Структура и стандарты шин ПК

Основным компонентом каждого ПК является материнская (системная) плата. На ней размещены все его основные элементы – процессор, оперативная память, видеокарта, контроллеры, а также слоты и разъёмы для подключения внешних периферийных устройств. Все компоненты материнской платы связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. В качестве примера, рассмотрим структуру, например, такой шины ПК:

 

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью, так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

- системная шина используется микросхемами Chipset для пересылки информации к процессору и обратно;

- шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между процессором и внешней кэш-памятью;

- шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;

- шины ввода-вывода используются для обмена информацией с периферийными устройствами.

 

Шины ввода-вывода подразделяются на локальные и стандартные. Локальная шина ввода-вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами и др.) и процессором. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI Express (в прошлом использовалась шина AGP – Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода-вывода используется для подключения более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время широко используется шина USB.

Компоненты шины

Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

- линии для обмена данными (шина данных). Шина данных обеспечивает обмен данными между процессором, картами расширения, установленными в слоты и памятью. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором семейства Pentium имеют 64-разрядную шину данных.

- линии для адресации данных (шина адреса). Шина адреса служит для указания адреса какого-либо устройства, с которым процессор производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый порт ввода-вывода и ячейка RAM имеют свой адрес.

- линии управления данными (шина управления). По шине управления передается ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания, управления и других. Все сигналы шины управления предназначены для обеспечения передачи данных.

- контроллер шины, осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы, либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

 

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в неё. Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины для современных ПК, например, Pentium IV – 64 – разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, если разрядность шины 64, а тактовая частота 66 МГц, то пропускная способность = 8 (байт) * 66 МГц = 528 Мбайт/сек.

Частота шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными по шине.

Внешние устройства подключаются к шинам посредством интерфейса.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры.

 

Системная шина (FSB – Front Side Bus) это шина предназначена для обмена информацией между процессором, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц; EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК.

- Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. Вначале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM – к шине IEEE 1394.

- Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

- Шина VESA или VLB, предназначена для связи процессора с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преобладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486, шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

- Шина РСI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) была разработана фирмой Intel для процессора Pentium. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия процессора). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.

- Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот. Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33 х 32= 1056 Мбит/с = 132 Мбайт/с, то шина AGP тактируется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет, 66 х 32 = 264 Мбайт/сек; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет 132 МГц, а пропускная способность — 528 Мбайт/сек.; в режиме 4х пропускная способность около 1 Гбайт/сек.

- PCI Express – В 2004 году компанией Intel была разработана последовательная шина PCI-Express с пропускной способностью около 4 Гб/сек. Каждому устройству, подключенному к этой шине отводится собственный канал со скоростным показателем 250Мб/сек. При этом можно использовать сразу несколько каналов, например, при передаче данных к видеокарте. Также к плюсам данной шины можно отнести "горячую замену" любого подключенного к ней устройства, даже не выключая питания системного блока. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и PCI, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

- Шина USB (Universal Serial Bus) была разработана для подключения среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Например, скорость обмена информацией по шине USB 2.0 составляет 45 Мбайт/с – 60 Мбайт/сек. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Шина USB поддерживает технологию Plug & Play. При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически.

- Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Существует широкий диапазон версий SCSI, начиная от первой версии SCSI I, обеспечивающей максимальную пропускную способность 5 Мбайт/с, и до версии Ultra 320 с максимальной пропускной способностью 320 Мбайт/сек.

- Шина UDMA (Ultra Direct Memory Access – прямое подключение к памяти). UDMA обеспечивает передачу данных с жесткого диска, со скоростью до 33,3 Мб/сек в режиме 2 и 66,7 Мб/сек в режиме 4.

- Шина IEEE 1394 — это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/сек, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК. Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой.

Последовательный и параллельный порты

Такие устройства ввода и вывода, как клавиатура, мышь, монитор и принтер, входят в стандартную комплектацию ПК. Все периферийные устройства ввода должны коммутироваться с ПК таким образом, чтобы данные, вводимые пользователем, могли не только корректно поступать в компьютер, но и в дальнейшем эффективно обрабатываться. Для обмена данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой) может быть организована параллельная или последовательная передача данных.

Параллельный порт. В ПК, как правило, 2 параллельных порта: LPT1 и LPT2. К ним можно подключать принтеры и сканеры. В настоящее время LPT порты используются редко, современные принтеры и сканеры в основном подключаются к универсальным USB портам.

Последовательные порты. В ПК, как правило, 4 последовательных порта: COM1 – COM4. Это устаревшие порты, они редко используются в современных ПК. К ним можно подключать: мышь старой конструкции (с механическим шариком) и некоторые другие медленные устройства.

PS/2 – порт для подключения клавиатуры и мыши, получивший в своё время широкое рас­про­стра­не­ние и до сих пор имеющийся во многих современных компьютерах.

Универсальный USBпорт. К USB-портам подключаются разнообразные устройства, от принтеров и сканеров до флэш-накопителей и внешних дисков, а также видеокамеры и веб-камеры, фотоаппараты, телефоны, музыкальные плейеры и пр.

 

Слоты ПК

Для того, чтобы системная плата могла взаимодействовать с другими, отдельно вставляющимся платами, используются специальные гнезда, которые называются слотами.

Слоты стандарта PCI. PCI – это стандарт не только слота, но и самой шины (канал, по которому передается информация между устройствами компьютера). Уже долгое время слоты PCI служат для подключения внешних устройств (звуковая плата, сетевая карта и др. контроллеры). Слотов PCI на современных платах три, четыре. Найти их очень легко – они самые короткие и обычно белого цвета, разделенные перемычкой на две неравные части. Сегодня слоты PCI сочетаются с новыми слотами PCI-Express (используются для подключения видеокарт).

Слоты стандарта PCI Express. PCI-Express имеет два типа слотов для подключения дополнительных плат:

- короткие PCI-Express x1 (скорость передачи данных – 250 Мб/с)

- длинные PCI-Express x16 (до 4 Гб/с) – для подсоединения видеокарты.

Слоты для установки оперативной памяти – их легко различить среди всех разъемов, они снабжены специальными замочками-защелками. На плате их может быть от двух до четырех, что позволяет установить от 512 Мб до 4 Гб оперативной памяти. Слоты жестко привязаны к типу оперативной памяти, т.е. в слот, предназначенный для памяти DDR2 нельзя вставить память типа DDR3. Иногда на одной системной плате бывает установлено несколько слотов для разных типов памяти.