5.3.1. Общая характеристика и классификация интерфейсов

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным со­пряжением между всеми уровнями — стандартным интерфейсом. Под стан­дартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:           

1) пропускной способностью интерфейса — количеством информации которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2) максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

3) информационной шириной интерфейса — числом бит или байт дан­ных, передаваемых параллельно через интерфейс;

4) максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устрой­ствами;

5) динамическими параметрами интерфейса — временем передачи от­дельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6) общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

В настоящее время не существует однозначной классификации интер­фейсов. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

- способ соединения компонентов системы (радиальный, магистраль­ный, смешанный);

- способ передачи информации (параллельный, последовательный, па­раллельно-последовательный);

- принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

- режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

На рис. 5.2 представлены радиальный и магистральный интерфейсы, со­единяющие центральный модуль (ЦМ) и другие модули (компоненты) систе­мы (M1, ..., Mn ).

Рис.5.2. Радиальный (а) и магистральный (б) интерфейсы

Радиальный интерфейс позволяет всем модулям (m[, . . ., MJ работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интер­фейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.

                Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно опреде-

 ленное количество бит или байт информации по многопроводной линии. По­следовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двух­проводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации пере­дающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизи­роваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управ­ляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным уст­ройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Классификация интерфейсов по назначению отражает взаимосвязь с ар­хитектурой реальных средств вычислительной техники. В соответствии с этим признаком в ЭВМ и вычислительных системах можно выделить не­сколько уровней сопряжении:

- машинные системные интерфейсы;

- локальные шины;

- интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);

- межмашинные интерфейсы.

Машинные (внутримашинные) системные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией с центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосред­ственно на контакты микропроцессора, и предназначенная для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типич­ными примерами локальных шин являются VLB и PCI.

Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с кон­кретным механизмом ПУ.                                   

Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях.

С целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единствен­ную шину (общая шина) для памяти и устройств ввода-вывода. Персональ­ные компьютеры первых поколений, как правило, строились на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или МСА. Необходимость сохране­ния баланса производительности по мере роста быстродействия микропро­цессоров привела к многоуровневой организации шин на основе использова­ния нескольких системных и локальных шин. В современных компьютерах шины интерфейсов делят на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода-вывода. Шины процессор-память сравни тельно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организаций подсистемы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Шины ввода-вывода могут иметь большую протя- женность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы уст- ройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются, что дает возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения;  обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров   и устройств ввода-вывода работать независимо.                           

53.2. Типы и характеристики стандартных шин

Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Характеристики стандартные шин

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала при­меняться в ПК IBM PC/AT на базе процессора i2826. Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. В современных компьютерах используется как шина ввода/вывода для организации связи с медленно действующими периферийными устройст­вами.

С появлением процессоров i386, i486 системная шина ISA стала "узким местом" ПК на их основе. Другая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), разработанная в 1988 году, обеспечивает адресное про­странство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, такти­руется частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется толь­ко в компьютерах компании IBM.

Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличе­ния быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. По­сле появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает использова­ние 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расшире­ния. Ожидаемая скорость передачи данных — до 400 Мбайт/сек.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте ис­пользовалась как локальная шина и предназначалась для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI отно­сится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через так называемую PCI-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различ­ных платформ и поколений.

Шина УМЕ приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько версий этого стандарта: VME32,

