YourLib.net
Твоя библиотека
Главная arrow Информатика (Под общ. ред. А.Н. Данчула) arrow 2.3.1. Системная плата, внутренние и внешние шины, производительность вычислительной системы
2.3.1. Системная плата, внутренние и внешние шины, производительность вычислительной системы

2.3.1. Системная плата, внутренние и внешние шины, производительность вычислительной системы

   Системная плата является основной печатной платой, на которую устанавливаются МП, модули оперативной памяти и другие компоненты, определяющие архитектуру ПК. Основу большинства компонентов составляют полупроводниковые интегральные схемы (ИС) или микросхемы, называемые чипами. Набор таких специализированных ИС, путем соответствующего

Таблица 2.4. Некоторые 64-разрядные процессоры

 Таблица 2.4. Некоторые 64-разрядные процессоры

выбора и взаимного подключения которых формируются различные функциональные узлы и блоки вычислительной системы, называется чипсетом. Системная плата обеспечивает внутренние связи и взаимодействует через прерывания с внешними устройствами.
   Компоненты ПК связаны между собой с помощью системы шин, обеспечивающих обмен информацией. Эти шины можно условно разделить на три большие группы:
   —  межчиповые шины (соединения), используемые для связи между отдельными чипами (микросхемами) на системной плате;
   —  внутренние шины идя подключения плат расширения, как правило размещенных внутри ПК (через слоты расширения);
   —  шины с кабельными сегментами, предназначенные для подключения внешних и внутренних устройств.
   Внутренние интерфейсы (шины) расширения ввода/вывода реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) на системной плате ПК:
   ISA-8 u ISA-16 (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура) — универсальные слоты подключения периферийных адаптеров, не требующих высоких скоростей обмену;
   EISA (Extended ISA — расширенная ISA) — дорогая 32-разрядная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах (в настоящее время вытесняется шиной PCI);
   VLB (VESA Local Bus — локальная шина VESA) — быстродействующая 32- или 64-разрядная локальная шина процессора (применялась для подключения контроллеров дисков, графических адаптеров и контроллеров локальных сетей в паре со слотом ISA/EISA), в современных МП не применяется;
   PCI (Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных компонентов) — распространенная высокопроизводительная 32/64-разрядная шина (локальная шина PCI), применяемая в ПК на МП І80486 и старше (используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, коммуникационных и других адаптеров.
   На рис. 2.10 приведена структурная схема шин ПК. На ней показано место подключения локальной шины (заштрихованный блок).
   На системной плате чаще всего устанавливают 3 или 4 слота. Первоначально она была 32-разрядной. Далее появилась 64- разрядная версия — PCI-64 с максимальной пропускной способностью 533 Мбайт/с. Особенности спецификации препятствуют

