2. Интерфейсы пк. Внутренние интерфейсы

Классификация интерфейсов

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы:

• системные интерфейсы ЭВМ;

• периферийного оборудования (общие и специализированные);

• программно-управляемых модульных систем и приборов;

• интерфейсы сетей передачи данных и др.

Мы предполагаем здесь рассмотреть внутренние интерфейсы (шины), внешние интерфейсы (порты) и интерфейсы процессоров. Интерфейсы мониторов (и видеопроекторов) рассмотрены далее (гл. 4).

Различные микросхемы и устройства, образующие ПК, должны быть соединены друг с другом таким образом, чтобы они имели воз­можность обмениваться данными и целенаправленно системно управляться. Эта проблема решена путем применения унифициро­ванных шин. Используется набор проводников (на системной плате это печатные проводники), к которым подключены разъемы  гнез­да (socket) или слоты (slot). В слоты расширения могут вставляться платы адаптеров (контроллеров) отдельных устройств и, что особен­но важно, новых устройств. Таким образом, любой компонент, вставленный в слот, может взаимодействовать с каждым подклю­ченным к шине компонентом ПК.

Шина представляет собой набор проводников (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий.

• управления: • адреса: • данных.

Обычно системы включают два типа шин:

• системная шина, соединяющая процессор с ОЗУ и кэш-памя­тью 2-го уровня;

• множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с раз­личными периферийными устройствами. Последние соединя­ет с системной шиной мост, который встроен в набор микросхем (chipset), обеспечивающий функционирование процессора (рис. 2.5).

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разделена на две:

• первичную шину (FSB, Frontside bus), связывающую процессор с ОЗУ и ОЗУ с периферийными устройствами;

• вторичную шину (BSB, Backside bus) для связи с кэш-памятью L2.

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обра­щаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует отметить, что терминология, используемая в настоящее время для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора» или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина», «хост-шина» и опять же  «локальная шина».

Устройства, подключенные к шине, делятся на две основные категории  bus masters и bus slaves. Bus masters  это активные устройства, способные управлять работой шины, т. е. инициировать запись/чтение и т. д. Bus slaves  соответственно устройства, которые могут только отвечать на запросы.

Внутренние интерфейсы

Интерфейсы, характеристики которых приводятся в табл. 2.2, относятся к внутренним.

Таблица 2.2. Основные характеристики внутренних интерфейсов

Стандарт	Типичное применение	Пиковая пропускная способность	Примечания
ISA	Звуковые карты, модемы	От 2 до 8,33 Мбайт/с	Практически не используется, начиная с 1999 г.
EISA	Сети, адаптеры SCSI	33 Мбайт/с	Практически не используется, замещается PCI, LPC
LPC	Последовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД	Как ISA/EISA	Предложена Intel в 1998 г. как замена для шины ISA
PCI	Графические карты, адаптеры SCSI, звуковые карты новых поколений	133 Мбайт/с (32-битовая шина с частотой 33 МГц)	Стандарт для периферийных устройств
PCI-X	То же	1 Гбайт/с (64-битовая шина с частотой 133 МГц)	Расширение PCI, предложенное IBM, HP, Compaq. Увеличена ско­рость и количество устройств
PCI Express	» »	До 16 Гбайт/с	Разработка «интерфейса 3-го поко­ления» (Third generation Input/Output - 3G10), может заме­нить AGP. Последовательная шина
AGP	Графические карты	528 Мбайт/с 2x-mode (2 графические карты)	Стандарт для Intel-PC, начиная с Pentium II сосуществует с PGI
AGP PRO	ЗD-графика	800 Мбайт/с (4x-mode)	Поддерживает видеокарты, тре­бующие мощность до 100 Вт (AGP- до 25 Вт)
НТ (Гипер-Транспорт)	Универсальный интер­фейс	До 32 Гбайт/с	Разработка AMD для процессоров К7-К8

Шина ISA

ISA BUS (Industry Standard Architecture)  стандартные шины IBM PC XT (8 бит) и AT (16 бит). Шина XT имеет (рис. 2.6, а):

• 8-битовую шину данных;

• 20-битовую шину адреса, что позволяет адресоваться к 2²⁰ бит (1 Мбайт) памяти;

• три канала прямого доступа к памяти (DMA);

• тактовую частоту 8 МГц;

• пропускную способность 4 Мбайт/с;

• 62-контактный разъем.

