта, работающего на частоте 33, 33 МГц — 133 Мбит/с; - адресное пространство памяти — 32 бита (4 байта); - адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 байта); - конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт; - напряжение 3, 3 или 5 В. На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). Классический 32 -битный слот PCI справа, а три 64 -битных слота PCI-X слева

Шина PCI (Peripheral component interconnect)

Шина PCI-X Осенью 1998 года Compaq, Hewlett. Packard и IBM предложили расширить имеющуюся спецификацию PCI. Получившая название PCI-X, эта спецификация опирается на существующую технологию PCI, но за счет ряда усовершенствований протокола она позволяет значительно увеличить производительность шины: при частоте 133 МГц и ширине 64 бит ее максимальная пропускная способность составляет свыше 1 Гбайт, а именно 1066 Мбит/с. Развитие версии PCI 64. Для всех вариантов шины существуют следующие ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66 МГц — 4, 100 МГц — 2, 133 МГц — 1 (или 2, если одно или оба устройства не находятся на платах расширения, а уже интегрированы на одну плату вместе с контроллером), 266, 533 МГц и выше — 1

Интерфейс AGP Предназначен для подключения видеоадаптера к северному мосту с прямым выходом на микропроцессор и системную память. Построенная на основе одной из последних версий стандарта PCI, шина AGP может работать с частотой до 133 МГц/с, обеспечивая довольно высокую скорость передачи видеоданных. Пиковая пропускная способность шины AGP в режиме восьмикратного умножения (когда передается 8 блоков данных за один такт) достигает 2112 Мб/с. Кроме того, стандарт AGP включил в себя некоторые технологические усовершенствования, позволяющие осуществлять работу и взаимодействие видеоустройства с оперативной памятью более эффективно.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port) — специализированная 32 -битная системная шина для видеокарты (для передачи графической информации) Данные шины взаимодействуют непосредственно с четырьмя источниками информации: - процессор (кэш-память 2 -го уровня), - оперативная память, - графическая карта AGP, - шина PCI. Графическая карта AGP (сверху) в сравнении с графической картой PCI Express (снизу).

Интерфейс PCI Express является самым современным стандартом среди интерфейсов локальной шины, данная технология реализует технологию последовательной точечной связи с устройствами. Все рассмотренные ранее интерфейсы локальных шин реализовывали односвязный интерфейс, которому соответствует само понятие «шина» – среда передачи данных с подключенными к ней устройствами. Производители системных плат постепенно отказываются от устаревающих стандартов PCI и AGP, используя улучшенный интерфейс PCI Express как для связи процессора и оперативной памяти с видеоадаптером и видеопамяти (PCIex 16), так и для связи с более медленными внешними устройствами (PCIex 1). Северный и южный мосты в этом случае выступают в качестве коммутатора в сети PCI Express, соединяясь между собой выделенным PCIe каналом связи с высокой пропускной способностью.

PCI Express, или PCIe, или PCI-E - шина, использующая программную модель шины PCI и физический протокол, основанный на последовательной передаче данных Шина PCI Express поддерживает: - горячая замена карт; - гарантированная полоса пропускания (Qo. S); - управление энергопотреблением; - контроль целостности передаваемых данных. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Скорость передачи данных между узлами зависит от «толщины» канала связи, то есть от количества используемых для соединения «дорожек» (lane) (от 1 x до 16 x). Использование соединения 1 x (1 дорожка) позволяет достичь скорости до 250 Мб/с, скорость связи с максимально широким каналом достигает 4 Гб/с (!).

Использование интерфейса PCI-E Видеокарта для PCI Express x 16 Сверху вниз: PCI E x 16 (последовательный), два интерфейса параллельной PCI и PCI E x 1 (последовательный).

Использование интерфейса PCI-E

4. Шины расширений (expansion bus) Шины расширений практически не используются в современных ЭВМ. К ним относятся устаревшие на сегодняшний день стандарты ISA, EISA, VESA LB, MCA

Шины ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus, произносится как ай-сэй) — стандартная 8 -ми битная (ХТ) или 16 -ти битная разрядная шина (АТ) ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров (i 286, i 386 и i 486). Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62 -х или 98 -контактного разъёма на материнской плате. Шина ISA-ХТ: - 8 -битная шина данных, - 20 -битная шина адреса, 3 канала прямого доступа к памяти, тактовая частота 8 МГц, пропускная способность 4 Мбит/с, 62 -контактный разъем. Шина ISA-АТ: - 16 -битная шина данных, - 24 -битная шина адреса, 8 канала прямого доступа к памяти, тактовая частота 16 МГц, пропускная способность 8(16) Мбит/с, 62 -контактный разъем.