Рис. 2.10. Структурная схема шин ПК с применением локальной шины 

Рис. 2.10. Структурная схема шин ПК с применением локальной шины

ее дальнейшему развитию из-за ужесточения требований к устройствам и ограничения количества слотов расширения до одного или двух. Эта проблема решена с помощью ряда усовершенствований в шине РС1-Х (фирма IBM), обеспечивающих пропускную способность до 1,6 Гбайт/с (64 бит, 133 МГц). В версии 2.0 за счет использования технологий удвоения и учетверения, аналогичных используемым в процессорных шинах, пропускную способность планируется увеличить соответственно в 2 и 4 раза при сохранении тактовой частоты 133 МГц.
   AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт) — магистральный интерфейс подключения интеллектуальных графических адаптеров, применяемый в новых системных платах для МП шестого поколения. AGP представляет собой 32-разрядную шину «точка — точка» (неразделяемую) с физической тактовой частотой 66 МГц, чипсет системной платы связывает его с памятью и шиной процессора, не пересекаясь с «узким местом» — шиной. Наращивание пропускной способности шины AGP осуществлялось за счет увеличения количества порций информации, передаваемых за такт. Соответствующие этапы и скорости — IX, 2Х, 4Х, 8Х и 266, 533, 1066, 2132 Мбайт/с. Конвейеризация обращений к памяти происходит следующим образом: в PCI, во время реакции памяти на запрос, шина простаивает. Конвейерный доступ позволяет AGP в это время передавать следующие запросы, а потом получить поток ответов (ставится в очередь до 256 запросов). Уже известно, что дальнейшего развития AGP не будет. Вместо нее, а также вместо PCI фирма Intel планирует использовать новую шину — PCI Express.
   PC Card (PCMCIA — Personal Computer Memory Card International Association, стандарт на адаптеры блокнотных ПК) — слот расширения блокнотных ПК, предназначенный для подключения к ним периферии.
   На уровень производительности ПК большое влияние оказывают определенные характеристики ранее нами отмеченных внешних шин. Количество обрабатываемой за единицу времени информации (байт) называется внутренней производительностью МП. Последняя в основном определяется тактовой частотой процессора, количеством выполняемых за такт операций, эффективным кэшированием памяти и рядом других параметров. Например, для МП Pentium 4 с частотой 2 ГГц внутренняя производительность определяется так: 32 бита х 2 ГГц = 8 Гбайт/с.
   Внешняя производительность МП, т. е. скорость обмена данными с другими устройствами через внешнюю шину данных, должна соответствовать внутренней. Однако в силу технических проблем, связанных с невозможностью обеспечения устойчивой работы внешней параллельной шины на столь высоких частотах, ограничиваются меньшими значениями. Достаточно высокая скорость обмена достигается за счет использования более широкой внешней шины (64 разряда) и передачи нескольких порций информации за один такт работы шины. Физическая тактовая частота шины составляет 100 или 133 МГц. В МП Pentium 4 данные передаются 4 раза за такт, так что эффективная частота передачи данных составляет 400 или 533 МГц, а пропускная способность — 3,2 или 4,3 Гбайт/с (см. табл. 2.1).
   Слоты расширения имеют разъемы шин ISA/EISA, PCI, AGP и др. Шины в соответствии с выполняемыми ими функциями условно разделяются на шины данных, шины адресов и шины управления (рис. 2.11).
   К шинам, предназначенным для подключения внешних и внутренних устройств, относятся такие кабельные соединения, как АТА, USB, SCSI, IEEE 1394, и др.
   Интерфейс АТА (АТ Attachment for Disk Drives) разрабатывался для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к IBM PC АТ с шиной ISA, он появился в результате переноса контроллера жесткого диска ближе к накопителю, т. е. создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Device Electronic). Соответствующий стандарт определяет набор регистров и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема. Таким образом, отпала необходимость

