Разъемы расширения локальной шины PCI.

Разновидности системных плат

В настоящее время десятки фирм выпускают большое число различных систем­ных плат, отличающихся и конструктивно, и по типу поддерживаемых ими мик­ропроцессоров, и по тактовой частоте их работы, и по величине рабочих напря­жений и т. д.

Тип системной платы определяет прежде всего базовый микропроцессор. Поскольку микропроцессоры фирмы Intel и процессоры некоторых других фирм, в частности фирмы AMD, используют электрически разные интерфейсы и геометрически раз­ные разъемы, то следует разделить все материнские платы на две группы по типу процессорного разъема: «интеловские» СП и прочие. Поскольку МП фирмы Intel распространены гораздо шире, в дальнейшем основное внимание уделим именно им. Так, по типу поддерживаемых Intel-микропроцессоров, СП можно разделить на следующие группы:

□ платы, рассчитанные на МП 8086, 8088, в новых компьютерах они уже не применяются более десятка лет, но кое-где, особенно в нашей стране, их най­ти еще можно;

□ платы для МП 80286 тоже устарели, но кое-где еще используются (для МП 80386 и выше непригодны);

□ платы для микропроцессоров 80386 и 80486 — используются в соответствую­щих ПК прежних лет выпуска; следует иметь в виду, что системные платы, установленные в компьютерах с МП 80386, часто не пригодны для установки МП 80486, а в компьютерах с МП 80486 чаще всего несовместимы с МП Pentium (в случае модернизации (upgrade) при замене МП приходится ме­нять и системные платы); некоторые из плат этой группы позволяют устанав­ливать дополнительно МП Over Drive, расширяющий характеристики основ­ного микропроцессора до уровня характеристик МП Pentium. В этой группе определены многие важные параметры системных плат, характеризующие современные СП и поныне, в частности, стандартным стал тип микропроцес­сорного разъема с нулевым усилием сочленения (тип ZIF — Zero Insertion Force), что позволяет проводить замену МП в домашних условиях без приме­нения специальных инструментов;

□ платы для МП Pentium и Pentium Pro рассчитаны на напряжения питания 3,3 В и 5 В и тактовые частоты 60, 66, 75 МГц. СП, ориентированные на МП Pen­tium Pro, отличаются лишь другим процессорным разъемом и отсутствием кэш­памяти второго уровня, которая интегрирована непосредственно на плату МП;

□ платы для МП Pentium MMX, отличающиеся от плат для МП Pentium и Pen­tium Pro двумя раздельными напряжениями питания (2,8 В и 3,3 В), наличи-

Системные платы

ем модифицированного процессорного разъема Socket 7 и специальной мик­росхемы BIOS, поддерживающей ММХ;

О СП для МП Pentium II (а также и Celeron) имеют разъем Slot 1 или Socket 370, пониженное напряжение питания 2,0 В; у них отсутствует кэш-память 2-го уровня. Материнские платы этой группы (в частности с чипсетами iBX) впер­вые могут работать с тактовыми частотами 100, 133, 150 МГц;

□ СП для микропроцессоров Pentium III с новыми разъемами типа Socket 370 (для Xeon — Slot 2) используют еще более низкие напряжения — 1,65 В и рабо­тают с чипсетами iBX, iGX, iZX, i810, i815, i820, i840, VIA Apollo Pro и неко­торыми другими, поддерживающими тактовые частоты от 100 до 266 МГц;

□ СП для микропроцессоров Pentium 4 с разъемами Socket 423 или Socket 478, раздельными напряжениями питания 5 уровней от 1,1 В до 1,8 В, на чипсете i850 поддерживающие тактовые частоты до 400 МГц.

Важным параметром системной платы является тактовая частота (FSB) на кото­рой она работает: современные СП имеют рабочие частоты 100, 133, 150, 200, 266 и даже 400 МГц. Этот параметр особенно влияет на производительность ПК, вы­полняющего задания, не содержащие большого количества математических опе­раций, а связанные с процедурами пересылки информации (например, большин­ство преобразований экономической информации).