Шины EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture) — шина для IBM-совместимых компьютеров. EISA расширяет распространённую шину ISA до 32 разрядов и позволяет подключать к шине более одного ЦП. Адресное пространство, по сравнению с ISA, увеличено до 4 ГБ. Кроме того, шина поддерживает bus mastering. EISA является надмножеством ISA, поэтому, в отличие от MCA, к ней можно подключать старые платы, предназначенные для работы с 8 - и 16 - разрядными версиями ISA: имеется как электрическая, так и механическая совместимость. Основные характеристики: - 32 -битная шина данных, - 32 -битная шина адреса, 8 каналов прямого доступа к памяти, тактовая частота 8, 33 МГц, пропускная способность 33, 3 Мбит/с, 62 -контактный разъем. Поддерживает режим автоматического конфигурирования Plug&Play, шина определяет сама устройства, подключенные к разъемам расширения.

5. Периферийные шины Данный вид шин служат для подключения к системной плате внешних (периферийных) устройств. В настоящее время в ЭВМ встречаются следующие стандартные интерфейсы периферийных шин: - Интерфейс ATA (AT Attachment = IDE, Integrated Drive Electronics) - Интерфейс SATA (Serial ATA) - Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) - Последовательный интерфейс RS-232 - Параллельные интерфейсы стандарта IEEE 1284 - Интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) или интерфейс PC Card - Интерфейсы USB и Fire. Wire (стандарт IEEE 1394)

Интерфейс ATA (AT Attachment = IDE, Integrated Drive Electronics) Разработан в конце 80 -ых и изначально предназначался для подключения внешних запоминающих устройств (жестких дисков). С 1998 года принято говорить о версиях стандарта ATA/ATAPI (ATA Package Interface), обеспечивающих возможность подключения большого количества дополнительных устройств: CDROM, DVD-ROM, накопителей на магнитных лентах, гибких дисков большой емкости. На развитие интерфейса ATA повлияло развитие технологии DMA (прямого обмена данными между ОЗУ и внешним устройством без загрузки центрального процессора), которая пришла на смену обычного метода обмена данными с жестким диском с использованием процессора (PIO – Programmed Input/Output). Обычно на материнских платах реализованы два канала интерфейса ATA, к каждому из которых можно подключить до двух внешних устройств (в действующих спецификациях – device 0 и device 1, обозначения master и slave – считаются устаревшими).

Параллельная шина передаёт данные с жёстких дисков и оптических накопителей (CD и DVD) и обратно. Она известна как параллельная ATA (Parallel ATA) и сегодня уступает место последовательной ATA (Serial ATA). Последняя версия использует 40 -контактный провод с 80 жилами (половина на "землю"). Каждый такой кабель позволяет подключать, максимум, два накопителя, когда один работает в режиме "master", а второй - в "slave". Обычно режим переключается с помощью небольшой перемычки на накопителе.

Интерфейс SATA (Serial ATA) Был впервые предложен в 2003 году. Как и в случае с локальными интерфейсами PCI Express здесь наблюдается переход от низкоскоростного параллельного интерфейса (когда за один раз передается несколько – в данном случае 16 – бит информации) к высокоскоростному последовательному (когда за один раз передается 1 бит информации). Первая версия интерфейса SATA позволяет передавать данные со скоростью до 150 Мбайт/с. Кроме высокой скорости передачи данных, стандарт также содержит в себе некоторые улучшения, позволяющие повысить эффективность доступа к данным жесткого диска Сейчас уже существует второе поколение интерфейса SATA (SATA II или SATA/300), позволяющее повысить скорость обмена данными до 300 Мбайт/с, Четыре порта а в дальнейшем планируется SATA на поднять ее до 600 Мбайт/с. материнской плате

l l Внутренний интерфейс отчетливо разграничиваются на два больших класса — параллельный и последовательный. В параллельном интерфейсе кабель имеет большое количество информационных линий (обычно их число кратно 8, что соответствует целому числу байт) и по 8 бит данных передаются по ним одновременно. В последовательном интерфейсе — линия одна и биты данных передаются последовательно друг за другом. Каждый способ имеет свои преимущества. В частности, параллельный интерфейс по определению быстрее, но из-за взаимодействия между проводами вынужден использовать гораздо более короткий кабель. Достижения технологий передачи данных по последовательному интерфейсу настолько впечатляющи, что в настоящее время происходит очень быстрый процесс замены жестких дисков с параллельным интерфейсом ATA на винчестеры с последовательным интерфейсом SATA (Serial ATA).