Рис. 2.11. Трехшинная структура ПК 

Рис. 2.11. Трехшинная структура ПК

в отдельной плате адаптера дисковода и удлинилась связь с устройством со стороны системной шины, которую по техническим причинам выводить на длинный ленточный кабель было нецелесообразно. Из всех сигналов шины ISA выбрали минимальный набор (шина данных, несколько битов шины адреса и шины управления), часть из которых буферизировали на небольшой плате, устанавливаемой в слот, а часть направили прямо на разъем ленточного кабеля нового интерфейса. Так как стандартный контроллер АТА позволял подключать до двух накопителей, эту возможность получил и интерфейс АТА. Любое устройство со встроенным контроллером, который в пространстве портов ввода/вывода имеет достаточный набор регистров, соответствующих указаниям стандарта, и способен поддержать режим выбора необходимого устройства, может подключаться к шине посредством этого интерфейса. В спецификации АТА указаны следующие компоненты:
   —  хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса АТА с системной шиной (хостом называют ПК с хост-адаптером интерфейса АТА);
   —  кабель-шлейф с двумя или тремя соответствующими 40-контактными разъемами;
   —  ведущее устройство (Master) — периферийное устройство 0;
   —  ведомое устройство (Slave) — периферийное устройство 1.
   Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса. Например, АТА-2 — расширенная спецификация АТА; ATAPI — часть спецификации АТА, ориентированная на блочный обмен данными с устройствами прямого доступа; EIDE — расширенный интерфейс для шин PCI и VLB, позволяющий подключать к двум каналам до четырех устройств, поддерживает режимы программного ввода-вывода РЮ Mode 3 и прямого доступа к памяти multiword DMA mode 1.
   Требования к пропускной способности шины АТА — 133 Мбайт/с, Serial АТА — 1500, 3000 и 6000 Мбит/с (см. пп. 2.4.3).
   USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры ПК. Шина обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером (основным компьютером) и множеством периферийных устройств. Она позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Устройства USB могут являться хабами, обеспечивающими дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключить акустические колонки с цифровым интерфейсом. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер, являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения 127 разнообразных устройств.
   Пропускная способность шины USB — 480 или 960 Мбит/с.
   SCSI (Small Computer System Interface) — системный интерфейс малых компьютеров. SCSI допускает последовательное («гирляндное») подключение до семи устройств от одной интерфейсной платы и обеспечивает при этом скорость передачи данных 5 Мбайт/с. Комбинация частоты и разрядности (Narrow — 8 бит, Wide — 16 и 32 бита) обеспечивает широкий диапазон пропускной способности. Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач в секунду — МТ/с (Mega Transfer/sec). SCSI — это интерфейс системного уровня, осуществляющий параллельную пересылку данных. Его называют Host-адаптером (адаптером- хозяином). SCSI-Host-адаптер может управлять различными устройствами, каждое из которых в свою очередь может функционировать как Host-адаптер и управлять работой семи компонентов. Host-адаптер имеет собственный BIOS, при обмене данными с МП использует такие системные ресурсы, как порты ввода- вывода, прерывания и каналы прямого доступа к памяти. Этот адаптер, как правило, имеет разъем для подключения не только встраиваемых, но и внешних SCSI-устройств. Для гарантийной передачи сигналов по магистралям SCSI линии шины должны иметь согласования по нагрузке с обеих сторон (применяются наборы согласующих резисторов или терминаторов). Это особенно важно при подключении новых SCSI-устройств: терминаторы устанавливаются на Host-адаптере и на последнем устройстве в «гирлянде» магистрали. Каждое устройство на магистрали имеет свой идентификационный номер (SCSI ID). Адрес загрузочного диска ID=0. Обмен данными происходит в соответствии с протоколами высокого уровня. Стандарт SCSI имеет нормированный список команд, который обеспечивает доступ к данным с помощью адресации к логическим блокам. Именно это и дает возможность работать фактически с любыми блочными устройствами.
   В результате развития SCSI появился стандарт SCSI-2. Расширилась система команд CCS (Common Command Set), появилась возможность управлять CD-ROM, сканерами, коммуникационными устройствами, оптическими накопителями. Стало возможным организовывать очереди команд (дополнение к логическому протоколу). Существует два типа SCSI-кабелей и соединителей: однонаправленные — использующие по одному проводу на каждую сигнальную линию (обычно используются в ПК); дифференциальные, использующие пару проводов на каждый сигнал, благодаря чему обеспечивается большая устойчивость к помехам и возможность использовать более длинные кабели (чаще используются в крупных сетях).
   SCSI-2 также стандартизировал синхронную передачу данных (передача осуществляется на каждом такте). При асинхронной передаче отсутствует привязанность к тактам и используются идентификационные биты, указывающие начало и конец блока данных.
   В результате расширения шины данных (24 дополнительных информационных разряда) в SCSI-2 образовался вариант Wide SCSI-2. В этом случае 8-разрядные устройства взаимодействуют по магистрали SCSI (используется 50-жильный кабель А), а устройства большей разрядности связываются дополнительным 68-жильным кабелем В.
   В результате развития микроэлектронной технологии удалось повысить пропускную способность магистрали SCSI, и появился вариант Fast-SCSI-2. Совместное использование Fast- и Wide-SCSI-2 позволяет достичь скорости передачи данных до 40 Мбайт/с. На практике вместо кабелей А и В используются Р-кабель (16- и 32-разрядный Wide-SCSI-2) и Q-кабель (32-разрядный Wide-SCSI), которые определены в стандарте SCSI-3.
   В табл. 2.5 перечислены разновидности параллельной SCSI- шины, включая последние варианты интерфейса — Ultra-SCSI, и приведены соответствующие скорости передачи данных (Мбайт/с).
   В качестве альтернативы параллельному интерфейсу SPI (SCSI-З Parallel Interface) появляется возможность применения последовательного, втом числе волоконно-оптического, интерфейса со скоростью 100 Мбайт/с и более.