В настоящее время XT практически не применяется.

В компьютерах AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне как самая распро­страненная шина для периферийных адаптеров. Шина AT имеет:

• 6-битовую шину данных;

• 24-битовую шину адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт памяти;

• 8 каналов прямого доступа (DMA);

• тактовую частоту 816 МГц.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture)

Шина EISA (рис. 2.6, б) явилась «асимметричным ответом» производителей клонов PC на попытку IBM поставить рынок под свой контроль путем выпуска МСА. В сентябре 1988 г. производители компьютеров  Compaq, Wyse, AST Research, Tandy, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson  представили совместный проект: 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимо­стью. Основные характеристики новой шины:

• 32-разрядная передача данных;

• максимальная пропускная способность 33 Мбайт/с;

• 32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до 4 Гбайт;

• поддержка многих активных устройств (bus master);

• возможность задания уровня двухуровневого (edge-triggered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в случае многоуровневого (level-triggered) прерывания);

• автонастройка плат расширения.

Шина MCA (MicroChannel Architecture)

MCA  микроканальная архитектура  была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50. Шина МСА несовместима с ISA/EISA и другими адапте­рами (рис. 2.6, в).

Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA, но содержала ряд передовых для своего времени решений:

• 8/16/32-разрядную передачу данных;

• пропускную способность 20 Мбайт/с при частоте шины 10 МГц;

• поддержку нескольких активных устройств. Работу координирует устройство, называемое арбитром шины (САСР  Central Arbitration Control Point). При распределении функций управ­ления шиной арбитр исходит из уровня приоритета, которым обладает то или иное устройство или операция. Всего таких уровней четыре (в порядке убывания):

• регенерация системной памяти;

• прямой доступ к памяти (DMA);

• платы адаптеров;

• процессор.

Сразу же после выхода шины EISA началась «шинная война», причем это была не столько война между архитектурами (они обе ушли в прошлое), сколько война за контроль IBM над рынком персональных компьютеров. Эту войну корпорация проиграла, хотя ар­хитектура МСА по заложенным техническим решениям и перспек­тивам развития выглядела предпочтительнее. Вот сравнительная ха­рактеристика двух шин:

	MCA	EISA
Пропускная способность, Мбайт/с...........	20	33
Способ передачи данных..........................	Асинхронный	Синхронный
Размер карты (длина × ширина), мм.........	292,1 × 88,2	333,5 × 127,0

Поскольку поверхности карты EISA в 1,65 раза больше, а адап­тер EISA мог потреблять в 2 раза больше мощности, чем адаптер МСА, выпускать периферию под EISA оказалось проще и дешевле.

Кроме того, в «шинной войне», как и везде, присутствует «рука Intel». В стремлении освободить рынок для новых процессоров 80386 и 80486 Intel выпускала EISA-чипсеты, не поддерживающие 286 процессор, в то время как шина МСА прекрасно работала и на компьютерах с 286. Таким образом, перспективная разработка IBM так и осталась перспективной, но и шина EISA не получила широ­кого распространения: к тому времени, когда потребности компью­теров среднего уровня переросли возможности шины ISA, разработ­чики перешли, минуя EISA, к локальным шинам.

LPC

Шина Low Pin Count («матоконтактный» интерфейс), или LPC, используется на IBM-совместимых персональных компьютерах для подсоединения низкоскоростных устройств, таких, как «преемственные» (legacy) устройства ввода-вывода (последовательный и па­раллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД). Физически LPC обычно подсоединяется к чипу «Южного моста». Шина LPC была предложена Intel в 1998 г. как замена для шины ISA.