Socket 7, Slot l, Socket 370, Socket 8, Slot 2, Slot A, Socket 423 — процессорные разъемы, установленные на материнской плате. Спецификация разъема опреде­ляет как сам конструктив разъема, так и назначение контактов, электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности взаимодействия с оперативной памятью и т. п.

Существуют различные базовые типоразмеры (форм-факторы) плат. Форм-фактор определяет не только внешние размеры системных плат, но и ряд специфических параметров, характеризующих функциональные и эксплуатационные свойства СП:

□ Full-size Л Г размером 12 х 13,8 дюйма (использовались в первых моделях IBM
PC, сейчас не выпускаются);

О Baby AT — имеют ширину 8,57 и длину 13,04 дюйма, и их разновидность Mini AT — 8,57 х 9,85 дюйма; они могут устанавливаться во все корпуса, кро­ме Slim line (выпускаются, но также постепенно устаревают);

О полномасштабные платы Л Г отличаются от Baby AT только размером — ши­рина их составляет 12 дюймов, что затрудняет их установку в корпус;

a LPX и Mini LPX размером 9 х 13 и 8,2 х 10,4 дюйма, соответственно — уста­навливаются в сверхнизкие корпуса SlimLine;

а АТХ — самый распространенный типоразмер системной платы, 9,6 х 12 дюй­мов, отличающийся от Baby AT более удобным расположением элементов на плате (позволяет легко без снятия платы менять ее элементы), лучшей вен­тиляцией (не требуется устанавливать отдельный вентилятор на микропро­цессор), наличием разъема новой универсальной шины USB и возможностью дистанционного выключения питания компьютера с модема или по локальной сети. На плате установлены разъемы только под модули оперативной памяти DRAM. В 1997 году была представлена модификация MiniATX — СП разме­ром 9,6 х 9,6 дюймов.

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

Системные платы поддерживают разные виды интерфейсных системных, локальных и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на СП, существенно зависит эффективность работы ПК в целом. От типа используемого на СП набора системных микросхем(чипсета) зависят многие важные характеристики ПК. Чипсеты определяют во многом тактовую час­тоту шин СП, обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонен­тами ПК. В частности, они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого до­ступа к памяти, микросхемы управления памятью и шиной — все те компоненты, ко­торые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памя­тью и иногда — контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных микросхем. В последних разработках в состав микросхем набо­ров для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы:

□ типы поддерживаемых процессоров;

□ структуру и объем кэш-памяти;

□ возможные сочетания типов и объемов модулей памяти;

□ поддержку режимов энергосбережения;

□ возможность программной настройки параметров и т. п.

Современные системные наборы состоят из двух базовых микросхем с условными именами северный мост (North bridge) и южный мост (South bridge). Северный мост обеспечивает управление четырьмя компонентами: шиной оперативной па­мяти, интерфейсными шинами PCI, AGP и системной шиной МП, поэтому его иногда называют 4-портовым контроллером. Южный мост имеет в своем составе контроллеры (адаптеры) дисководов, клавиатуры, мыши, управляет интерфейс­ными шинами IDE/ATA, SCSI, USB, IEEE 1284; его также называют функцио­нальным контроллером.

Наиболее известные наборы микросхем для СП выпускает фирма Intel. Сейчас популярны ее чипсеты 440ВХ, 440GX, 440ZX, 810, 815, 820, 840 и последние, разработанные для МП Pentium 4. Распространены также весьма удачные мик­росхемы фирмы VIA Technologies — VIA Apollo, фирм Acer Laboratories, Silicon Integrated System и т. д.

В начале 2003 года для МП Pentium 4 выпускались следующие наиболее попу­лярные чипсеты: i850 (850E), i845 (845D, 845Е, 845РЕ, 845GE, 845GV), i875 (875Р, 865), SIS 645, VIA 266.

Типы чипсетов и их модификации различаются типами поддерживаемых микро­процессоров и памяти DRAM (SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM), частотой процессорной шины между мостами (133, 266, 400, 533, 800 МГц), вариантами схем мостов, версиями поддерживаемых протоколов UDMA, AGP, Ethernet, USB, наличием встроенного видеоадаптера и др.

