ОрганизациЯ системНого интерфейса и вВода-вывода информации
Общая характеристика и классификация интерфейсов
Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интерфейсов.
Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена информацией между устройствами.
Производительность и эффективность использования компьютера определяется не только возможностями ее процессора и пропускной способностью основной памяти, но в очень большой степени характеристиками интерфейсов, составом периферийных устройств (ПУ), их техническими данными.
Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением между всеми уровнями – стандартными интерфейсами. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.
Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:
пропускной способностью интерфейса – количеством информации, которое может быть передано через интерфейс в единицу времени;
максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;
информационной шириной интерфейса – числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;
максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;
д
Убрано предложение
инамическими параметрами интерфейса – временем передачи отдельного слова или блока данных с учётом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;общим числом проводов (линий) в интерфейсе.
Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:
способ соединения компонентов системы (радиальный, магистральный, смешанный);
способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);
принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
р
Убрано предложение
ежим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).
Радиальный интерфейс (рис. 5.1) даёт возможность всем модулям (М1, …, Мn) работать независимо с центральным модулем (ЦМ). Он позволяет получить высокие скорости передачи информации, но требует большого количества шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.
Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.
В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приёма её в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу «запрос-ответ». Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приёмным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приёмником своей готовности к приёму данных.
Рис. 5.1. Радиальный (a) и магистральный (б) интерфейсы
Классификация интерфейсов по назначению содержит следующие уровни сопряжений:
системные интерфейсы;
локальные интерфейсы;
интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);
межмашинные интерфейсы.
Cистемные интерфейсы предназначены для организации связей между центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ, а также между процессорами в многопроцессорных системах.
Локальные интерфейсы предназначены для организации связи с отдельными устройствами компьютера (видеокартой), а также для соединения микросхем чипсета между собой.
Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с конкретным механизмом ПУ.
Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях.
Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к многоуровневой организации шин интерфейсов на основе использования специализированных микросхем (чипсетов).
Слово «чипсет» (chipset) в буквальном переводе означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, – это одна или две микросхемы, предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, интерфейсом графического адаптера, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера. Со временем эти микросхемы стали называть мостами, появились устоявшиеся термины «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge) чипсета. Если чипсет состоит из одной микросхемы, то такое решение называют одночиповым, а если из двух – двухмостовой схемой. В классической (традиционной) архитектуре двухмостового чипсета северный мост содержит контроллер памяти, контроллер графической шины (PCI Express), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором через сокет определенного типа. Под сокетом понимается электрический соединитель, с помощью которого CPU компьютера соединяется с системной платой. Использование сокета позволяет при необходимости без особых проблем поменять процессор на более мощный из того же семейства. Сегодня для интеловских процессоров используются сокеты (разъемы) в формате PGA (pin grid array) для мобильных компьютеров и LCA (land grid array) – для настольных. В первом случае штыревые выводы, располагающиеся на нижней стороне корпуса процессора, устанавливаются в отверстия сокета. Во втором случае, аналогично расположенные выводы процессора имеют вид плоских контактных площадок. При установке процессора в компьютер площадки СРU прижимаются к подпружиненным выводам сокета. Использование новой микроархитектуры процессоров, выпуск нового семейства CPU, повышение разрядности внешних шин и использование новых интерфейсов зачастую требуют смены сокета, а это в свою очередь влечёт за собой и замену чипсета.
На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Он содержит контроллеры жёстких дисков (SATA и/или PATA), сетевой контроллер, USB-контроллер, контроллер шин PCI и PCI Express, контроллер прерывания, DMA-контроллер, звуковой (аудио) контроллер. Кроме того, южный мост соединяется еще с одной важной микросхемой на материнской плате – микросхемой ROM-памяти BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). Это постоянная память, в которой хранится программа, отвечающая за базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена. Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров и т. д. Обозначение подобного базового программного обеспечения (ПО) термином «BIOS» присуще для компьютеров на базе процессоров с архитектурой х86. Для компьютеров на базе процессоров других типов для обозначения ПО, выполняющего подобные функции, используются другие термины, например, базовое ПО машин с процессором архитектуры SPARC называется PROM. Раньше к южному мосту подключалась еще одна микросхема Super I/O, которая отвечала за низкоскоростные порты RS232, LPT, RS/2. Сейчас эти функции выполняет южный мост. Для соединения северного и южного мостов друг с другом в большинстве случаев используются специальные локальные шины, причём разные производители применяют для этого разные шины с различной пропускной способностью (Intel – DMI, AMD – Alink Express, VIA – V-Link).
Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90 % определяются именно чипсетом. От него зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, тип сокета, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств. Основными компаниями на рынке чипсетов являются Intel, NVIDIA и AMD.
Шины процессора и памяти сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и сбалансированные между собой для обеспечения максимальной пропускной способности канала процессор–память. Шины ввода-вывода могут иметь большую протяжённость, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы устройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются (определяется количество разъёмов той или иной шины ввода-вывода), что даёт возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода-вывода работать независимо.