Тема урока: Стандарты шин.
Цели:
1. Рассмотреть основные стандарты шин.
2. Содействовать в ходе урока формированию мировоззренческого понятия познаваемости мира.
3. Развивать познавательные способности, интерес к предмету.
Методы: информационно-развивающие, действенно-практические.
Тип: Комбинированный.
Форма проведения: урок.
ТСО и материалы: Персональный компьютер.
Литература: МогилёвА.В., Пак Н.И., Хённер Е.К. Информатика: Учебное пособие для студентов пед.вузов.-М.,1999.-816 с.
Всё о компьютере/ В.Н.Мирошников. – М.: ООО «Издательство АСТ», 2003. – 319с.
Ход урока
Организационный момент
Проверка домашнего задания
Вопросы:
Назначение шины управления.
Цикл шины. Определение, описание процесса.
Магистраль. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ.
Понятие локальной шины.
Объяснение нового материала Стандарты шин
Обычно количество и типы устройств ввода/вывода в вычислительных системах не фиксируются, что позволяет пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода/вывода компьютера может рассматриваться как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода/вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода/вывода работать независимо. Появление стандартов определяется разными обстоятельствами.
Иногда широкое распространение и популярность конкретных машин становятся причиной того, что их шина ввода/вывода становится стандартом де-факто. Примерами таких шин могут служить PDP-11 Unibus и IBM PC/AT Bus. Иногда стандарты появляются также в результате определенных достижений по стандартизации в некотором секторе рынка устройств ввода/вывода. Интеллектуальный периферийный интерфейс (IPI - Intelligent Peripheral Interface) и Ethernet являются примерами стандартов, появившихся в результате кооперации производителей. Успех того или иного стандарта в значительной степени определяется его принятием такими организациями как ANSI (Национальный институт по стандартизации США) или IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике). Иногда стандарт шины может быть прямо разработан одним из комитетов по стандартизации: примером такого стандарта шины является FutureBus.
Какие бывают шины
Первой системной шиной для IBM PC была XT-Bus, позволявшая передавать 8-разрядные данные внутри 20-разрядного адресного пространства (это называлось разрядностью 8/20) и работавшая с частотой 4,77 МГц. Нужно отметим, что совместное использование линий IRQ несколькими адаптерами в этой шине было невозможно. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа к памяти (DMA). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. При этом системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4.77 МГц. Таким образом, теоретическая скорость передачи данных могла остигать немногим более 4 Мбайт/с.
Расширением предыдущей шины стала AT-bus, позднее получившая ставшее более распространенным название ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта). Эта шина позволяла передавать 16-разрядные данные внутри 24-разрядного адресного пространства и работала с тактовой частотой 8 МГц. Так же как и ее предшественница, ISA не позволяет разделять IRQ. Конструктивно разъем этой шины выполнен так же, как у XT-bus, но с добавившимся 36-контактным разъемом расширения. Предельная пропускная способность ISA составляет 5,6 Мб/с.
Первой полностью 32-разрядной шиной стала EISA (Enhanced ISA — расширенная ISA), появившаяся в конце 1988 года, работавшая на частоте 8 МГц и обратно совместимая с ISA. Преимуществами новой шины стали, во-первых, в несколько раз большая предельная пропускная способность (32 Мб/с), а во-вторых, появление поддержки Bus Mastering — режима, в котором внешние устройства могут управлять шиной (выдавать сигналы управления, пересылать данные) самостоятельно, без участия процессора. Для предотвращения конфликтов при совместном доступе устройств к шине введена система арбитража. Кроме того, EISA позволяет нескольким устройствам разделять между собой линии IRQ и каналы DMA.
Шины ISA и EISA довольно долгое время доминировали в качестве системных шин персональных компьютеров, сейчас же постепенно сходят на нет.
Слот шины ISA
В компьютерах PS/2 фирмы IBM была применена собственная системная шина MCA (Micro Channel Architecture — микроканальная архитектура), несовместимая со всеми остальными. Архитектура этой шины была запатентована IBM и в результате нигде, кроме PS/2, так и не была использована. Шина МСА имела разрядность 8/24 с возможностью расширения до 32/32, а также поддержку режима Bus Mastering с арбитражем.
Предельная пропускная способность ее была на тот момент рекордной — 40 Мб/с.
Все вышеописанные шины, за исключением МСА, не сыгравшей большой роли на рынке компьютеров, произведенных не IBM, а другими фирмами, имели достаточно низкую пропускную способность. Развитие их происходило в основном за счет увеличения числа линий. Одновременно с появлением 486 процессора происходило создание новых видеокарт с большим разрешением и количеством цветов, а также быстрых контроллеров жестких дисков. Эти устройства требовали повышенной скорости обмена с ними. Для выхода из положения была придумана архитектура, получившая название локальной шины (Local Bus). В ней высокоскоростные операции обмена данными производятся не через медленную системную шину ввода/вывода, а через быструю шину процессора.