Например, чипсетов i845 для работы с памятью DDR выпущено несколько мо­дификаций:

□ i845 поддерживает только память SDRAM — PC133;

□ i845D поддерживает DDR133 - РС2100;

Системные платы

□ i845E имеет шину 533 МГц и поддерживает DDR;

□ i845PE поддерживает DDR - РС2700;

□ i845GV поддерживает DDR и встроенную графику, имеет шину AGP;

□ i845GE поддерживает DDR и встроенную графику;

□ чипсет i875D поддерживает память DDR, i865 — упрощенный вариант i875.

Чипсет i850E поддерживает RDRAM PC1066 и частоту шины 533 МГц, обеспе­чивая самую производительную (4200 Мбайт/с) на начало 2003 года платформу на основе МП Pentium 4.

Многие новые версии чипсетов поддерживают прямой 2-канальный доступ к па­мяти, 6 портов USB 2.0 и технологию Hyper-Threading, позволяющую организо­вать многопроцессорный режим даже при наличии только одного установленно­го МП (один физический процессор представляется операционной системе как два логических, и она, не видя разницы, направляет потоки как на двухпроцес­сорную систему).

Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов представлены в табл. 5.2.

Системная плата имеет разъемы {слоты) для установки определенных модулей оперативной памяти. Для модулей ОЗУ используются 30-, 72- и 168-контактные разъемы и они сгруппированы в 2-4 слотах. Слоты с 30 и 72 контактами рассчи­таны на модули памяти типа SIMM, которые в новых машинах уже не использу­ются; 168-контактные слоты предназначены для современных модулей DIMM. С точки зрения поддерживаемой оперативной памяти, важными характеристи-

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

ками СП являются также число слотов памяти, рабочая тактовая частота памяти (например память РС100, РС133 и т. п.), общая емкость поддерживаемой памяти (так, чипсет i815 обеспечивает работу только 512 Мбайт памяти, в то время как 440ВХ, i820 и VIA Apollo - 1024 Мбайт).

На системных платах может размещаться дополнительная кэш-память второго уровня (Cache Level 2), которая предназначена для ускорения процесса обмена данными между процессором и оперативной памятью и служит для временного хранения часто используемых данных и команд, снимая во многих случаях необ­ходимость обращения к более медленной оперативной памяти.

Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память относится, как правило, ко второму уровню, так как во многих процессорах уже имеется встроенная в кристалл кэш-память первого уровня. Объем Cache Level 2 на СП варьируется от 128 до 1024 Кбайт: микросхемы кэш-памяти выполнены в корпу­сах типа DIP или SOP и устанавливаются либо в соответствующие разъемы DIP-панельки, либо распаиваются непосредственно на плате. Синхронная кэш­память может размещаться в специальных модулях COAST, очень напоминаю­щих модуль SIMM и устанавливаемых в специальный разъем.

Современные модели процессоров Pentium II, III и 4 имеют Cache Level 2 на плате самого процессора, поэтому для них кэш-память на материнской плате может отсутствовать. На системной плате (в новых моделях обычно в составе микросхем чипсета) располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими ком­понентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособ­ности внешних компонентов, таких, например, как системные загрузочные диски (назначение BIOS более подробно рассмотрено в разделе «Операционные системы ПК» главы 10). В BIOS есть программа, которая называется System Setup — имен­но с ее помощью пользователь управляет самыми глубокими настройками системы.

В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, программы в которых могут перезаписываться при помощи специ­альных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении но­вых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти). У Flash BIOS есть один существенный недо­статок. Существует много вирусов, которые, попав в систему, просто стирают все содержимое Flash BIOS, после чего системная плата выходит из строя. Самый известный из подобных вирусов — печально известный «Чернобыль», который испортил очень большое количество компьютеров. От вирусов можно защитить­ся только одним способом — в System Setup запретить перезапись содержимого BIOS. Если эта опция активизирована, то ни один вирус ничего сделать не сумеет.