Спецификация LPC определяет 7 электросигналов для двунаправленной передачи данных, 4 из которых несут мультиплексированные адрес и данные, оставшиеся 3  управляющие сигналы (кадр, сброс, синхросигнал).

Шина LPC предусматривает только 4 линии вместо 8 или 16 для ISA, но она имеет полосу пропускания ISA (33 МГц). Дру­гим преимуществом LPC является то, что количество контактов для присоединяемых устройств равно 30 вместо 72 для эквива­лента ISA.

Локальные шины

Попытки улучшить системные шины за счет создания шин МСА и EISA имели ограниченный успех и кардинальным образом не решали проблемы. Все описанные ранее шины имеют общий не­достаток  сравнительно низкую пропускную способность, по­скольку они разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характери­стики шин улучшались в основном экстенсивно, за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины явля­лось огромное количество выпущенных плат, которые не могли ра­ботать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не иг­рала заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х гг. в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребо­вавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

• создание процессоров Intel 80486, работающих на частотах до 66 МГц;

• увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров;

• разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).

Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода-вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. При этом шина работает с частотой, соответствующей тактовой частоте процессора. Передачей данных управляет не центральный процес­сор, а плата расширения (мост), который высвобождает микропро­цессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройства: память, дисплей, дисковые накопите­ли, при этом обслуживание сравнительно медленных устройств  мышь, модем, принтер и др.  производится системной шиной типа ISA (EISA).

Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus)  рис. 2.7.

Отсутствие стандарта сдерживало распространение локаль­ных шин, поэтому ассоциация VESA (Video Electronic Standard Association), представляющая более 100 компаний, предложила в ав­густе 1992 г. свою спецификацию локальной шины.

Локальная шина VESA (VL-bus)

Исторически появилась первой и была создана специально для лучшего микропроцессора того времени 480DX/2. В зависимости от используемого центрального процессора тактовая частота шины мо­жет составлять от 20 до 66 МГц.

Стандарт шины VL 1.0 поддерживает 32-разрядный тракт дан­ных, но его можно использовать и в 16-разрядных устройствах. Стандарт 2.0 рассчитан на 64-битовую шину в соответствии с новы­ми процессорами. Спецификация 1.0 ограничена частотой 40 МГц, а 2.0  50 МГц. В спецификации 2.0 шина поддерживает до 10 уст­ройств, 1.0  только три. Устойчивая скорость передачи составляет до 106 Мбайт/с (для 64-разрядной шины  до 260 Мбайт/с).

Шина VL-bus явилась шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие:

• ориентация на 486-й процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин Pentium и Pentium Pro/Pentium II;

• ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus не больше 50 МГц. Причем при использо­вании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2-66 частота шины составит 33 МГц);

• схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определен­ных параметрах нагрузки каждой линии шины;

• ограничение количества плат, вытекающее из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)

Разработка шины PCI закончилась в июне 1992 г. как внутрен­ний проект корпорации Intel. Основные возможности шины сле­дующие (рис. 2.8, 2.9):

• синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными (64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, т. е. адрес и данные передаются по одним и тем же линиям;

• частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима);

• полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине);

• спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео, звук и т. д.).

Известны также более поздние разновидности  PCI-X и PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA  стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать расши­рители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др.

PCI-X. PCI-X не только увеличивает скорость PCI-шины, но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине РСI-слоты работают на 33 МГц, а один слот может работать при 66 МГц. PCI-X удваивает производительность стандарта PCI, поддерживая один 64-битовый слот на частоте 133 МГц, а общую производитель­ность увеличивает до 1 Гбайт/с. Новая спецификация также предла­гает расширенный протокол для увеличения эффективности переда­чи данных и снизить требования к электропитанию.

PCI Express (PCX). Стандарт PCX определяет гибкий, масштабируемый, высокоскоростной, последовательный, «горячего подклю­чения» интерфейс, программно-совместимый с PCI. В отличие от предшественника, PCX поддерживает систему связи «точкаточка», подобную ГиперТранспорту AMD, а не многоточечную схему, используемую в параллельной шинной архитектуре. Это устраняет потребность в шинном арбитраже, обеспечивает низкое время ожидания и упрощает «горячее» подключение-отключение системных уст­ройств.

