Практическое занятие 13

Изучение внешних интерфейсных шин ПК

1 Цель работы

1.1 Изучить виды, характеристики и назначение внешних шин ПК.

2 Пояснение к работе

2.1 Краткие теоретические сведения

Шины персонального компьютера делятся на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров. К внешним шинам ПК относятся следующие шины.

2.1.1 SCSI (Small Computer System Interface)

Интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д.

После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом.

Система команд SCSI на уровне программного обеспечения употребляется в единых стеках поддержки устройств хранения данных в ряде операционных систем, таких, как Microsoft Windows.

Существует реализация системы команд SCSI поверх оборудования (контроллеров и кабелей) IDE/ATA/SATA, называемая ATAPI – ATA Packet Interface. Все используемые в компьютерной технике подключаемые по IDE/ATA/SATA приводы CD/DVD/Blu-Ray используют эту технологию.

Стандарты:

SCSI-1. Стандартизован ANSI в 1986 г. Использовалась 8-битная шина, с пропускной способностью в 3,5 МБайт/сек в асинхронном режиме и 5 МБайт/сек в синхронном режиме. Максимальная длина кабеля — до 6 метров.

SCSI-2. Этот стандарт был предложен в 1989 году и существовал в двух вариантах — Fast SCSI и Wide SCSI. Fast SCSI характеризуется удвоенной пропускной способностью (до 10 МБайт/сек). Wide SCSI в дополнение к этому имеет удвоенную разрядность шины (16 бит), что позволяет достичь скорости передачи до 20 МБ/сек. При этом максимальная длина кабеля ограничивалась тремя метрами.

SCSI-3 (Ultra SCSI). Предложен в 1992 году. Пропускная способность шины составила 20 МБайт/сек для 8-битной шины и 40 МБайт/сек — для 16-битной. Максимальная длина кабеля так и осталась равной трём метрам. Устройства, отвечающие этому стандарту, известны своей чувствительностью к качеству элементов системы (кабель, терминаторы).

Ultra-2 SCSI. Предложен в 1997 году. Использует LVDS (низковольтная дифференциальная передача сигналов, позволяющая передавать информацию на высоких частотах при помощи дешёвых соединений на основе медной витой пары). Максимальная длина кабеля — 12 метров, пропускная способность — до 80 МБайт/сек..

Ultra-3 SCSI (Ultra-160 SCSI). Предложен в конце 1999 года. Имеет удвоенную пропускную способность (по сравнению с Ultra-2 SCSI), которая составила 160 МБайт/сек. Увеличения пропускной способности удалось достичь за счёт одновременного использования фронтов и срезов импульсов. В этот стандарт было добавлено использование CRC (Cyclic Redundancy Check), предупреждение ошибок.

Ultra-320 SCSI. Развитие стандарта Ultra-3 с удвоенной скоростью передачи данных (до 320 МБайт/сек).

Ultra-640 SCSI (Fast Ultra-320). Предложен в начале 2003 года. Удвоенная пропускная способность (640 МБайт/сек). В связи с резким сокращением максимальной длины кабеля неудобен для использования с более чем двумя устройствами, поэтому не получил широкого распространения.

2.1.2 ATA (Advanced Technology Attachment, присоединение по передовой технологии)

Параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 90-е годы XX века был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем – SATA. Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (Integrated Drive Electronics, электроника, встроенная в привод). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующих стандартах. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство.

Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (master и slave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном – использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD и DVD.

Для подключения интерфейс вначале использовал 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате, а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф передаёт 16 бит данных.

С введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4) появилась 80-проводная версия. Все дополнительные проводники – это проводники заземления, чередующиеся с информационными проводниками. Такое чередование проводников уменьшает ёмкостную связь между ними, тем самым сокращая взаимные наводки. Емкостная связь является проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией скорости передачи 66 МБайт/с. Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов.

Стандарт ATA устанавливает максимальную длину кабеля 46 см. Это ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах, или подключение нескольких приводов, и почти полностью исключает возможность использования ATA в качестве внешних.

Скорость передачи, указываемая для стандарта UDMA4 66,7 МБ/с, показывает максимальную теоретически возможную скорость в кабеле.

2.1.3 SATA (Serial ATA)

Последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE).

Первоначально стандарт SATA (SATA/150) предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с).

Главным преимуществом SATA перед ATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками.

Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с). Часто стандарт SATA/300 называют SATA II или SATA 2.0.

Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (практически до 4,8 Гбит/с - 600 МБ/с). В числе улучшений по сравнению с предыдущей версией спецификации можно отметить улучшенное управление питанием.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у ATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA.

Стандарт SATA отказался от традиционного для ATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует).

eSATA (External SATA) – интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены».Был создан несколько позже SATA (в середине 2004). Средняя практическая скорость передачи данных выше, чем у USB или IEEE 1394. Изначально eSATA передаёт только данные. Для питания должен использоваться отдельный кабель. Компания MicroStar создала новый вид eSATA-разъёма, совместив eSATA (для данных) с USB (для питания). Новый вид разъёма имеет название Power eSATA.

2.1.4 Serial Attached SCSI (SAS)

Компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями. Разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 10 Гбит/с.

3 Задание

Составить таблицу «Внешние шины ПК» с указанием названия шины, спецификаций, характеристик (разрядность, пропускная способность) и назначения.

4 Контрольные вопросы

4.1 Почему интерфейс SCSI не получил широкого применения в персональных компьютерах?

4.2 Чем отличаются 40 и 80-проводные шлейфы для интерфейса АТА?

4.3 В чем отличие интерфейсов АТА и SАТА?

4.4 Что собой представляет разъем Power eSATA?

5 Содержание отчета

5.1 Наименование работы

5.2 Цель работы

5.3 Задание

5.4 Необходимые таблицы

5.5 Выводы по работе

5.6 Ответы на контрольные вопросы

6 Список литературы

6.1 Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2008.

6.2 Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2008.