17. Интерфейсы шин расширения и видеокарт персонального компьютера.

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Технические характеристики .Возможности USB следуют из ее технических характеристик: Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s .Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m .Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m .Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127 . Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

18. Интерфейсы внешней памяти.

Интерфейсы внешней памяти

Связь жесткого диска с остальными устройствами ЭВМ обеспечивает его контроллер, который реализует управление всеми основными процессами диска и протоколы обмена данными с шинами расширения.

Непосредственное подключение жестких дисков к ЭВМ осуществляется по специальным интерфейсам, из которых наиболее распространенными были ATA, SCSI и SerialATA. Хотя внешние диски могут подключаться по интерфейсам параллельного порта LPT, шинам USB и IEEE 1394 (FireWare).

Каждый из них, как обычно, предусматривает определенный набор шин, протокол обмена по ним, спецификацию параметров электрических сигналов и набор команд для управления операциями чтения/записи и обмена данными.

Интерфейс ATA

Интерфейс ATA (AT Attachment - подключение к ПЭВМ PC AT конца 1980-х - начала 1990-х годов) был разработан для подключения жестких дисков с собственными встроенными контроллерами (Integrated Device или Drive Electronics). Поэтому и сейчас, говоря о таких дисках, могут использовать оба термина: IDE или ATA, подразумевая один и тот же тип дисков, хотя появление последовательного интерфейса Serial ATA нарушило однозначность соответствия этих терминов.

Будучи "долгожителем" (а более 15 лет - это большой срок в вычислительной технике), интерфейс ATA имел несколько версий, начиная с первоначального для подключения к PC AT, и до серии модификаций ATA/ATAPI (PI означает пакетный интерфейс - Package Interface, используемый устройствами типа CD-ROM) с существенно большей скоростью обмена и возросшим набором функций. С появлением последовательного интерфейса к обычному интерфейсу ATA стали добавлять термин параллельный.

Фактически ATA - это стандарт интерфейса с дисками, а IDE и EIDE (Enhanced IDE) - это стандарты проектирования дисков, прямой доступ к памяти - DMA (Direct Memory Access) и UDMA (Ultra DMA) - это методы доступа, используемые для дисков, обеспечивающие передачу данных между диском и памятью, без непосредственного участия процессора.

Данные передаются по интерфейсу по 2 байта (16-информационных линий). Передачи могут осуществляться в режимах программно-управляемого ввода/вывода PIO (programmable input/output) и (сверхбыстрого) прямого доступа к памяти (Ultra)DMA (direct memory access), к обозначениям которых добавляются номера, соответствующие максимальным скоростям передачи данных для режимов.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсу ATA достигнута в версии ATA/ATAPI-6 и составляет 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA.

Интерфейс SerialATA

Интерфейс SerialATA (последовательный ATA) является дальнейшим развитием семейства ATA, для которого последней версией параллельной спецификации стала ATA/ATAPI-6 (часто называемая по величине максимальной скорости передачи ATA/133).

Основные цели, которые преследовали его разработчики, заключались в создании недорогого интерфейса, более высокопроизводительного, чем ATA, полностью с ним программно совместимого, имеющего перспективы развития примерно на десятилетие, обеспечивающего более удобное подключение дисков к компьютеру и большую длину кабеля, а также низковольтного и экономичного в энергопотреблении. Интерфейс SerialATA можно рассматривать и как более дешевую альтернативу интерфейсу SCSI (см. ниже).

С точки зрения логики работы SerialATA совместим со своим параллельным предшественником. Основные различия связаны с его физической реализацией.

Скорость передачи данных по интерфейсу в начальном варианте стандарта составляет 150 Мбайт/с, в перспективе предполагается ее рост до 600 Мбайт/с.

Предполагается возможность горячего подключения и отключения устройств (для этого, в частности, сигнальные контакты разъемов в устройстве короче земляных).

Интерфейс SCSI

Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface - интерфейс малых вычислительных систем) появился примерно в то же время, что и ATA. Но в отличие от последнего он предназначался для связи различных устройств, а не только дисков.

Интерфейс SCSI имеет две модификации по разрядности передаваемых данных (в параллельном варианте): "узкую" (Narrow) 8-битную и "широкую" (Wide) 16-битную. К первой можно подключить до восьми устройств, ко второй - до шестнадцати. Стандарт предусматривает и 32-битный вариант, но на практике он не встречается.

