Вычислительные системы с открытой архитектурой

Современный компьютер можно пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя это свойство означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств. Компьютер модернизируется за счет наличия внутренних расширительных гнезд, в которые вставляются разнообразные устройства. Компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

В первых моделях компьютеров использовалась лишь одна магистраль, по которой МП обменивался информацией как с оперативной памятью, так и с периферийными устройствами. В компьютерах 3 и 4 поколений главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рисунке 2.2.

периферийная магистраль PCI (peripherial component Interconnect)

Мост PCI(контроллер шины)

Дисковый контроллер

Графический контроллер

Аудиоподсистема

Локальная (системная) шина

Подсистема оперативной памяти

ЦП кэш

Сетевая плата

Видеоподсистема

Порт 1

Порт 2

Порт N

Внешнее устройство 1

Внешнее устройство 2

Внешнее устройство N

Рисунок 2.2 - Шинная архитектура компьютера

ЦП или CPU (от англ. Central Processing Unit)-центральный процессор.

Шина имеет для подключения внешних устройств слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в персональном компьютере различаются по своему функциональному назначению:

- Системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно;

- Шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью;

- Шина памяти используется для обмена между оперативной памятью и CPU.

- Шины ввода/вывода подразделяются на стандартные и локальные.

- Локальная шина ввода/вывода - это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстро­действующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI.

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время - шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие ее свойства - возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

- линии для обмена данными (шина данных);

- линии для адресации данных (шина адреса);

- линии управления данными (шина управления);

- контроллер шины.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и оперативной памятью. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть пе­редано за один такт итем выше производительность ПК. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных но шине, которая определяется тактовой частотой шины.

Шина адреса служитдля указания адреса к какому-либо устройству, с которым CPU производит обмен данными. По шине адреса передается идентификационный код(адрес) отправителя и (или) получателя данных. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, то есть максимальный объем оперативной памяти,который может быть установлен в компьютере. В первом отечественном персональном компьютере «Агат» (1985 г) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственноего адресное пространство составляло 64 Кб. Процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/32, и его адресное пространство составляет Гб.

Шина управления (шина команд) передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

Контроллер – устройство на базе одного или нескольких микропроцессоров (МП), которое управляет передачей данных без привлечения к ней МП.

Прерывания – специальные сигналы, передаваемые операционной системой процессору. Обычно такие сигналы поступают с клавиатуры, мыши, других устройств. Получив сигнал прерывания, процессор приостанавливает текущую работу по программе, сохраняет временные данные и переходит к обработке события, прервавшего текущую работу. Завершив обработку очередного прерывания, процессор возвращается к последней прерванной задаче. Обслуживание системы прерываний осуществляют программы из ПЗУ – BIOS.

Основными характеристиками шины являются:

1. Разрядность шины. Разрядность шины говорит о том, что она состоит из некоторого количества параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 0 и 1 образует двоичный код. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов. Адресная шина: если, например, 32 разрядная, то комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров. Шина команд может быть 32-разрядная, существуют также 64-разрядные и 128-разрядные.

2. Пропускная способность шины (максимальная пропускная способность)определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду (Мбит/с для последовательной передачи либо Мбайт/с для параллельной передачи).

Периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты по такой схеме:

Устройство → Контроллер или адаптер → Порт → Шина

Адаптер – устройство, выполняющее согласованный обмен данными между различными каналами передачи данных.

Порты – это электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключить периферийные устройства к внешним шинам процессора.

Различают несколько типов портов. К последовательному порту (COMmunication port) обычно подсоединяются медленно действующие или достаточно удаленные устройства (мышь, модем, сканер штрих-кодов). Параллельный порт обеспечивает одновременную передачу нескольких битов данных, к нему подсоединяются более «быстрые» устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, представляющим собой простые разъемы.

Аппаратные интерфейсы по способу передачи данных условно подразделяются на 2 большие группы: последовательные и параллельные. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Протокол - это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за
битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующий в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают 1 байт за 1 цикл. Устройство последовательных интерфейсов проще. Как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства, поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами. Пропускная способность их меньше, т.к. обмен данными производится бит/с, кбит/с, Мбит/с.

Параллельные интерфейсы имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где нужна высокая скорость передачи данных: для подключения принтеров, сканеров и т.п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (кбайт/с, Мбайт/с).

Рассмотрим стандарты существующих в настоящее время шин.

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):

- шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Может быть как 8-разрядной, так и16-разрядной, тактовая частота 8,33 МГц.

- 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 шине VESA. Является 32-разрядной, тактовая частота 8,33 МГц.

- Шина VESA, или VLB, предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Является 32-разрядной, тактовая частота 33 МГц. В настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

- Шина PCI разработана фирмой IBM для процессоров Pentium и представляет собой совершенно новую шину. В ее основе лежит принцип применения мостов, которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода. Может быть как 32-разрядной, так и 64разрядной, тактовая частота 33 и 66 МГц.

- Шина AGP - высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Разработана на основе архитектуры шины PCI, является 32-разрядной, тактовая частота 66 или 66´2 МГц.

- Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса ПК. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. 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. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 256 периферийных устройств.

- Шина SCSI 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. Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством.

- Шина IEEE 1394 - это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанной фирмами Apple и Texas Instruments. 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 1600 Мбит/с, работать одновременной с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, поддерживает технологию Plug & Play.