Глава 10. Интерфейсная система ПК

После изучения главы студент должен знать:

· системные, локальные и периферийные шины интерфейса, их назначение и основные характеристики;

· последовательные интерфейсы, в том числе перспективный интерфейс PCI Express;

· активно развивающиеся беспроводные интерфейсы: WiFi, WiMax, WiBro,

· прикладные программные интерфейсы.

Интерфейс (interface)[15] — совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обычно предусмотрены вопросы сопряжения на физическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.) и логическом (сигналы, их длительности, полярности, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, реализующие заданные протоколы управления. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом.

Внутримашинный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность микросхем, линий связи, схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

l многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными линиями связи; многосвязный интерфейс обычно применяется в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройствами ПК), дополняющего системный, а иногда и в качестве внутримашинного — как в некоторых простых компьютерах, так и в ПК при использовании высокоскоростных последовательных интерфейсов;

l односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В большинстве ПК в качествесистемного интерфейсаиспользуетсясистемнаяшина, но в перспективе ожидаются использование многосвязного интерфейса на основе PCI Express.

Шина(bus) — совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной или системнойшиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Структура и состав системной шины были рассмотрены в главе 6. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются:

· количество обслуживаемых ею устройств,

· пропускная способность (максимально возможная скорость передачи информации).

Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (существуют шины 2-х, 4-х, 8-и, 16-и, 32-х и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. Разрядностьили ширина шины (bus width) — количество каналов связи в шине, то есть число битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частоташины (bus frequency) — частота, с которой передаются последовательные биты информации по каналам связи. В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

l шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

l локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видеосистем.

В компьютерах широко используются и периферийные шины — интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно действующих устройств. Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 8.1.

Шины расширений

Шина расширения ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC XT (1981 год) и для IBM PC AT (1984 год).

Шина PC/XT — 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт, использовалась с микропроцессором (МП) 8086, 8088.

Шина PC/AT —16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с МП 80286, совместима и с МП с тактовой частотой больше 66 МГц. В последующих версиях в несколько раз увеличена тактовая частота, увеличено количество линий аппаратных прерываний с 4 до 15 и каналов прямого доступа к памяти (DMA) с 4 до 7. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. Конфигурация системы с шиной ISA показана на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Конфигурация системы с шиной ISA

С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На современных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо представлен одним-двумя слотами. Конструктивно слот ISA представляет собой разъем, состоящий из двух частей — 62-контактного и примыкающего к нему (в PC AT) 36-контактного сегментов.

Шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт. Шина работает на частоте 8–10 МГц. Теоретическая пропускная способность — 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП — кэш — ОП определяется параметрами микросхем памяти; увеличено число разъемов расширений — теоретически может подключаться до 15 устройств (практически — до 10). Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering — режим единоличного управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины на СП имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.

Шина MCA (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 году для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку компьютеры PS/2 не получили широкого распространения, в основном, ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также использовалась не очень широко.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

· стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

· появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте, поддерживаемой МП (но не на внутренней рабочей его частоте), и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.

Интерфейсы PCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов) — самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Базовая версия PCI 1.0 (IEEE 1.386 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1.386 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1.386) разработана в 1991 году фирмой Intel с целью создать шину, способную заменить все существующие, часто несовместимые шинные интерфейсы, такие как ISA, EISA, MCA, VLB. Шина PCI является более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI — 33 МГц, разрядность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расширения до 64 битов, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте — 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров.

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства.

Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами.

Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Конфигурация системы с шиной PCI

В настоящее время разработано несколько модификаций этой шины, в частности, стандарта AGP (графический вариант).