Локальная шина стала не заменой ISA, а лишь дополнением к ней. Первоначально слоты локальной шины использовались почти исключительно для подключения к ним быстрых видеокарт. Поначалу на рынке существовало несколько независимых, несовместимых между собой вариантов локальных шин, пока в 1992 году ассоциация VESA (Video Electronic Standard Association — ассоциация видеоэлектронных стандартов) не предложила свою спецификацию локальной шины VLB в качестве стандарта. VLB (VESA Local Bus — локальная шина стандарта VESA) была полностью 32-разрядной, работала с тактовой частотой 25-50 МГц и имела предельную скорость обмена 130 Мб/с. Шина поддерживала режим Bus Master с числом устройств, работающих в этом режиме, до трех. Для таких устройств поддерживался также DMA.
Ш ина VLB стала большим шагом вперед по сравнению с ISA, поскольку к ней можно было подключать не только видеокарты, но и быстрые жесткие диски, и потому стало возможным ликвидировать отставание по скорости сразу в двух подсистемах.
С целью исправления недостатков этой шины Intel разработала шину PCI, 32-разрядную с возможностью расширения до 64-разрядной, поддерживавшую режим Bus Mastering и автоконфигурацию. Тактовая частота ее составила 33 МГц (с возможностью расширения до 64 МГц). Предельная пропускная способность PCI составляет 132 Мб/с, в расширенных вариантах повышается вплоть до 528 Мб/с для 64-разрядной шины на 66 Мгц. На одном сегменте шины PCI не может находиться более четырех слотов, зато сегменты могут объединяться в сети различных топологий (древовидная, звездообразная и т. п.).
Разъемы шины PCI делятся на три вида: с напряжением питания 5В, 3,3 В и универсальные. Универсальные карты ставятся в любой разъем, в остальных случаях необходимо следить за соответствием разъемов на карте и слоте.
Ш ина PCI является наиболее распространенной на момент написания этой книги.
С тоит еще рассмотреть так называемую шину AGP (Accelerated Graphics Port — порт ускоренной графики), использующуюся исключительно для обеспечения работы быстрых видеокарт. Необходимо рассматривать AGP не как замену PCI, а как независимое дополнение к ней. Шина AGP имеет выход непосредственно на системную память и использует ее для своих целей (буфер глубины (z-buffer), текстурирование, сопряжение текстур, альфа-каналы и т. д.) вместо увеличения объема дорогостоящей встроенной графической памяти видеокарты. Предельная пропускная способность шины AGP — 2 Гб/с. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, к которому подключается AGP-видеокарта.
Ф ирма Intel разработала шину под кодовым названием PCI Express, призванную заменить PCI и AGP на участках, требующих повышенной скорости обмена данными (соединение со скоростными видеокартами, сетевыми адаптерами Gigabit Ethernet, а также между частями чипсета, отвечающими за работу с памятью и ввод/вывод). Предельная пропускная способность PCI Express (другое название 3GIO) составляет до 4 Гб/с. Согласно планам разработчиков, некоторое время эта технология будет сосуществовать с PCI, а впоследствии должна полностью заменить ее.
Фирма Intel, всеми средствами пытающаяся убрать с современных системных плат шину ISA, предлагает альтернативные решения на замену ISA, в частности архитектуру AMR (Audio/Modem Riser Card — аудио/модемная райзер-карта). Спецификация АМС'97 (Audio Modem Codec — аудио- и модемный кодер/декодер) версии 2.0 определяет интерфейс для подключения к материнской плате через соответствующий слот звуковых карт и модемов, соответствующих стандарту AMR. Эти карты и модемы на практике очень дешевы и содержат очень мало деталей, основными из которых являются цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, а практически весь синтез звука выполняется программным путем, что увеличивает нагрузку на центральный процессор. Качество звука таких аудиокарт, как правило, ниже среднего, а модемы из-за различий в стандартах в российских условиях оказывается вообще невозможно использовать. Впрочем, возможно, со временем такое положение изменится. Дальнейшим развитием этой технологии явилось CNR (Communications Network Riser — сетевая райзер-карта). CNR-карта может рассматриваться как расширение материнской платы. В CNR-слот могут вставляться вышеупомянутые модемы и аудиокарты, а также сетевые карты. Основную работу здесь выполняет специальная программа, управляемая системным чипсетом.
AMR и CNR теоретически должны обеспечивать дешевые, легко расширяемые путем установки новых версий управляющих программ решения, но на деле, ввиду привязки программной части к версии операционной системы, получается негибкая и ненадежная система, к тому же отнимающая ресурсы и процессора.