VME64.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серве­рах на основе микропроцессоров архитектуры SPARC одновременно исполь­зуются несколько типов шин: Sbus, Mbus и XDBus, причем шина Sbus при­меняется в качестве шины ввода/вывода, а Mbus и XDBus — в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Спустя почти четыре года с того времени, когда шина PCI стала стан­дартом в настольных ПК, корпорация Intel объявила о новой, предназначен­ной исключительно для графики, шине AGP, способной повысить произво­дительность видео-, 2D-, ЗD-пpилoжeний. Шина AGP (Accelerated Graphics Port) относится к локальным шинам. Для использования технологии AGP не­обходим набор микросхем Intel 440LX (появившийся в 1997 году), который позволяет разгрузить сравнительно "узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и подключить последний к специально предназна­ченной для него более "широкой" (528 Мб/с) шине AGP. На долю же PCI ос­таются более медленные устройства, функционирование которых существен­но улучшается благодаря отключению от шины более быстродействующих устройств, то и дело создающих "пробки" в стремительном потоке данных. Набор 440LX не только имеет поддержку AGP, но и допускает использование в машинах на базе Pentium II быстродействующей памяти SDRAM, которая обеспечивает более высокую производительность, чем ОЗУ типа EDO DRAM, применяемое в машинах Pentium II со старым набором микросхем 440 FX. Конструктивно 440 LX состоит из двух устройств: микросхемы 82443LX (РАС или PCI AGP Controller) и многофункционального моста 82371АВ (PIIX4 или PCI, ISA, IDE Accelerator).

В целом же шинная архитектура настольного ПК нового (на ближайшие два-три года) поколения содержит несколько шин (рис. 5.3) с различной про­пускной способностью: шины (1 Гб/с), соединяющей ядро Pentium II с кэш-. памятью второго уровня, трех шин (528 Мб/с), соединяющих новый набор AGPset с ядром процессора, SDRAM и графическим акселератором, а также шины PCI (133 Мб/с).

Применение такой шиной организации увеличивает быстродействие компьютеров при выполнении целочисленных операций, действий с пла­вающей запятой и работе с мультимедиа-приложениями.

В 1998 году три крупнейшие компьютерные компании — Compaq, Hewlett-Packard и IBM — разработали новую спецификацию — расширение шины PCI, названную PCI-X, которая работает на тактовой частоте 133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной совместимостью с PCI, требует нового набо­ра микросхем Intel 450 NX, кроме того, благодаря новой схеме обмена ре­гистр-регистр достигается пропускная способность 1,06 Гб/с (8 Гбит/с), что обеспечивает почти шестикратный выигрыш в производительности. В пер­вую очередь PCI-X предназначена для подключения высокопроизводитель­ных адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и Fibre Channel (FC-AL).

Рис.5.3. Шинная архитектура ПК на базе набора микросхем 440LX

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным со­пряжением между всеми уровнями — стандартным интерфейсом. Под стан­дартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:           

1) пропускной способностью интерфейса — количеством информации которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2) максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

3) информационной шириной интерфейса — числом бит или байт дан­ных, передаваемых параллельно через интерфейс;

4) максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устрой­ствами;

5) динамическими параметрами интерфейса — временем передачи от­дельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6) общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

В настоящее время не существует однозначной классификации интер­фейсов. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

- способ соединения компонентов системы (радиальный, магистраль­ный, смешанный);

- способ передачи информации (параллельный, последовательный, па­раллельно-последовательный);

- принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

- режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

На рис. 5.2 представлены радиальный и магистральный интерфейсы, со­единяющие центральный модуль (ЦМ) и другие модули (компоненты) систе­мы (M1, ..., Mn ).

Рис.5.2. Радиальный (а) и магистральный (б) интерфейсы

Радиальный интерфейс позволяет всем модулям (m[, . . ., MJ работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интер­фейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.

                Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно опреде-

 ленное количество бит или байт информации по многопроводной линии. По­следовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двух­проводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации пере­дающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизи­роваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управ­ляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным уст­ройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Классификация интерфейсов по назначению отражает взаимосвязь с ар­хитектурой реальных средств вычислительной техники. В соответствии с этим признаком в ЭВМ и вычислительных системах можно выделить не­сколько уровней сопряжении:

- машинные системные интерфейсы;

- локальные шины;

- интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);

- межмашинные интерфейсы.

Машинные (внутримашинные) системные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией с центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосред­ственно на контакты микропроцессора, и предназначенная для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типич­ными примерами локальных шин являются VLB и PCI.

Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с кон­кретным механизмом ПУ.                                   

Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях.

С целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единствен­ную шину (общая шина) для памяти и устройств ввода-вывода. Персональ­ные компьютеры первых поколений, как правило, строились на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или МСА. Необходимость сохране­ния баланса производительности по мере роста быстродействия микропро­цессоров привела к многоуровневой организации шин на основе использова­ния нескольких системных и локальных шин. В современных компьютерах шины интерфейсов делят на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода-вывода. Шины процессор-память сравни тельно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организаций подсистемы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Шины ввода-вывода могут иметь большую протя- женность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы уст- ройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются, что дает возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения;  обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров   и устройств ввода-вывода работать независимо.                           

53.2. Типы и характеристики стандартных шин

Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Характеристики стандартные шин

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала при­меняться в ПК IBM PC/AT на базе процессора i2826. Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. В современных компьютерах используется как шина ввода/вывода для организации связи с медленно действующими периферийными устройст­вами.

С появлением процессоров i386, i486 системная шина ISA стала "узким местом" ПК на их основе. Другая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), разработанная в 1988 году, обеспечивает адресное про­странство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, такти­руется частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется толь­ко в компьютерах компании IBM.

Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличе­ния быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. По­сле появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает использова­ние 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расшире­ния. Ожидаемая скорость передачи данных — до 400 Мбайт/сек.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте ис­пользовалась как локальная шина и предназначалась для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI отно­сится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через так называемую PCI-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различ­ных платформ и поколений.

Шина УМЕ приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько версий этого стандарта: VME32,

VME64.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серве­рах на основе микропроцессоров архитектуры SPARC одновременно исполь­зуются несколько типов шин: Sbus, Mbus и XDBus, причем шина Sbus при­меняется в качестве шины ввода/вывода, а Mbus и XDBus — в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Спустя почти четыре года с того времени, когда шина PCI стала стан­дартом в настольных ПК, корпорация Intel объявила о новой, предназначен­ной исключительно для графики, шине AGP, способной повысить произво­дительность видео-, 2D-, ЗD-пpилoжeний. Шина AGP (Accelerated Graphics Port) относится к локальным шинам. Для использования технологии AGP не­обходим набор микросхем Intel 440LX (появившийся в 1997 году), который позволяет разгрузить сравнительно "узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и подключить последний к специально предназна­ченной для него более "широкой" (528 Мб/с) шине AGP. На долю же PCI ос­таются более медленные устройства, функционирование которых существен­но улучшается благодаря отключению от шины более быстродействующих устройств, то и дело создающих "пробки" в стремительном потоке данных. Набор 440LX не только имеет поддержку AGP, но и допускает использование в машинах на базе Pentium II быстродействующей памяти SDRAM, которая обеспечивает более высокую производительность, чем ОЗУ типа EDO DRAM, применяемое в машинах Pentium II со старым набором микросхем 440 FX. Конструктивно 440 LX состоит из двух устройств: микросхемы 82443LX (РАС или PCI AGP Controller) и многофункционального моста 82371АВ (PIIX4 или PCI, ISA, IDE Accelerator).

В целом же шинная архитектура настольного ПК нового (на ближайшие два-три года) поколения содержит несколько шин (рис. 5.3) с различной про­пускной способностью: шины (1 Гб/с), соединяющей ядро Pentium II с кэш-. памятью второго уровня, трех шин (528 Мб/с), соединяющих новый набор AGPset с ядром процессора, SDRAM и графическим акселератором, а также шины PCI (133 Мб/с).

Применение такой шиной организации увеличивает быстродействие компьютеров при выполнении целочисленных операций, действий с пла­вающей запятой и работе с мультимедиа-приложениями.

В 1998 году три крупнейшие компьютерные компании — Compaq, Hewlett-Packard и IBM — разработали новую спецификацию — расширение шины PCI, названную PCI-X, которая работает на тактовой частоте 133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной совместимостью с PCI, требует нового набо­ра микросхем Intel 450 NX, кроме того, благодаря новой схеме обмена ре­гистр-регистр достигается пропускная способность 1,06 Гб/с (8 Гбит/с), что обеспечивает почти шестикратный выигрыш в производительности. В пер­вую очередь PCI-X предназначена для подключения высокопроизводитель­ных адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и Fibre Channel (FC-AL).

Рис.5.3. Шинная архитектура ПК на базе набора микросхем 440LX