Важным компонентом, размещенным на системной плате (часто в системном чипсете), является микросхема CMOS-памяти. Она питается от своего локально­го аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Название CMOS произошло от названия технологии исполнения ее элементов. Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК. Информация в ней может изме­няться по мере необходимости, то есть память отслеживает текущую конфигура­цию компьютера, на что не способна микросхема BIOS. Поэтому при загрузке компьютера BIOS берет необходимую для своей работы информацию об изме-

Системные платы

няемых параметрах компонентов ПК именно из этой памяти. Так, из CMOS-памя­ти считывается информация об установленном МП, о типах и емкости оператив­ной и всех видах дисковой памяти, о работоспособности устройств компьютера и т. д. Четкое отслеживание времени (в том числе и календаря), даже в отклю­ченном от энергосети состоянии, также связано с тем, что информация о време­ни хранится в CMOS-памяти.

На системных платах располагаются также перемычки («джамперы») и DIP-пере­ключатели, используемые для конфигурирования различных компонентов: пе­реключатели используемого напряжения (5 В, 3,5 Вит. д.), переключатели внутренней частоты МП и другие. «Джампер» представляет собой съемную пе­ремычку, устанавливаемую на штырьковые контакты СП; DIP-переключатели — это миниатюрные выключатели в DIP-корпусе. В современных компонентах пы­таются сократить количество механических переключений, перекладывая их на автоматические программно-управляемые электронные схемы. Компоненты, которые после установки конфигурируются автоматически, относят к категории PnP-устройств (PnP — Plug and Play, «Включай и работай»).

В заключение — несколько слов о системной плате ASUS P4T для процессора Pentium 4. Внешний вид этой платы показан на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Системная плата ASUS P4T

Вот спецификация этой платы с небольшими сокращениями.

□ Процессор:

О процессор Intel Pentium 4 (однопроцессорная конфигурация) на разъеме Socket 423 с тактовой частотой 1,4-1,5 ГГц и выше;

О системная шина с возможностью передачи данных на частоте 400 МГц.

□ Чипсет (функциональная схема чипсета показана на рис. 5.6):

О северный мост: Intel 82850 Memory Controller Hub (MCH);

О южный мост: Intel 82801 I/O Controller Hub 2 (ICH2);

О интерфейс с южным мостом — 8-разрядный, 4 х 66 МГц Hub Interface. Микросхема Intel 82802AB Firmware Hub (FWH).

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

Рис. 5.6.Функциональная схема чипсета i860

□ Системная память:
О 4 слота RIMM;

О поддержка двух каналов РС800/РС600 RDRAM памяти общей емкостью до 2 Гбайт;

О поддержка ЕС С (Error Checking and Correction) — режима автоматическо­го обнаружения и исправления одиночных битов в хранимых числах (при­меняется код Хэмминга — глава 20).

□ Слоты интерфейсов расширения:

О 1 AGP Pro/AGP слот для 66 МГц AGP-интерфейса с поддержкой режима

четырехкратного умножения (4х); О 5 слотов PCI.

□ Порты ввода-вывода:

О 1 порт для дисковода, 2 последовательных и 1 параллельный порты, порты для мыши и клавиатуры;

О 2 встроенных и 2 дополнительных порта USB.

□ Интегрированный IDE-контроллер:

О 2 канала IDE, поддерживающие протоколы АТАЗЗ/66/100 (до четырех ATAPI-устройств).

a BIOS:

О 4-мегабитовая Flash ROM;

О Award BIOS с поддержкой РпР и режима энергосбережения.

□ Форм-фактор:

О Standard ATX 24,4 х 30,5 см (9,6 х 12,0 дюйма). Значимость этих данных в плане пропускной способности каждой подсистемы отражена в табл. 5.3.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Таблица 5.3.Пропускная способность интерфейсов СП Р4Т

Интерфейс

Тактовая Количество Разрядность, Пропускная

частота, блоков данных бит/байт способность,

МГц за такт Мбайт/с

Итак, при выборе системной платы следует учитывать:

□ микропроцессор, который должен быть установлен на плате;

□ типоразмер системной платы (должен быть согласован с возможностями сис­темного блока);

□ тактовую частоту, на которой работает системная плата;

□ набор основных и вспомогательных микросхем (чипсет), обеспечивающих эффективную работу ПК;

□ основную, локальные и периферийные шины, с которыми плата может рабо­тать, и количество слотов для них;

□ наличие или возможность установки кэш-памяти;

□ наличие разъемов для подсоединения микросхем (разъем для процессора Over Drive, слоты для микросхем памяти и т. д.).

