Системные (машинные или ввода-вывода или внутренние) интерфейсы

Предназначен для передачи информации между основными компонентами компьютера: микропроцессором, оперативной памятью и другими устройствами. Все внешние устройства подключаются к шине непосредственно через соответствующие специфические адаптеры (контроллеры).

Скорость системной шины вместе с другими параметрами ПК является важным фактором, влияющим на скорость работы компьютера.

Для увеличения производительности системы используются локальные шины (local bus), связывающие процессор непосредственно с контроллерами периферийных устройств и тем самым увеличивающие общее быстродействие ПК. Фирмы-разработчики системных плат предусматривают возможность комбинации системных и локальных шин.

Материнские платы можно классифицировать по типу применяемой в них системной шины.

ISA. Одна из первых системных шин ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) 8-ми или 16-ти разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA (рисунок 10). Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах.

Рисунок 10 – 5 разъёмов 16-битной и 1 разъём 8-битной шины ISA

Рисунок 11 – Видеокарта на шине ISA

VESA local bus. В 1992 г. ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA — Video Electronics Standards Association) была разработана локальная шина VESA local bus — VL-Bus или VLB для ПК с процессором фирмы Intel. Данная шина, по существу, является расширением внутренней шины МП Intel 80486 для связи с видеоадаптером и реже с контроллером жесткого диска (рисунок 12). Реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая — 132 Мбайт/с). С появлением шины PCI и процессоров Intel Pentium необходимость в ее использовании исчезла.

Рисунок 12 - Слоты справа шины ISA, с лева – шины VLB

PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32-разрядная шина соединения внешних устройств фирмы Intel (рисунок 13). Более 10 лет использовалась в ПК. Интерфейс PCI предусматривает тактовую частоту шины 33 МГц (вариант PCI 2.2 - до 66 МГц, PCI-X - до 133 МГц), что обеспечивает пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с (до 1064 Мбайт/с для 64-разрядных данных на частоте 133 МГц). С его помощью подключают к материнской плате устройства расширения: звуковые карты, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты и прочие компоненты. Данный интерфейс является параллельным.

Рисунок 13 – PCI –слоты

 

AGP (Accelerated Graphic Port). Фирма Intel, обнаружив, что дальнейшее повышение производительности персонального компьютера «упирается» в видеоподсистему, предложила выделить для передачи потока видеоданных отдельную интерфейсную шину - ускоренный графический порт (AGP). AGP 1x работает на частоте 66 МГц и позволяет передать до 266 МБ/с в режиме передачи 32-раpрядного слова. AGP 4x обладает пропускной способностью 1064 МБ/c, а AGP 8x – 2128 МБ/с. На рисунке 14 приведена фотография данного интерфейса. AGP является параллельным интерфейсом.

Рисунок 14 - AGP-слот с защёлкой для графической карты

На замену интерфейсам PCI и AGP пришел интерфейс PCI Express (PCIe).

PCI Express (PCIe). Является последовательным интерфейсом для графических карт. В то же время, он подходит и для установки других карт расширения. PCIe x16 обеспечивает в два раза большую пропускную способность, чем AGP 8x. Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных. Масштабируемость шины достигается кратным (1, 2, 4, 8, 16, 32) увеличением числа линий. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит.

Рисунок 15 - PCI Express: последовательная шина

Рисунок 16 – Графическая карта AGP (сверху) в сравнении с графической картой PCI Express (снизу)

Число линий PCI Express	Пропускная способность в одном направлении	Суммарная пропускная способность
	256 Мбайт/с	512 Мбайт/с
	512 Мбайт/с	1 Гбайт/с
	1 Гбайт/с	2 Гбайт/с
	2 Гбайт/с	4 Гбайт/с
	4 Гбайт/с	8 Гбайт/с

 

Интерфейсы накопителей:

Существует два основных интерфейса:

IDE (Integrated Drive Electronics) – электроника интегрированных накопителей для обычных компьютеров, параллельный интерфейс;

SCSI (Small Computer Systems Interface) – интерфейс маленьких компьютерных систем для высокопроизводительных компьютеров.

IDE

В IDE используется стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совмещенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной (отсюда и название интерфейса). В результате параметры диска (число головок/дорожек/секторов) для устройств IDE уже имеют некий абстрактный смысл, непосредственно не связанный с физическими параметрами накопителя. Трансляцию логических параметров в физические и осуществляет электроника диска.

В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин ATA (AT Attachment).

Физически интерфейс IDE реализован при помощи плоского N-жильного кабеля. Каждый такой кабель позволяет подключать, максимум, два накопителя, когда один работает в режиме "master", а второй - в "slave" (рисунок 17).

Рисунок 17

Рисунок 9 – Подключение DVD-привода

Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. Сначала основным способом обмена был режим PIO (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода/вывода. Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти материнской платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор.

Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.

Официальные названия стандартов на интерфейсах семейства IDE: ATA (IDA), ATA-2 (Fast ATA-2) и ATA/ATAPI-4 (Ultra ATA).

Например, Ultra ATA 133 использует 80-жильный кабель и позволяет передавать данные со скоростью до 133 МБ/с.

Дальнейшее развитие технологии стал последовательный Serial ATA (SATA) (рисунки 18, 19).

Рисунок 18 – Четыре порта SATA на материнской плате

Рисунок 19 – Кабель SATA

Первое поколение SATA (Generation 1) характеризуется сменой параллельного интерфейса на последовательный, большей пропускной способностью (до 150 Мб/с), уменьшением самого кабеля, улучшением электромагнитных свойств, отказом от концепции Master/Slave и рядом других положительных качеств.

Спецификация следующего поколения Serial ATA II (SATA II) предусматривает более высокую скорость передачи данных (до 384 МБ/с). Данный интерфейс обеспечивает управление вентилятором жесткого диска, оповещение о подключении новых устройств, считывание информации с температурного датчика, а также работу индикаторов состояния.

SCSI

Данный интерфейс позволяет подключать к стандартному контроллеру до шестнадцати устройств, в том числе разнородных: жесткие диски, сканеры и т.д. Интерфейс Ultra320 SCSI имеет скорость передачи 320 МБ/с, количество поддерживаемых устройств - 16, длина кабеля 6 м, разрядность – 16 бит. Винчестеры SCSI более производительны, однако имеют более высокую цену, что обусловлено необходимостью применения специальных контроллеров. Поэтому они мало распространенны, в основном их применение целесообразно в серверах, где необходима надежность и высокая скорость передачи данных, невзирая на стоимость.

 

4.6.2 Внешние интерфейсы (интерфейсы периферийных устройств)