Каналы и интерфейсы ввода-вывода

 

 


Все устройства ЭВМ подключаются с использованием интерфейсовИнтерфейсобеспечивает сопряжение и связь устройств друг с другом и ЭВМ. В интерфейсе предусмотрено сопряжение на механическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуды, протоколы взаимодействия) уровнях [4].

Все многообразие интерфейсов ЭВМ образует иерархическую структуру, в основе которой находятся интерфейсы системного уровня подключения. Для этой группы интерфейсов характерно, что в их транзакциях фигурируют физические адреса пространства памяти и пространства ввода-вывода. Совокупность интерфейсов системного уровня образуют системную шину ЭВМ, которую можно представить в виде следующих физических интерфейсов [8]:



  • шина подключения центрального процессора – FSB (Front Side Bus – фасадная шина);

  • шина подключения контроллеров памяти (ОЗУ и ПЗУ); шина памяти (memory bus) системной уже не является, т.к. в ней используются не системные адреса, а адреса физических банков памяти;

  • шины ввода-вывода, обеспечивающие связь между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами.

Шины характеризуются рядом функциональных характеристик, важнейшей из которых является пропускная способность, определяющая скорость работы и измеряемая в Мб/с. На пропускную способность влияют: разрядность шины (bus width) – количество линий связи в шине, а значит и количество битов информации, которые можно передавать по шине одновременно;тактовая частота шины (bus frequency) – частота, с которой передаются биты информации по линиям связи.

Существует большое количество шин, позволяющих подключать устройства и осуществлять информационное взаимодействие между ними. Рассмотрим более подробно некоторые виды шин.

Шины расширений. Наиболее известный представитель этих шин – ISA (Industry Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура), а также ее усовершенствованный вариант EISA (Extended ISA), ставшая 32-разрядной. Данный вид шин не используется в персональных ЭВМ уже достаточно продолжительное время, однако сплошь и рядом встречается на производстве в одноплатных промышленных ЭВМ.

Самый распространенный до недавнего времени вариант шин расширения – PCI16 (Peripheral Component Interconnect). Шина PCIобеспечивает высокоскоростной обмен и является универсальным интерфейсом для подключения различных устройств (начиная от видеокарт и заканчивая модемами). Шина выдержала много лет эксплуатации и несколько модификаций, последние из которых поддерживают режимы Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирование адаптеров. Пропускная способность шин PCI различных версий составляет 133-533 Мб/с, разрядность данных 32/64 бита, разрядность адреса 32/64 бита, частота 33/66 МГц. Как правило, на системной плате имеется несколько разъемов для подключения устройств с интерфейсом PCI.

ПРИМЕЧАНИЕ

Интерфейс PCI шин расширения разработан фирмой Intel в 1993 году.

Специализированной шиной расширения является AGP (Accelerated Graphics Port), применяемая для подключения графических карт и ускорителей. Было разработано четыре версии шины AGP – 1x/2x/4x/8x (передается 1, 2, 4 и 8 блоков данных за один такт соответственно). Пиковая пропускная способность карт составляет 266/533/1066/2132 Мб/с, разрядность данных 32, разрядность адреса 32/64, частота 66 МГц.

Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP. Эта шина известна также под названием 3GIO (3-Generation Input/Output – ввод-вывод 3-го поколения).

Последовательная передача данных, примененная в PCI Express, обеспечивает возможность масштабирования (в спецификациях описываются реализации PCI Express 1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x). Здесь шинное соединение устройств с параллельным интерфейсом заменено двухточечными последовательными соединениями через коммутаторы [5].

Таблица 3.8. Основные характеристики шины PCI-E (PCI Express)



Число линий PCI-E

Пропускная способность в одном направлении, Мб/с

Суммарная пропускная способность (в двух направлениях), Гб/с

1

250

0,5

2

500

1

4

1 000

2

8

2 000

4

16

4 000

8

32

8 000

16



Рис. 3.6. Расположение шин расширения на системной (материнской) плате.

Периферийные шины. Существует большое количество различающихся периферийных шин. Подробно рассмотрим те из них, которые применяются для подключения НЖМД.

Рекордсменом, наверное, стоит признать интерфейс ATA широко известный под названием IDE (Integrated Drive Electronics). Основные характеристики IDE представлены в таблице 3.9.

