Лекция 11. Материнские платы и чипсеты. Шинные устройства

План: 1. Материнские платы и чипсеты.

2. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ.

Материнская плата (motherboard) — это «сердце» персонального компьютера. Ее также называют системной платой (system board),(planar board), базовой платой (baseboard) или основной платой (main board). Intel называет свои материнские платы настольными (desktop board).

Именно она формирует компьютер, обеспечивая связь всех компонентов компьютера, включая процессор, память, диски, видеокарты, звуковые карты, клавиатуру, мышь и другие периферийные устройства. Материнские платы обладают определенными характеристиками, по которым отличаются друг от друга. Комбинация этих физических характеристик называется форм-фактором.

Материнские платы отличаются друг от друга размером, формой, расположением крепежных отверстий, типом разъема питания, а также типами и расположением портов. Все эти характеристики вместе определяют форм-фактор материнской платы. Как материнская плата определяет возможности компьютера, так чипсет определяет возможности материнской платы.

Чипсет определяет её характеристики типы поддерживаемых процессоров, памяти, типы и скорости, наличие или отсутствие AGP и USB и т. д. Чипсет — это чаще всего набор больших микросхем. Некоторые чипсеты содержат три и более микросхем. Но встречаются и такие, в которых все функции обеспечиваются единственной микросхемой. Чаще всего они используются в дешевых системах.

Производителей материнских плат много, а вот чипсеты делаются весьма ограниченным числом фирм. Дело в том, что разработка чипсета требует значительных инженерных ресурсов, а материнскую плату вокруг чипсета сделать достаточно легко.

Материнские платы поддерживают разные виды процессоров. Так как процессоры могут быть разными по модулю подключения (socket), чипсет на материнской плате не может поддерживать все виды процессоров и они никогда не могут функционировать вместе с BIOS.

Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ получила широкое распространение, поскольку в этом случае все устройства используют единый подход сопряжения модулей центральных процессоров и устройств ввода/вывода с помощью стандартных шин.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие орга­низацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. На этапе разработки системы для шины процессор-память заранее известны все типы и параметры устройств, которые должны соединяться между собой, в то время как разработчик шины ввода/вывода должен иметь дело с устройствами, различающимися по задержке и пропускной способности.

С целью снижения стоимости некоторые компьютеры снабжаются единственной шиной для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины.

Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин в персональных компьютерах на основе локальной шины.

Локальной шиной называется шина, выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.

На современных компьютерах часто используется специальная магистраль обмена данными с процессором – локальная видеошина. AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) – скоростная шина для связи с графической картой. Разработана Intel для высокоскорост­ной графики. Основное преимущество этой шины заключается в скорости.

Различают шины синхронные и асинхронные. Синхронная шина использует сигналы синхронизации, которые передаются по линиям управления шины, и фиксированный протокол, определяющий расположение сигналов адреса и данных относительно сигналов синхронизации. Эти шины являются и быстрыми, и дешевыми. Однако они имеют два главных недостатка. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхро­сигналов синхронные шины не могут быть длинными. Обычно такие шины связывают процессор и память.

Асинхронная шина не тактируется. Вместо этого обычно используется старт-стопный режим передачи и протокол «рукопожатия» (handshaking) между источником и приемником данных на шине. Эта схема позволяет гораздо проще приспособить широкое разнообразие устройств и удлинить шину без беспокойства о перекосе сигналов синхронизации и о системе синхронизации. Асинхронные шины по мере изменения технологии лучше масштабируются. Они обычно используются в устройствах ввода/вывода.

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.

Одной из популярных шин персональных компьютеров была системная шина IBM PC/XT, обеспечивавшая передачу 8 бит данных. Кроме того, эта шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. 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 достигать немногим более 4 Мбайт/с.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в персональных компьютерах IBM PC/AT на базе процессора 80286. Для этой системной шины характерно наличие второго, 36-контактного дополнительного разъема для соответствующих плат расширения. За счет этого количество адресных линий было увеличено на 4, а данных - на 8, что позволило передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено до 15, а каналов прямого доступа - до 7. Системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины. Шина ISA позволяет синхронизировать работу процессора и шины с разными тактовыми частотами. Она работает на частоте 8 МГц, что соответствует максимальной скорости передачи 16 Мбайт/с.

С появлением процессоров 80386, 80486 и Pentium шина ISA стала узким местом персональных компьютеров на их основе. Новая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных (в том числе и в режиме DMA), улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шины ISA могут работать на шине EISA. Шина EISA предусматривает централизованное управление доступом к шине за счет наличия специального устройства - арбитра шины. Поэтому к ней может подключаться несколько главных устройств шины. Улучшенная система прерываний позволяет подключать к каждой физической линии запроса на прерывание несколько устройств, что снимает проблему количества линий прерывания. Шина EISA тактируется частотой около 8 МГц и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с.

Шина MCA также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, имеет средства автоматического конфигурирования и арбитража запросов. В отличие от EISA она не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.

Шина VL-bus, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей для того, чтобы они могли работать с тактовой частотой до 40 МГц. Шина VL-bus имеет 32 линии данных и позволяет подключать до трех периферийных устройств, в качестве которых наряду с видеоадаптерами и дисковыми контроллерами могут выступать и сетевые адаптеры. Максимальная скорость передачи данных по шине VL-bus может составлять около 130 Мбайт/с.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) также, как и шина VL-bus, поддерживает 32-битовый канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами, работает на тактовой частоте 33 МГц и имеет максимальную пропускную способность 120 Мбайт/с. При работе с процессорами 80486 шина PCI дает примерно те же показатели производительности, что и шина VL-bus. Однако, в отличие от последней, шина PCI является процессорно независимой (шина VL-bus подключается непосредственно к процессору 80486 и только к нему). Ee легко подключить к различным центральным процессорам. В их числе Pentium, Alpha, R4400 и PowerPC.