Интерфейс AGP

Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандарта PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGP8x — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения/записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основной является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти (ОЗУ), но перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видеоадаптер. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Конфигурация системы с шиной AGP

В настоящее время семейство шин PCI (кроме PCI 1.0, PCI 2.1) имеет следующие версии:

l PCI 2.2 с рабочей частотой 133 МГц и пропускной способностью 1066 Мбайт/с;

l PCI X 266 (PCI DDR – Double Data Rate) с удвоенной рабочей частотой и пропускной способностью 2100 Мбайт/с;

l PCI X 533 (PCI QDR – Quard Data Rate) с учетверенной рабочей частотой и пропускной способностью 4300 Мбайт/с;

l Compact PCI и Mini PCI для промышленных и портативных компьютеров;

l семейство последовательных интерфейсов PCI Express, которое будет рассмотрено несколько дальше.

ПРИМЕЧАНИЕ

В ближайшем будущем ожидается версия беспроводной шины wPCIe - беспроводная шина PCI-Express уже в следующем, которая обладает скоростью передачи данных до 5 Гбит/с (625 Мб/с). 

В табл. 10.1 приведены основные характеристики некоторых шин.

Таблица 10.1. Основные характеристики шин

Характеристика	ISA	EISA	MCA	PCI 1.0	AGP	AGP 3.0 4x	AGP 3.0 8x
Разрядность шины данных и адреса (бит)	16/24	32	32	32/64	32/64	64	64
Рабочая частота (МГц)	8	8–33	10–20	До 66	66/133	66	66
Пропускная способность (Мбайт/с)	16	33	76	133 266 533	533 1066 2132	2132	4264
Число подключаемых устройств (шт.)	6	15	15	10	1	2	2

Периферийные шины

Периферийные шины обеспечивают связь центральных устройств машины с внешними устройствами (дисковыми накопителями, клавиатурой, мышью, сканером и другими). Они являются внешними интерфейсами ЭВМ и отличаются  большим разнообразием. Периферийные шины IDE  (Integrated Drive Electronics), ATA  (AT Attachment — подключаемый к АТ), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Интерфейсы IDE/ATA

Интерфейс ATA, по маркетинговым соображениям получивший наименование Integrated Drive Electronics (IDE), предложен в 1988 году пользователям ПК IBM PC AT. Он ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайт (по причине организации адресного пространства в традиционной BIOS «головка-цилиндр-сектор»: 16 головок × 1024 цилиндра × 63 сектора × 512 байтов в секторе = 504 Mбайт = 528 482 304 байтов) и обеспечивает теоретическую скорость передачи данных 5–10 Мбайт/с. Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA (тоже с номерами), Ultra ATA (и их несколько), и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в литературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоящее время более 80% всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE. Кратко рассмотрим некоторые модификации.

Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE — расширенный IDE), использующий как традиционную (но расширенную) адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address — LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стандарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе CD, DVD и НКМЛ.

ATAPI (ATA Package Interface) — стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD-ROM, стримеры, сканеры и т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra ATA обслуживают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с; поддерживают технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology — технологию самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно.

UDMA (Ultra Direct Memory Access) — режим улучшенного прямого доступа к памяти. Обычный метод обмена с жестким диском IDE — это программный ввод/вывод PIO (Programmed Input/Output), при котором процессор, используя команды ввода/вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод/вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена. На материнских платах обычно реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.

Интерфейс SCSI

SCSI (Small Computer System Interface) является более сложным и мощным интерфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров — например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования/декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т. п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером — часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA — прямого доступа к памяти, или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента шины). Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битовую шину; SCSI-2 и SCSI-3 — 16- или 32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI: Plug & Play добавлены средства поддержки технологии PnP — автоматическое опознание типа и функционального назначения устройств, настройка без помощи пользователя или при минимальном его участии, возможность замены устройств во время работы и т. п. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

Интерфейс RS 232

RS-232 — интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (COM-порту). Управление работой COM-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем COM-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

Интерфейс IEEE 1284

IEEE 1284 — стандарт института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers). Этот стандарт, описывает спецификации параллельных скоростных интерфейсов: SPP (Standard Parallel Port — стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт), ECP (Extended Capabilities Port — порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.