Периферийных устройств

 

Архитектура ПК определятся системой шин, с помощью которых ЦП связан с ОП и периферийными устройствами.

Современная архитектура ПК является результатом довольно длительного развития, необходимость которого связана, прежде всего, с эволюцией МП и расширением спектра периферийных устройств, а также повышением их быстродействия.

Чтобы иметь ясное представление о современной архитектуре ПК полезно посмотреть на динамику ее развития.

На начальном этапе в архитектуре ПК использовалась единая шина (эта конструкция была использована фирмой DEC еще в 1960 – 70 гг. прошлого столетия для своих мини-компьютеров начального уровня).

ПК изначально также строились на основе одной системной шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended ISA) или MCA (Micro Channel Architecture). Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин ПК, а затем и к трехуровневой (которая на начальном этапе применялась только в рабочих станциях и серверах). Динамика развития архитектуры отражена на рис. 2.1, 2.2 и 2.3, где представлена организация компьютеров различной производительности. В табл. 3.2 даны характеристики шин, применяемых ПК с начала их производства и до наших дней.

 

 

Рис. 2.1. ISA: все компоненты системы на одной шине

 

 

Рис. 2.2. Compaq Desk Pro 386/20: архитектура EISA

Рис. 2.3. HP Vectra XP: архитектура PCI

 

 

Таблица 2.2

 

Характеристики шин, применяемых в ПК (данные до 2000 г.,

быстродействие VSA и PCI указано пиковое, в скобках реальное)

 

Характеристика/Тип	XT-bus	AT-bus	MCA	ISA	EISA	VSA(VL)	PCI
Разработчик	IBM	IBM	IBM	Промышленный стандарт	Про-мышленный стандарт	VESA	INTEL
Разрядность шины адреса			24/32, 32				32(64)
Разрядность шины данных		8,16	8, 16, 24, 32	8, 16, 32	8,16	32(64)	32 (64)
Быстродействие, Мбайт/с			20 – 25	5 – 10		130(80)	133(60)

 

ISA – промышленный стандарт, для архитектуры первых моделей ПК (PC, PC/XT, PC/AT 286,386), характеризуется относительно невысокими скоростями обмена информации по шине и невысокой стоимостью, эта архитектура совместима с фирменными шинами IBM – XT-bus и AT-bus.

EISA – расширенный промышленный стандарт, предложенный для реализации большого объема адресуемой ОП и ускорения вычислительных и обменных операций ПК с микропроцессорами 80386, 80486, является значительно более дорогостоящим расширением шины ISA, поэтому при многошинной организации, как правило, не применяется.

MCA – стандарт фирмы IBM, разработанный для моделей семейства PS/2. Характери­зуется значительным ускорением обмена данными между отдельными устройствами ПК (особенно с ОП), однако эта архитектура совершенно не совместима с ISA и EISA.

VL-bus – локальная шина, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Предназначена для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей (локальной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора). Шина ориентирована на процессор 80486. Следующая спецификация этой шины для процессоров Pentium с ожидавшейся скоростью 400 Мбайт/с дальнейшего распространения не получила.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) так же, как и VL-bus, поддерживает канал передачи между ЦП и периферийными устройствами. При работе с процессором 80486 она имеет примерно те же показатели, что и VL-bus. В отличие от последней шина независима от процессора, подключается к нему через специальный адаптер (поэтому название локальной применительно к PCI не совсем точно). Эта шина получила очень широкое распространение и применяется не только в ПК, но и в рабочих станциях, и серверах.

Постоянное увеличение тактовой частоты МП, его способность обрабатывать потоки данных до гигабайт в секунду, привело к появлению самой быстрой внешней шины процессора FSB (Front Side Bus), к которой подключились самые быстродействующие устройства (внешний кэш, ОП, AGP – Accelerated Graphic Port).

Попыткой сбалансировать быстродействие ЦП и ОП является двойная разрядность этой шины (64 разряда) и организация двухканальной ОП. И, наконец, полная согласованность по частоте процессора и внутренней кэш первого уровня была достигнута благодаря размещению еще одной шины (BSB – Back Side Bus) внутри кристалла (об этом говорилось выше).

Конструктивно архитектура ПК (системный интерфейс) реализуется на системной плате и связана с понятием Чипсет (Chip set) – набором интегральных схем, формирующих блок вычислительной системы, реализующий все необходимые связи основных компонентов – процессора, памяти и шин расширения.

Два варианта архитектуры ПК для МП фирмы Intel (в современной терминологии – дизайн) представлены на рис. 2.4.