Основные возможности шины РСI:

· синхронный протокол обмена, предусматривающий подтвержде­ние о приеме, что позволяет пересылать дан­ные со скоростью, максимально возможной для прием­ного устройства (в отличие от ISA);

· в PC используется 32-разрядная шина РСI с частотой 33 МГц. Однако шина РСI процессорно независимая, и спецификация допускает ширину в 64 разряда и часто­ту 66 МГц. Это используется, например, в компьютерах компании Sun, в серверах на базе ЦП Alpha и Intel Xeon. Слот 32-разрядной шины РСI имеет 124 контакта (у 64-разрядной есть еще дополнительная секция);

· вставляемые платы автоматически конфигурируются (при старте) по стандарту Plug and Play, т.е. не надо вручную устанавливать перемычки и переключатели, чтобы избе­жать конфликтов с другими устройствами;

· для пользователя шина предоставляет слоты (не более пяти). Это так называемый сегмент PCI;

· спецификация PCI допускает произвольное число сег­ментов, образующих древовидную топологию. Для со­единения сегментов используются PCI-мосты;

· есть режим Bits mastering, даю­щий устройству возможность брать управление шиной на себя и тем самым разгрузить ЦП;

· начиная с версии 2.2 (внедрена в 1999 г.) в шину вклю­чена линия, управляющая пробуждением компьютера от РСI-устройства, например, модема, сетевой карты.

PCI Special Interest Group в октябре 1999 г. объявила о выхо­де спецификации PCI-X 1.0. Спецификация представляет собой окончательный вариант преемницы PCI-шины. Основным достоинством новой шины является увеличенная до 133 МГц частота при сохра­нившейся обратной совместимости с PCI-картами.

Одной из популярных шин ввода-вывода является шина SCSI. Под термином SCSI - Small Computer System Interface (Интерфейс малых вычислительных систем) обычно понимается набор стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов США (ANSI) и определяющих механизм реализации магистрали передачи данных между системной шиной компьютера и периферийными устройствами.

Первоначально SCSI предназначался для использования в небольших дешевых системах и поэтому был ориентирован на достижение хороших результатов при низкой стоимости. Характерной его чертой является простота, особенно в части обеспечения гибкости конфигурирования периферийных устройств без изменения орга­низации основного процессора. Главной особенностью подсистемы SCSI является размещение в периферийном оборудовании интел­лектуального контроллера.

Для достижения требуемого высокого уровня независимости от типов периферийных устройств в операционной системе основной машины, устройства SCSI представляются имеющими очень простую архитектуру. Например, геометрия дискового накопителя предста­вляется в виде линейной последовательности одинаковых блоков, хотя в действительности любой диск имеет более сложную многомерную геометрию, содержащую поверхности, цилиндры, дорожки, ха­рактеристики плотности, таблицу дефектных блоков и множество других деталей. В этом случае само устройство или его контроллер несут ответственность за преобразование упрощенной SCSI модели в данные для реального устройства.

Начальный стандарт 1986 года, известный теперь под названием SCSI-1, определял рабочие спецификации протокола шины, набор команд и электрические параметры. Шина данных SCSI-1 использовала 50-жильный экранированный кабель, имела разрядность 8 бит, а максимальная скорость передачи составляла 5 Мбайт/сек.

В 1992 году этот стандарт был пересмотрен с целью устранения недостатков первоначальной спецификации (особенно в части синхронного режима передачи данных) и добавления новых возможностей повышения производительности, таких как «быстрый режим» (fast mode), «широкий режим» (wide mode) и помеченные очереди. Этот пересмотренный стандарт получил название SCSI-2 и в настоящее время используется большинством поставщиков вычи­слительных систем.

Стандарт SCSI-2 определяет, в частности, различные режимы: Wide SCSI, Fast SCSI и Fast-and-Wide SCSI. Fast SCSI сохраняет 8-битовую шину данных и поэтому может использовать те же самые физические кабели, что и SCSI-1. Он отличается только тем, что допускает передачи со скоростью 10 Мбайт/сек в синхронном режиме. Wide SCSI удваивает либо учетверяет разрядность шины данных (либо 16, либо 32 бит), допуская соответственно передачи со скоростью либо 10, либо 20 Мбайт/сек. В комбинации Fast-and-Wide SCSI возможно достижение скоростей передачи 20 и 40 Мбайт/сек соответственно.

Однако поскольку в обычном 50-жильном кабеле просто не хватает жил, комитет SCSI решил расширить спецификацию вторым 66-жильным кабелем (так называемый B-кабель). B-кабель имеет дополнительные линии данных и ряд других сигнальных линий, позволяющие реализовать режим Fast-and-Wide.

В реализации режима Wide SCSI предложена также расширенная адресация, допускающая подсоединение к шине до 16 устройств (вместо стандартных восьми). Это значительно увеличивает гибкость подсистемы SCSI, правда, приводит к появлению дополнительных проблем, связанных с эффективностью ее использования.

Реализация режимов Wide-SCSI и Fast-and-Wide SCSI до 1994 года редко использовалась, поскольку эффективность их применения не была достаточно высокой. Однако широкое распространение дисковых массивов и дисковых накопителей со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту делают эту технологию весьма актуальной.

 

Литература:

1. К. Хамахер, З. Вранешич, С. Захи. Организация ЭВМ. СПб.: Питер, 2003-848 с.

2. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера.-СПб.:Питер, 2003-704с.

3. М. Гук. Аппаратные средства IBM PC. – СПб.: Питер, 2002 -928с: ил.