Ожидается, что одним из последствий этого будет сокращение площади платы на 50%. Топология шины PCX содержит глав­ный мост (Host Bridge) и несколько оконечных пунктов (уст­ройств ввода-вывода). Многократные соединения «точкаточка» вводят новый элемент  переключатель (ключ, switch) в топологию системы ввода-вывода (см. рис. 2.8, 2).

Интерфейс PCX включает пары проводов  каналы (lane), и единственная пара (PCX-lane) представляет собой интерфейс PCX lx (800 Мбайт/с). Каналы могут быть соединены параллельно, и максимум (32 канала  PCX 32x) обеспечивает полную пропуск­ную способность 16 Гбайт/с, достаточную, чтобы поддерживать тре­бования систем связи в обозримом будущем.

Одним из направлений развития PCX является замена AGP (рис. 2.10). Действительно, 8 Гбайт/с двунаправленной пропускной способности достаточно для поддержки телевидения высокого раз­решения (HDT). При этом данные технологии характеризуются сле­дующими особенностями.

• AGP  разделение полос пропускания для записи и чтения; общая полоса пропускания  2 Гбайт/с; оптимизировано для однозадачного режима.

• PCI Express  выделенные полосы для ввода и вывода; общая полоса пропускания до 8 Гбайт/с; оптимизировано для много­ задачного режима.

Предполагается также, что PCI Express в дальнейшем сможет заменить в чипсетах контроллер внешних устройств «Southbridge», но это не повлияет на функции контроллера оперативной памяти «Northbridge».

Интерфейс PCMCIA. С появлением портативных компьютеров возникла проблема универсального и компактного интерфейса для подключения внешних устройств. В качестве такого интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA, поддерживаемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association), объединяющей компании, разрабатывающие перифе­рийные устройства для портативных компьютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей труднопроизносимостью. Существует даже шутливая интерпретация PCMCIA как «People Can't Memorize Computer Industry Acronyms», что переводит­ся как «Люди не в состоянии запомнить компьютерные аббревиату­ры». В результате для PCMCIA сегодня принято использовать более благозвучный термин PC Card.

Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключае­мым к шине ISA. В этом стандарте выпускаются (см. далее гл. 7, рис. 7.22, 7.23) модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адап­теры, сетевые карты, звуковые карты, винчестеры (IBM Microdrive), интерфейсы CD-ROM и т. д. (рис. 2.11).

Первая версия стандарта PC Card для связи между картой и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позво­ляет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти. На стороне мо­дуля PC Card расположен соединитель-розетка, а на стороне компь­ютера соединитель-вилка. Кроме того, стандарт определяет три различные длины контактов соединителя-вилки. Поскольку под­ключение и отключение PC Card может происходить при работаю­щем компьютере (так называемое «горячее»), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем на­пряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполне­ны более длинными.

Вторая версия спецификации PC Card предусматривает три разновидности (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Размеры карт второй версии PC Card

Тип карты	Длина, мм	Ширина, мм	Толщина, мм
Type l	85,6 (3,37")	54(2,12")	3,3
Туре II	85,6(3,37")	54(2,12")	5,0 в середине и 3,3 по краям
Type III	85,6 (3,37")	54(2,12")	10,5 в середине и 3,3 по краям

AGP (Accelerated graphics port)

Несмотря на разрядность и скорость шины PCI, оставалась про­блема, которая превышала ее возможности  выдача графической информации. Если адаптер CGA (4 = 2² цвета, экран 320 × 200 то­чек, частота 60 Гц) требует пропускную способность 2 × 320 × 200 × 60 = 7 680 000 бит/с = 960 Кбайт/с, адаптер XGA (2¹⁶ цветов, экран 1024×768 пикселей, частота 75 Гц) требует 16 × 1024 × 758 × 75 = 9 433 718 400 бит/с ≈ 118 Мбайт/с. В то же время пиковая пропу­скная способность PCI составляла до 132 Мбайт/с.