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Интерфейс (interface)¹ — совокупность средств сопряжения и связи, обеспечи­вающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обыч­но предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, эле­менты связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаи­модействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом.

Внутримашинный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность электрических линий

¹ В компьютерной литературе иногда вместо термина «интерфейс» употребляют термины «контроллер*- или «адаптер». Строго говоря, это не совсем верно, так как контроллер (controller) управляет интерфейсом и обеспечивает его работоспособность, адаптер (adapter) же отвечает за совместимость интерфейсов.

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

□ многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс иногда применяет­ся в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройства­ми ПК), дополняющего системный, а в качестве системного — лишь в некото­рых простых компьютерах;

□ односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфей­са используется системная шина. Шина (bus) — совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Структура и состав систем­ной шины были рассмотрены в разделе «Интерфейсная часть МП». Важнейши­ми функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зави­сит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

Разрядность или ширина шины (bus width) — количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно.

Тактовая частота шины (bus frequency) — частота, с которой передаются после­довательные биты информации по линиям связи.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

□ шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

□ локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видеосистем.

В компьютерах широко используются также периферийные шины — интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно дейст­вующих устройств. Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 5.4.

Шины расширений

□ Шина расширения ISA(Industry Standard Architecture — промышленная стан­
дартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC/XT (1981 год)
и для PC AT (1984 год). Она использовалась в первом компьютере IBM PC,
и тогда это было неофициальное название шины IBM PC/XT, позволяющей
добавлять в систему различные устройства. Часто возникает путаница от­
носительно ее характеристик, поскольку в новых компьютерах эта шина не
применяется, а фирма IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания
и временных диаграмм сигналов.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Шина PC/XT— 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рас­считанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных пре­рываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микро­процессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088.

Шина PC/AT—16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, ра­бочая тактовая частота до 8 МГц, но может применяться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины способен делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с МП 80286, совместима и с МП с тактовой частотой больше 66 МГц (коэффи­циент деления увеличен); увеличено количество линий аппаратных прерыва­ний с 4 до 15 и каналов прямого доступа к памяти (DMA) с 4 до 7. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. Конфигурация системы с шиной ISA показана на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Конфигурация системы с шиной ISA

ISA — основная шина на устаревших материнских платах. С появлением 32-раз­рядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК. Раньше с помощью интерфейса ISA подключа­лись такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На со­временных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1-2 слота. Конструктивно слот ISA представляет собой разъем, состоящий из двух частей — 62-контактного и примыкающего к нему (в PC AT) 36-контактного сегментов.

Шина EISA(Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расшире­ние ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт, работает на частоте 8-10 МГц.

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

Теоретическая пропускная способность шины — 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП — кэш — ОП определяется параметрами микросхем памяти; увеличено число разъемов расширений — теоретически может подключаться до 15 устройств (практически до 10). Улучшена система прерываний, поддержива­ется Bus Mastering — режим единоличного управления шиной со стороны любо­го из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вы­числительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины на СП имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъ­ема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.

Шина МСА(Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фир­мой IBM в 1987 году для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, ра­бочая частота 10-20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку компьютеры PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия на­работанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко. Второй важной причиной отсутствия спроса на МСА является несовместимость плат адаптеров ISA с МСА. И не последнюю роль сыграл тот факт, что IBM потребовала от всех изготовителей, желающих приобрести права на использование этой шины, заплатить за использование ISA во всех выпущен­ных ранее компьютерах. Собственно говоря, это и повлекло за собой разработку альтернативы — EISA.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

□ стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внеш­них устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высо­ким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

□ появлением программ, требующих выполнения большого количества интер­фейсных операций (например программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих од­новременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной рабо­ты пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разра­ботчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми ско­ростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.