Все подключаемые к шине SCSI устройства, вообще говоря, равноправны и могут выступать как в качестве устройства, запускающего операцию передачи данных (инициализирующего устройства), так и в качестве устройства, к которому обращается инициализатор обмена. Такое устройство называют целевым.

За время существования интерфейса SCSI были созданы различные его модификации, различающиеся, в частности, пропускной способностью, которая в начале 2000-х годов достигла 320 Мбайт/с. Помимо упомянутого отличия по разрядности: Narrow и Wide, по частоте передачи различают обычный и быстрый (Fast и Ultra) варианты с различными индексами.

Кроме того, известна и спецификация последовательного варианта интерфейса (Fiber Channel - (опто-волоконный канал), относимого к этому же семейству.

Выполнение операций обмена по шинам SCSI осуществляется под управлением контроллера инициализирующего устройства и предполагает передачу сообщений, команд и данных (а также информации о состоянии).

Интерфейс SCSI считается более надежным и производительным, чем интерфейс АТА, но и более дорогим, применяемым, как правило, в серверных системах, хотя появление SerialATA усиливает конкуренцию между этими двумя семействами интерфейсов.

19. Звук в персональном компьютере. Промышленные интерфейсы.

Промышленные ПВВ

Некоторые шины промышленных компьютеров на логическом (программном) уровне близки к известным шинам персональных компьютеров. Промышленные аналоги ISA – это PC-104 и MicroPC, для PCI это CompactPCI. Многие промышленные стандарты используют модули, соединенные пассивной объединяющей платой, одним или несколькими из которых являются процессорные платы, которые также могут содержать память, графический адаптер, контроллеры портов, дисковые интерфейсы и другие элементы. Часть контактов, определенных в Compact PCI как свободно используемые, предназначена в PXI для дополнительных шин. Так дополнительно были введены локальные шины, предназначенные для связи соседних пар слотов. Каждая локальная шина имеет 13 линий, которые могут использоваться не только для цифровых, но и для аналоговых (до 48 В) сигналов. Шина PXI также позволяет осуществлять синхронизацию разных модулей, что часто требуется в измерительных системах. Для прецизионной синхронизации имеется сигнал опорной частоты 10 МГц, который с одинаковыми задержками распространения разводится по всем слотам.

Параллельно с технологиями СompactPCI и PXI в области высокопроизводительных многопроцессорных систем управления и контроля развивается технология VMEbus (Versatile Modular E-bus) cо стандартом для измерительной техники VXI (VMEbus eXtention for Instrumentation) соответственно.

Существуют также некие гибридные стандарты промышленных компьютеров, такие как PICMG (PCI + ISA) или PCISA, процессорные платы которых содержат как разъемы шины ISA, так и PCI.

Звук в ПК

Соответственно, при разработке коспьютера IBM PC внутренний динамик был подключен к выходу обычного двоичного счетчика, управляя которым центральный процессор мог формировать звуковые сигналы различной длительности и тональности.

Талантливые программисты, которые хотели получить от персонального компьютера все больше и больше, используя методы дискретной математики, могли заставить непритязательный внутренний динамик издавать довольно разборчиво человеческий голос и синтезировать не очень сложные музыкальные произведения. Однако, данный путь внедрения звуковых технологийоказался тупиковым, т.к. создание даже очень короткого музыкального или речевого фрагмента приемлемого качестватребовало огромных усилий, а возможности малогабаритного динамика с трудом позволялидобиться качества звука даже на уровне карманного средневолнового радиоприемника.

Наилучшим же методом внедрения технологий стала установка периферийной звуковой карты, которая по командам центрального процессорамогла синтезировать звуковой сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и преобразовывать аналоговый сигнал, например, от микрофона, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Этот способ работы используется и в настоящее время, причем основные принципы работы современных звуковых карт не претерпели особых изменений за долгие годы. Конечно, ныне на звуковых картах не устанавливаются отдельные ЦАП и АЦП, а используется большая интегральная микросхема – аудиопроцессор.

Отметим, что кроме аудиовходов и –выходов, на звуковой карте традиционно монтируется 15-контактный разъем для Game-порта. Также иногда для коммутации звуковой карты с высококачественными колонками используют оптический или коаксиальный цифровой выход. Кроме того, вводится сервис автоматического определения того, какой тип разъема подключен к данному порту (цифровой или аналоговый).