Таблица 2.5. Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI

 Таблица 2.5. Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI

   Необходимо отметить, что существует спецификация ASPI (Advansed SCSI Programming Interface) — передовой программируемый SCSI-интерфейс, которая определяет стандартный программный интерфейс для Host-адаптера. Это дает Host-адаптеру возможность общаться с соответствующей операционной системой. Программные модули ASPI, т. е. вторичные драйверы, устанавливаются для каждого отдельного устройства, которое обеспечивает взаимодействие периферийного устройства с Host-адаптером. Основным программным модулем ASPI является ASPI- Host-менеджер, с которым и связываются вторичные драйверы.
   Пропускная способность шины SCSI — 320, 640 или 1280 Мбайт/с.
   Шина IEEE-1394 — FireWire (огненный провод) разрабатывалась с целью создания последовательной шины, не уступающей современным стандартным параллельным шинам, при существенном удешевлении и повышении удобства подключения. Она позволяет передавать информацию со скоростями от 100 до 400 Мбит/с. Эта технология применяется для подключения жестких дисков, сканеров, принтеров и цифровых видеоустройств. Данная шина становится стандартом для быстродействующих систем ввода-вывода (в перспективе скорость передачи данных повысится до 1,6 Гбит/с). Количество подключаемых периферийных устройств — до 63 с ориентацией на интенсивный обмен данными междулюбыми подключенными к нему устройствами. Изохронный трафик позволяет передавать видео, шина не требует централизованного управления со стороны ПК (возможно создать локальную сеть),
   Часто шины условно делят и следующим образом:
   —  шина процессора (соединяет CPU с системным контроллером, кэшем и другими МП в многопроцессорной конфигурации), эта самая быстрая шина работает на тактовой частоте МП. Она относится к межчиповым шинам. В МП Pentium III, Pentium 4 и Celeron эта шина 64-разрядная, физическая тактовая частота — 133 МГц, далее последует 166 МГц;
   —  шина памяти (служит для передачи информации между CPU и оперативной памятью) имеет скорость передачи информации гораздо меньшую, чем у шины МП;
   —  шина адреса (физически является частью шины МП) также является межчиповой шиной, соединяет собственно модули памяти с системным контроллером (контроллером памяти);
   —  шина ввода-вывода обеспечивает взаимодействие CPU с периферией.
   Главная особенность межчиповых шин — масштабируемость, т. е. возможность наращивания пропускной способности по мере роста потребностей за счет увеличения эффективной частоты (физической частоты — количества порций данных, передаваемых за такт) и ширины шины. На роль промышленного стандарта в качестве межсоединителя разного уровня претендуют HyperTransport и PCI Express (3GIO).
   Шина HyperTransport представляет собой масштабируемую параллельную шину «точка — точка». Масштабирование производится изменением ширины шины (2, 4, 8, 16 или 32 бита на каждое направление; для передачи тактового сигнала предусмотрено по одной линии на каждые восемь разрядов данных). Физические тактовые частоты — 200, 400, 600 или 800 МГц, эффективная частота передачи данных в 2 раза выше за счет передачи по обоим фронтам тактового сигнала. Пропускная способность в одном направлении — от 100 Мбайт/с до 6,4 Гбайт/с, полная — от 200 Мбайт/с до 12,8 Гбайт/с. В будущем скорость увеличится еще в 2 раза.
   Шина 3GIO (Third Generation 10) была анонсирована фирмой Intel в 2001 г. как замена PCI в качестве шины расширения. Позднее ее назначение было специально подчеркнуто названием, которое изменилось на PCI Express. PCI Express — это последовательная шина «точка — точка», допускающая масштабирование путем изменения количества последовательных каналов. Их может быть 1, 2, 4, 8, 12, 16 или 32. Данные передаются по обоим фронтам, тактовая частота 250 Мгц. Общая пропускная способность от 500 Мбайт/с до 16 Гбайт/с. В дальнейшем скорость передачи канала может быть повышена до предельных для медного кабеля значений 10 Гбайт/с.

 
< Пред.   След. >