Интерфейсы вычислительных машин

Интерфейс – это совокупность средств сопряжения и связей обеспечивающее эффективное взаимодействие узлов вычислительной машины, а так же вычислительной машины и внешних устройств.

Любой интерфейс состоит из 2 уровней:

1. Первый уровень механический. К которому относят прежде всего сам физический канал связи, провода электронные компоненты, элементы связей, типы соединителей, разъемы, назначение их контактов, и т.д.

2. Второй уровень логический. Типы сигналов, их длительность, полярность, частота, амплитуда и протоколы взаимодействия.

В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе, широко используются стандартные наборы микросхем, генерирующие стандартные сигналы. Такой подход упрощает производство таких микросхем, но при этом усложняет, дорожает, как сам интерфейс, так и вычислительную машину в целом.

Все интерфейсы ЭВМ можно разделить на две группы:

1. Внутримашинные интерфейсы – это система связей и сопряжения узлов и блоков ВМ между собой.

2. Внешние интерфейсы, обеспечивают связь ВМ с внешними и периферийными устройствами и другими ВМ.

Внутримшинный интерфейс представляет собой совокупность электрических видов связей, проводов, схем сопряжения с компонентами ВМ, протоколов алгоритмов передачи и преобразования сигналов.

Существую два варианта организации внутримашинного интерфейса:

1. многосвязный интерфейс. Каждый блок ВМ соединен с прочими блоками своими локальными проводами. Многосвязный интерфейс иногда применяется в качестве периферийного интерфейса, для связи с внешними устройствами ВМ, дополняющего системный, а в качестве системного лишь в некоторых простых ВМ.

2. Односвязный интерфейс. Все блоки ВМ связаны друг с другом через общую или системную шину.

В большинстве современных ВМ в качестве системного интерфейса используется системная шина.

Шина это совокупность линий связи по которым информация передается одновременно.

Под основной или системной шиной обычно понимается шина между центральным процессором и подсистемой управления памятью.

Шина характеризуется разрядность и частотой.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность (максимально возможная скорость передачи данных). Которые зависят от разрядности шины (8, 16, 32, 64) и тактовой частоты, на которой шина работает.

Разрядность шины так же именуется ширина шины, это количество линий связи шины, число бит, которое может быть передано по шине одновременно.

Тактовая частота шины, это частота с которой передаются последовательные биты информации по линии связи.

В качестве системной шины в разных ВМ использовались или могут использоваться:

· шины расширений – это шины общего назначения позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств, во вторых это локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видео систем и подобных элементов.

· Кроме того, в ВМ широко используются так же периферийные шины, это интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных, сравнительно медленно действующих устройств.

Шины расширений

1. Шина PC/XT (8-ШД, 20-р ША), тактовая частота 4.77 МГц, 4 линии аппаратных прерываний, 4 канала DMA. Адресное пространство МП ограничивает 1 мб. МП: i8086, i8088.

2. Шина PC/AT 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц (до 16), благодаря тому, что контроллер этой шины способен делить частоту пополам, 4 канала DMA, адресное пространство 16 МБ, на практике 5,5 МБ, из-за особенностей эксплуатации шины. Могла применяться МП 80286 и с МП тактовой частотой больше 66 МГц. В последствии количество линий аппаратных прерываний увеличилось до 15, а каналов DMA – 7.

3. Шина ISA (Industry Standard Architecture промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC/XT и для PC/AT. Позволяет подключать к системной плате различные устройства. В настоящее время практически не применяется в офисных компьютерах, но продолжает использоваться в промышленных

4. Шина EISA. Extended. 32\32, 89 год, адресное пространство 4 гб, частота рабочая 8-10 МГц. Пропускная способность 33 мб в секунду. В промышленности количество подключаемых устройств до 18. Включена поддержка особого режима, монопольного доступа любого подключенного устройства к шине. Впервые эта шина стала поддерживать многопроцессорную архитектуру, автоматическое конфигурирование системы управления DMA. Применяется в ПК, серверах, там где нужно быстро обрабатывать информацию. Сам разъем похож на ISA.

5. Шина MCA Micro Channel Architecture. Практически не распространенная шина, была создана компанией IBM для своих компьютеров PC\2. Ограничение в распространении, является полная несовместимость с ISA и EISA. Рабочая частота 20 МГц. 32/32 разрядная.

Локальные шины

С развитием вычислительной техники и появлением все новых задач передачи больших массивов данных, например передачи полноэкранного видео или обработка графики, выявили узость существующих шин расширения пропускной способности которых оказалось недостаточным для решения данных задач, поэтому в качестве эффективного инструмента преодоления данного препятствия. Разработчиками предложено применение локальных шин, непосредственно подключаемых к шине микропроцессора и работающие на его тактовой частоте.

1. VLB. Vesa Local Bus. Часто называют VIESA (Video Electronic Standard Association). Является расширение расширением внутреннего микропроцессора для связи с видеоадаптером, иногда с жесткими дисками, платами мультимедиа и сетевыми адаптерами. Разрядность шины данных 32, адреса 30 бит. Теоретически достижимая скорость 120 мб в секунду, практическая до 80. Принципиальные недостатки: исключительная ориентация на процессоры 80386 и 80486, последующих адаптаций для процессоров Pentium не произошло, жесткая зависимость от тактовой частоты микропроцессора, до 4 устройств можно было подключить, отсутствие арбитража к доступе шины.

2. PCI (Peripheral Component Interconnect). Самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения устройств. 91 год PCI 1.0, разработчик 1.0, разработчик Intel. Призвана была вытеснить все интерфейсные шины. Является более гибкой и более универсальной, позволяет подключать до 10 устройств, имеет свой собственный адаптер, позволяющий автоматически подключатся, к любому микропроцессору начиная с 80486. Тактовая частота на уровне 33 МГц. 32/32 разряда, с возможностью расширения до 64 разрядов. Теоретическая пропускная способность 132 мб в секунду (32 разряда), и 264 у (64 разрядной). Более современные версии PCI 2.1 работают на частоте до 66 МГц и при 64 битной разрядности имеют пропускную способность до 528 мб.\с. Поддерживает технологию Plug and Play, технологию монопольного доступа и авто конфигурирование.

3. AGP (Accelerated Graphics Port). Интерфейс подключения видео плат к отдельной магистрали AGP имеющий выход непосредственно на системную память. Основана на стандарте PCI 2.1. Тактовая частота до 133 МГц. Пропускная способность х4 1066 Мб\с, в режиме х8 2112 мб\с. В шине AGP отказались от мультиплексирования шин данных и адреса. Конвейеризация операций чтения и записи применена. Первая версия стандарта AGP разрешала подключать 1 одно устройства, третья версия уже два. Поддерживались два режима работы, в первом режиме основной памятью видеокарты была собственная видеопамять, во втором режиме равноправными были основная видеопамять и системная память.

4. PCIx. Это расширенная редакция стандарта PCI 2.2. Существует в 3 версиях:

4.1. PCIx 1.0 Разрядность 64, частота 133 МГц, скорость передачи 1066 мб\с.

4.2. PCIx DDR удвоенной частотой и пропускной способностью 2100 мб\с.

4.3. PCIx QDR учетверенная рабочая частота и пропускная способность до 4300 мб\с.

5. Шина Compact PCI и mini PCI, применяются в промышленных и портативных компьютерах.