Основное достоинство современных аудиопроцессоров заключается в том, что они способны формировать звуковой сигнал с использованием нескольких десятков каналов, для каждого из которых может задаваться собственный алгоритм обработки. Следует отметить, что сказанное относится к процессу формирования звукового сигнала внутри аудиопроцессора. Только после всех стадий обработки, с помощью которых синтезируется реалистическая звуковая картина в комнате, на выходе звуковой карты появляется 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, или 8 выходных аналоговых или цифровых сигналов, которые подаются на активные звуковые колонки. Таким образом, в настоящее время задача создания «трехмерного звука» ложится на плечи аудиопроцессора. Ранее трехмерные эффекты достигались с помощью различных схемотехнических ухищрений в усилителях мощности и звуковых колонках.

Если же рассматривать аудиопроцессор (частотиспользуют термин DSP – Digital Signal Processor – цифровойсигнальный процессор) с точки зрения вычислительной мощности, то наиболее совершенные из них по объему вычислений мало уступают видеопроцессорам. Хотя аудиопроцессор и имеет дело только с низкочастотным сигналом, но необходимость получения естественногозвучания музыки заставляет обрабатывать звуковой сигнал по сложному многоканальному алгоритму. Причем по сложности и возникающим проблемам обработка звука более сложна, чем формирование видеосигнала для монитора.

Кроме оцифровки и восроизведения звука уже в первых звуковых картах была реализована схема синтезирования музыкальных фрагментов с использованием MIDI-команд. Принципы синтеза голосов музыкальных инструментов, внедренные в звуковые карты, были взяты от электронных музыкальных инструментов (например, FM-синтез). Но, увы, качество синтеза у первых звуковых карт оказалось невысоким. В дальнейшем, используя все более изощренные технологии, удалось добиться формирования вполне высококачественного звука.

По мере развития микропроцессоров в синтезаторах стали использовать метод математического моделирования звукообразования реальных инструментов. Этот метод требует больших вычислительных мощностей, поэтому чаще всего математические расчеты возлагаются на центральный процессор компьютера.

20. Технология ввода-вывода PCI Express.

Интерфейс PCI Express (известный прежде под названием 3GIO) основан на открытых стандартах и выступает как наследник PCI и его вариантов для систем ввода-вывода серверов и клиентских устройств. В отличие от PCI и PCI-X, основанных на 32- и 64-разрядной параллельной шине, PCI Express использует высокоскоростную технологию последовательного соединения, похожую на ту, что используется в Gigabit Ethernet, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS). PCI Express отражает общую для компьютерной индустрии тенденцию замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа "точка-точка" (point-to-point).

Новая технология шины обеспечивает скорость передачи, которая будет достаточной с учетом развития процессоров и подсистем ввода-вывода, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.

По сравнению с PCI технология PCI Express имеет следующие преимущества:

высокая пропускная способность - в первой версии теоретическая пиковая пропускная способность составит 5-80 Гбит/с, в зависимости от реализации;

последовательное соединение, обеспечивающее масштабирование производительности;

отдельное соединение "точка-точка" для каждого устройства вместо общей шины PCI;

малые задержки для серверной архитектуры;

меньший размер разъемов и упрощенное проектирование систем;

расширенные функции.

В течение следующего десятилетия интерфейс PCI Express постепенно заменит параллельные шины PCI, PCI-X и AGP. Сначала он вытеснит шины, которые требуют дополнительной производительности и функций. Например, первоначально PCI Express будет применяться как замена шины передачи графических данных AGP 8X в клиентских системах, обеспечивая высокую полосу пропускания и поддержку мультимедийного трафика. Он будет сосуществовать с шиной PCI-X и постепенно вытеснять ее в серверных системах.

CI Express

PCI Express предоставляет масштабируемую высокоскоростную последовательную шину ввода-вывода. Многоуровневая архитектура PCI Express поддерживает существующие приложения PCI и драйверы за счет обратной совместимости с существующей моделью PCI. В частности, архитектура PCI Express определяет высокопроизводительную масштабируемую последовательную шину "точка-точка". Канал PCI Express состоит из двух однонаправленных каналов, каждый из которых реализован как пара передачи и пара приема для одновременной передачи в обоих направлениях. Каждая пара состоит из двух низковольтных пар дифференциальных сигналов. Таймер синхронизации встроен в каждую пару и использует схему кодировки для синхронизации 8b/10b, позволяя достичь высокой скорости передачи данных. На рис. 4 представлены каналы PCI в сравнении с PCI Express.