Сейчас существуют три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Шина VLB(VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стан­дартов видеоэлектроники (VESA — торговая марка Video Electronics Standards Association) и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже — с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных — 32 бита, для адреса — 30, реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с, теоретически достижимая — 132 Мбайт/с (в версии 2 — 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

□ ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

□ жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

□ малое количество подключаемых устройств — к шине VLB может подклю­чаться только 4 устройства;

□ отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемы­ми устройствами.

Шина PCI(Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонен­тов) — самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Разработана в 1993 году фирмой Intel. Шина PCI являет­ся намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 уст­ройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI — 33 МГц, разряд­ность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расшире­ния до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-бито­вом варианте — 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способ­ность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров.

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секции по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интер­фейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате име­ется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является незави­симой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 5.8.

Шина AGP(Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интер­фейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандар­та PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передают­ся 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьми­кратного умножения AGP8x — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для уде­шевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Рис. 5.8. Конфигурация системы с шиной PCI

Шина AGP имеет два режима работы: DMAи Execute.В режиме DMA основ­ной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в сис­темной памяти, но перед использованием копируются в локальную память кар­ты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Гра­фические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосред­ственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адре­са фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видео-адаптер. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 5.9.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Рис. 5.9. Конфигурация системы с шиной AGP

Все сказанное выше в отношении шин обобщается в табл. 5.4. Таблица 5.4. Основные характеристики шин

Периферийные шины

Периферийные шины гораздо более разнообразны.

Периферийные шины IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (AT Attachment — подключаемый к AT), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Inter­face) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запо­минающих устройств.

Интерфейс АТА,широко известный и под именем Integrated Drive Electronics (IDE),предложен в 1988 году пользователям ПК IBM PC AT. Он ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайт (по причине организации адресного про­странства в традиционной BIOS «головка-цилиндр-сектор»: 16 головок х 1024 ци­линдра х 63 сектора х 512 байт в секторе = 504 Кбайт = 528 482 304 байт) и обес­печивает теоретическую скорость передачи данных 5-10 Мбайт/с.

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA (тоже с номерами), Ultra АТА (и их несколько) и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддер­живающие протоколы ATAPI, DMAи т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в ли­тературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоя­щее время более 90% всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE.

Кратко рассмотрим некоторые модификации.

Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE — расширенный IDE), использующий как традиционную (но расширенную) адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address — LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стандарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и НКМЛ.

ATAPI(ATA Package Interface) — стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD-ROM, стримеры, сканеры и т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra ATA обслу­живают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с, поддер­живают технологию SMART(Self Monitoring Analysis and Report Technology — технологию самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устрой­ствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно.

UDMA(Ultra Direct Memory Access) — режим прямого доступа к памяти. Обыч­ный метод обмена с жестким диском IDE — это программный ввод-вывод, РЮ (Programmed Input/Output), при котором процессор, используя команды вво­да-вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отни­мает какую-то часть процессорного времени. Ввод-вывод путем прямого досту­па к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена.

На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых воз­можно подключение до двух устройств.

SCSI(Small Computer System Interface) является более сложным и мощным ин­терфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров — например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования-декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т. п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выпол­няет функции обмена данными между устройством и компьютером — часто в ав­тономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA — пря­мого доступа к памяти, или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

шины). Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битовую шину; SCSI-2 и SCSI-3 — 16- или 32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабо­чих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом под­ключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропуск­ная способность может достигать 80 и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI: Plug and Play добавлены средства поддержки технологии Plug and Play — автома­тическое опознание типа и функционального назначения устройств, настройка без помощи пользователя или при минимальном его участии, возможность заме­ны устройств во время работы и т. п. Все SCSI-устройства управляются специ­альным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы рас­ширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

RS-232— интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационно­му порту (СОМ-порту). Управление работой СОМ-портов (число которых огра­ничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем СОМ-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