Последовательный интерфейс стандарта RS-232 Предназначен для обмена информации с устройствами, подключенными к последовательному порту компьютера (COM-порту). Раньше последовательный порт широко использовался для подключения мыши, клавиатуры, модема и иных периферийных устройств. Сейчас его использование постепенно снижается за счет перехода к USB-интерфейсу. RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

Параллельный интерфейс стандарта IEEE 1284 Использовался для подключения к параллельному порту компьютера (LPT-порту) таких устройств как принтер, сканер, цифровые камеры и т. п. Скорость передачи данных через параллельный порт не превышает 2. 5 Мбайт/с, поэтому в настоящее время использование указанного стандарта в персональных компьютерах сходит на нет.

Интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) или интерфейс PC Card Изначально создавался как внешняя шина ноутбуков, предназначенная для расширения их (внешней) памяти. Однако постепенно интерфейс стал использоваться для взаимодействия с самыми разными периферийными устройствами для компьютеров данного класса. Интерфейс поддерживает автоконфигурирование и горячую замену устройств в процессе работы компьютера. Более современным стандартом считается интерфейс Card. Bus, разработанный на основе интерфейса PCMCIA и стандартизованный в 1997 году.

Интерфейсы USB и Fire. Wire (стандарт IEEE 1394) Относятся к универсальным последовательным интерфейсам и в настоящее время широко используются для подключения огромного количества устройств. Между ними много общего, поэтому предлагается рассмотреть их в сравнении

Характеристика Расшифровка названия Год разработки Разработчики Тип интерфейса Максимальная скорость передачи данных Макс. количество подключаемых устройств Технология взаимодействия устройств Макс. длина кабеля (без использования доп. устройств) Автоконфигурирование Возможность горячей замены Эл. питание Распространенность USB Universal Serial Bus, Универсальная последовательная шина 1996 (январь) Intel, Apple, Hewlett-Packard, Microsoft и др. последовательный До 12 Мбит/с (USB 1. 0), До 480 Мбит/с (USB 2. 0) 127 Fire. Wire «Огненный провод» последовательный До 400 Мбит/с (Fire. Wire 400), До 800 Мбит/с (Fire. Wire 800) 63 Клиент-сервер Одноранговая сеть Да Да Да Потребительские продукты (свыше 1 млрд. устройств к началу 2004 года) Да Профессиональные продукты (например, аудио/видео устройства) 1995 Apple

Универсальная последовательная шина USB – для организации соединения многочисленных и разнотипных устройств с помощью единого интерфейса l l l l Топология «многоуровневой звезды» Подключение до 127 устройств Plug-and-Play Поддержка асинхронного и изохронного режимов Скорость передачи данных 12 Мбит/с Электропитание устройств с током потребления до 500 м. А «Горячий» режим подключения Режим энергосбережения

Шина IEEE 1394 (Fire Wire) l l l l Топология «последовательной цепи» Подключение до 63 устройств Plug-and. Play Поддержка асинхронного и изохронного режимов Скорость передачи данных до 400 Мбит/с, до 800 Мбит/с Электропитание устройств с током потребления до 1, 5 А «Горячий» режим подключения Ограничение на длину кабеля < 4, 5 м

Системная шина предназначена для обеспечения передачи данных между периферийными устройствами и центральным процессором, а также оперативной памятью. Локальной шиной называется шина, непосредственно подключенная к контактам микропроцессора, т. е. шина процессора. В Ы В О Д

Внутренние интерфейсы Стандарт Типичное применение Пиковая пропускная способность ISA/EISA Звуковые карты, модемы/ сети, адаптеры SCSI 2 -8, 33 Мбит/с PCI Графические карты, адаптеры SCSI, звуковые карты новых поколений Универсальный интерфейс PCI-X PCI Express Универсальный интерфейс AGP/AGP PRO Графические карты, 3 Dграфика HT (Гипер. Транспорт) Универсальный интерфейс Примечания Практически не используется, замещается PCI Стандарт для периферийных устройств 133 Мбит/с (32 битовая шина с частотой 33 МГц) 1 Гбит/с (64 -битовая Расширение PCI, шина с частотой 133 предположенное IBM, HP, МГц) Compag. Увеличена скорость и количества устройств До 16 Гбит/с Разработка «интерфейса 3 -го поколения» , может заменить AGP. Последовательная шина 528 Мбит/с (2 -х mode) 800 Мбит/с (4 -х mode) До 32 Гбит/с Стандарт для Intel-PC начиная с Pentium II сосуществует с PCI Разработка AMD для процессоров К 7 -К 8