Фирмой Intel было предложено решение в виде AGP  Accelerated graphics port (порт ускоренного графического вывода). Появление шины AGP в начале 1998 г. было своеобразным проры­вом в области графических работ. При частоте шины в 66 МГц она была способна передавать два блока данных за один такт. Пропуск­ная способность шины составляет 500 Мбайт/с (V2.0) при двух ре­жимах работы: DMA и Execute. Основным же преимуществом AGP является возможность хранения текстур в оперативной памяти. При этом скорости работы шины AGP хватает для их своевременной пе­редачи в видеопамять (работа в режиме DMA). В режиме Execute оперативная и видеопамять воспринимаются как равноправные. Текстуры выбираются блоками 4 Кбайт из общей памяти с помощью таблицы GART (Graphic Adress Re-mapping Table) и передаются, ми­нуя локальную память видеокарты. На сегодняшний день существует стандарт (поддерживаемый новыми чипсетами Intel и Via) AGP4x, позволяющий повысить пропускную способность до 1 Гбайт/с.

Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с четырьмя ис­точниками информации (Quadro port acceleration, рис. 2.12):

• процессором (кэш-память 2-го уровня);

• оперативной памятью;

• графической картой AGP;

• шиной PCI.

AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB). При тактовой частоте 66 МГц, например, это в 2 раза выше, чем скорость PCI, и позволяет достигать пиковой пропускной способ­ности в 264 Мбайт/с. В графических картах, специально спроектиро­ванных для AGP, передача происходит как по переднему, так и по заднему фронту тактовых импульсов ЦП, что позволяет при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до 528 Мбайт/с (это называется «2-х графика»). В дальнейшем была выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику» или четырехкратную передачу данных за один такт ЦП.

Контроллер HyperTransport

Фирмой AMD была (процессор Hammer) предложена архитек­тура ГиперТранспорт (HyperTransport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации мно­гопроцессорных систем и повышения скорости передачи данных более чем в 20 раз.

В традиционной архитектуре с северным и южным мостами транзакции памяти должны проходить через микросхему «Северно­го моста» (рис. 2.13), что вызывает дополнительные задержки и сни­жает потенциальную производительность. Чтобы избавиться от это­го «узкого места» производительности, корпорация AMD интегрировала контроллер памяти в процессоры AMD64. Прямой доступ к памяти позволил существенно уменьшить задержки при обращении процессора к памяти. С увеличением тактовой частоты процессоров задержки станут еще меньше.

В основу шины HyperTransport  универсальной шины межчипо­вого соединения  положено две концепции: универсальность и мас­штабируемость. Универсальность шины HyperTransport заключается в том, что она позволяет связывать между собой не только процессоры, но и другие компоненты материнской платы. Масштабируемость шины состоит в том, что она дает возможность наращивать пропуск­ную способность в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Устройства, связываемые по шине HyperTransport, соединяются по принципу «точкаточка» (peer-to-peer), что подразумевает воз­можность связывания в цепочку множества устройств без использо­вания специализированных коммутаторов. Передача и прием дан­ных могут происходить в асинхронном режиме, причем передача данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт. Масштаби­руемость шины HyperTransport обеспечивается посредством магист­рали шириной 2, 4, 8, 16 и 32 бит в каждом направлении. Кроме того, предусматривается возможность работы на различных тактовых частотах (от 200 до 800 МГц). При этом передача данных происходит по обоим фронтам тактового импульса. Таким образом, пропускная способность шины HyperTransport меняется от 200 Мбайт/с при использовании частоты 200 МГц и двух двухбитовых каналов до 12,8 Гбайт/с при использовании тактовой частоты 800 МГц и двух 32-битовых каналов (рис. 2.14).

Рисунок 2.15 демонстрирует, насколько разводка для ГиперТранспорта экономичнее, чем для традиционных шин  достаточно срав­нить площади, занимаемые на системной плате шиной AGP 8х с про­пускной способностью 2 Гбайт/с и ГиперТранспорт (до 6,4 Гбайт/с).