Существуют модификации EIDE (Enhanced IDE), использующие как традиционную адресацию (по номерам головки) цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (LBA – Logic Block Address) [4].

ПРИМЕЧАНИЕ

Интерфейс ATA (IDE) предложен в 1989 году. Он ограничивает емкость одного накопителя размером 504 Мбайт (стандартный BIOS позволяет организовать адресное пространство «головка-цилиндр-сектор» следующим образом – 16 головок х 1024 цилиндра х 63 сектора х 512 байт в секторе = 504 Мбайт) и обеспечивает пропускную способность до 8,3 Мб/с.

На свет также появилась модификация ATAPI (ATA Package Interface ), позволяющая подключать к ATA не только НЖМД, но и CD-ROM, сканеры, стримеры и др. Модификация UATA (Ultra ATA) предназначена для работы с НЖМД больших объемов.

Режимы передачи с появлением более совершенных модификаций усложнялись. Например, PIO (Programmed Input/Output, программный ввод-вывод) – это обычный метод обмена данными с жестким диском. При таком режиме чтение/запись на НЖМД осуществляет сам процессор, что снижает эффективность его работы, т.к. много времени затрачивается на «второстепенные» для него операции. Поэтому в 1998 году появилась модификация UDMA (Ultra Direct Memory Access, режим прямого доступа к памяти). Этот режим отличается тем, что операции чтения записи обрабатываются контроллером НЖМД в промежутках между обращениями процессора к памяти.

Таблица 3.9. Основные характеристики периферийных шин для подключения НЖМД



Стандарт

Год

Название

Режим передачи

Пропускная способность, Мб/с

ATA-1

1989/1994

IDE

PIO mode 0, 1, 2

3.3-8.3

ATA-2

1995

EIDE, FIDE

PIO mode 3, 4, 5

11.1, 16.7, 20.0

ATA-3

1997

EIDE, FIDE

PIO mode 3, 4, 5

11.1, 16.7, 20.0

ATA-4

1998

UATA/33

UDMA mode 2

33

ATA-5

1999

UATA/66

UDMA mode 4

66

ATA-6

2000

UATA/100

UDMA mode 5

100

ATA-7

2002

UATA/133

UDMA mode 6

133

Serial ATA

2003

Serial ATA-150


 

150

2005

Serial ATA-300


 

300

2007

Serial ATA-600


 

600

В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) представили совершенной новый интерфейс, который получил название SATA (Serial ATA). Этот интерфейс имеет существенно большую пропускную способность, а подключение устройств производится с помощью 8-ми жильного кабеля вместо 80-ти жильного у ATA.

Существует также интерфейс SCSI (читается «скази», Small Computer System Interface – системный интерфейс малых компьютеров), предназначенный для подключения НЖМД, CD-ROM, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров [5]. Первая версия интерфейса SCSI-1 была 8-битной, допускала подключение 8 устройств и обеспечивала скорость передачи 2 Мб/с. Позже появились модификации SCSI-2 и SCSI-3. SCSI-3 – это дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение числа подключаемых устройств, расширение системы команд и поддержку технологии Plug and Play.

В последние пару лет появились SAS (Serial Attached SCSI) устройства. Это устройства SCSI с последовательным интерфейсом, совместимым с интерфейсом SATA. Этот интерфейс позволяет подключать до 16 384 устройств, расположенных на среднем (до 1 м) удалении друг от друга. Имеется возможность одновременного обмена между несколькими парами устройств. Сервера с такими НЖМД очень успешно выпускает компания HP.

Универсальные последовательные шины. Этот вид шин рассмотрим на примере USB (Universal Serial Bus). Возможно соединение до 127 внешних устройств по одному USB-каналу. На современных системных платах обычно имеется по два канала на контроллер (4 порта USB). Особенностью данной шины является то, что каждое USB-устройство (принтер, сканер, клавиатура, «мышь» и пр.), подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора, т.е. при наличии соответствующих разъемов к нему могут быть присоединены еще несколько устройств. Последняя версия USB 2.0 обеспечивает пропускную способность 480 Мбит/с.

И, наконец, почти забытый последовательный коммуникационный интерфейс RS-232 (COM-порт). Разъем COM-порта может быть 25 или 9 контактным. Наибольшее распространение среди пользователей «персоналок» он получил для подключения таких устройств как клавиатура, «мышь» и модем.


Лекция добавлена 28.02.2013 в 03:18:46