IEEE 1284{Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 — стандарт Институ­та инженеров по электротехнике и электронике 1284) — стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port — стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port — улуч­шенный параллельный порт), ЕСР (Extended Capabilities Port — порт с расши­ренными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

Универсальные последовательные периферийные шины

USB(Universal Serial Bus) — новая универсальная последовательная шина. Она появилась в 1995 году и призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (СОМ-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть прийти на смену последовательным и параллельным клавиатурным и «мышиным» портам — все устройства подключаются к одному разъему, допускающему уста­новку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug and Play. Техно­логия Plug and Play — «включай и работай» — позволяет производить «горячую» замену, то есть замену устройств без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опозна­ются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устрой­ству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекват­ной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

работает. В данном случае такой ОС является Windows 95 и выше. К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств, практически любых: мони­торы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т. д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора — то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу — пакетный, скорость обмена — 12 Мбит/с. В 2001 году появилась следующая спецификация интерфейса USB 2.0 (начальный стандарт теперь называется USB 1.1), обеспечивающая пропускную способность 480 Мбит/с. Поддерживается также дополнительный подканал со скоростью обмена данны­ми в 1,5 Мбит/с для медленных устройств (клавиатуры, мыши, модема). Шина USB реализует как синхронный (нужный, например, при проведении телекон­ференций), так и асинхронный режимы передачи данных. Компания Microtune анонсировала шину Cablefree USB — интерфейсы USB 1.1 и 2.0 с Bluetooth-адаптером, позволяющую подключать устройства по оптическому каналу на рас­стоянии до 30 метров (технология Bluetooth обеспечивает связь даже при отсут­ствии прямой видимости).

IEEE 1394{Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 — стандарт Институ­та инженеров по электротехнике и электронике 1394) — новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонентов компьютера и внешних устройств. IEEE 1394 известен также под именем FireWire — «огненный провод» (хотя это название — собственность Apple и на компьютерах других производителей не применяется, как и цифровой интерфейс iLink компании Sony, также объединенный в стандарте IEEE 1394). Цифровой последовательный интерфейс FireWire характеризуется высокой на­дежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантиро­ванную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины FireWire можно подсоединить друг к другу огромное коли­чество различных устройств по технологии Plug and Play и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от названных ранее трудно конфигу­рируемых шин типа SCSI. К одному контроллеру возможно подключение до

63 устройств на один порт с помощью единого шестижильного кабеля. Пропуск­
ная способность интерфейса составляет 100-400 Мбит/с, а в будущем ожидает­
ся даже 1600 Мбит/с. Этот интерфейс будет использоваться для подключения
жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных
внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д.

PCMCIA{Personal Computer Memory Card International Association — ассоциа­ция производителей плат памяти для персональных компьютеров) — внешняя шина компьютеров класса ноутбуков. Другое название модуля PCMCIA — PC Card. Шина имеет разрядность 16/26 (данные/адрес, адресное пространство —

64 Мбайт), поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и от­
ключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив — миниатюр­
ный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что по­
зволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

ACPI{Advanced Configuration Power Interface — расширенный интерфейс конфи­гурирования и питания) — интерфейс, представляющий собой единую систему

Вопросы для самопроверки

управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается но­вейшими модификациями BIOS материнских плат.

В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) анонсировала новый чрезвычайно эффективный последовательный интерфейс Serial ATA,обеспечивающий пропускную способность 1500 Мбит/с по 8-жильному кабелю (вместо 80-жильного, используемого параллельным АТА). В последующих версиях предполагается увеличение скорости обмена данными до 3000-6000 Мбит/с.

Появилась информация и о начале работ над интерфейсом Serial Attached SCSI (SAS).

Начало этого тысячелетия вообще знаменуется кардинальным обновлением интер­фейсов ПК. Фирма Intel и ее сподвижники почти все порты (COM, LPT, PS/2) и параллельные интерфейсы (ISA, PCI, IDE-ATA) меняют на скоростные после­довательные. Уже появились системные платы, использующие только интерфейсы USB, не за горами время, когда мы сможем встретить только интерфейсы Serial ATA

Вопросы для самопроверки