Значительное развитие за истекший период получили также интерфейсы периферийного оборудования. Большую популярность приобрел интерфейс ввода-вывода, который, как правило, применялся в рабочих станциях и серверах. Это интерфейс SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых вычислительных систем Ultra 160, Ultra 320 и т.п.), который располагается между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. Этот интерфейс обеспечивает подключение нескольких внешних устройств (прежде всего дисковых накопителей), обеспечивая высокую скорость передачи. Для малых систем применяются, как правило, диски со встроенными интерфейсами IDE (Integrated Drive Electronics), которые подключаются различными способами к системным интерфейсам и в последнее время составляют конкуренцию SCSI (Series ATA).

В связи с широким распространением мультимедийных приложений и значительным увеличением потоков данных разработан новый стандарт подключения графических адаптеров – AGP (Accelerated Graphic Port), получивший широкое распространение, так как значительно ускоряет обмен с видеоадаптером, не перегружая системную шину PCI.

Современные интерфейсы периферийного оборудования (контроллеры) представлены в табл. 2.3.

Следует отметить, что значительное развитие в последнее время получил последовательный интерфейс (USB – Universal Serial Bus), который пришел на смену «старинному» RS 232. В то же самое время использование параллельных интерфейсов значительно сократилось.

 

Рис. 2.4. Классический и хабовый дизайн системных плат

Таблица 2.3

Интегрированные контроллеры

 

Контроллер	Краткая характеристика	Функции	Примечание
PCI	32-разрядная 33-МГц шина расширения	Подключение плат расширения	В некоторых чипсетах встраивается в северный мост. Более производительные решения – PCI64, PCI-X реализуются обычно на отдельных контроллерах, подключаемых к северному мосту
ISA	8- или 16-разрядная шина расширения	Подключение плат расширения	Относится к устаревшим. При необходимости реализуется на отдельном контроллере, подключаемом через LPC (Low Pin Cjnnector)
Super I/O	Контроллеры параллельного, последовательного портов, PS/2 мыши, PS/2 клавиатуры, инфракрасного порта, флоппи-дисковода и др.		Обычно реализуются в отдельном чипе, подключаемом через LPC. Относится к устаревшим
ATA (IDE)	Параллельный 16-разрядный порт: АТА66-66 Мбайт/с, АТА100-100 Мбайт/с, АТА133-133 Мбайт/с	Подключение жестких дисков и других устройств хранения данных	В большинстве моделей поддерживается АТА100. В некоторых АТА133
Serial ATA	Последовательный порт, 1500 Мбит/с (150 Мбайт/с)	Для подключения жестких дисков	Реализован в 2002 г.
USB 1.1	Последовательный порт, 12 Мбит/с	Подключение принтеров, сканеров, указательных устройств, устройств хранения данных и других. Должен заменить устаревшие параллельный и последовательные порты

Продолжение табл. 2.3

 

Контроллер	Краткая характеристика	Функции	Примечание
USB 2.0	Последовательный порт, 480 Мбит/с	Подключение скоростной периферии (сканеров, устройств хранения данных и др.)	Интегрированные варианты только начинают появляться
ЕЕЕ 1394	Последовательный порт, 400 Мбит/с	Подключение скоростных периферийных устройств (сканеров, устройств хранения данных и др.) и аудио/видео­устройств	Интегрированные варианты только начинают появляться
АС'97	Цифровая часть звукового контроллера АС'97	Реализация недорогих программных звуковых плат или модемов	Требуются дополнительные компоненты (кодеки и другие)
LAN (Ethernet)	Последовательный порт, 10-1000 Мбит/с	Построение локальных сетей	Реализуется не во всех моделях. Иногда требует дополнительных компонентов. Нынешние решения – 10-100 Мбит/с
Монито­ринг	Контролирует температуру, напряжения питания, скорость вращения вентиляторов и некоторые другие параметры		Реализуется не во всех моделях

 

Создание ПК привело к значитель­ному прогрессу в разработке периферийных устройств компьютеров. Особенно эта тенденция просматривается на примере ВЗУ. При значительно меньших размерах они обладают значительно большей емкостью и быстродействием, чем устройства совсем недавнего прошлого. Спектр этих устройств также значительно расширился. В табл. 2.4 приведены основные типы ВЗУ, применяемые в ПК.

Устройства на магнитной ленте (компакт-кассетах) уже к 2000 г. достигли емкости в десятки гигабайт (тогда как первые такие накопители имели емкости немногим больше 100 Кбайт) и применяются они для резервного копирования и как архивы длительного хранения.

Таблица 2.4

Характеристики ВЗУ

 

Тип ВЗУ	Стримеры	Жесткие диски	Флоппи-диски	Оптические диски	Магнитооптика
Обозначение	STD, SDX, STS, TS2	НЖМД (НDD), JAZ	НГМД (FDD, HIFO)	ZIP	CD-ROM, CD-R (worm), CD-RW (warm)	DVD-ROM, DVD-R (worm), DVD-RW (warm)	MO, MOD
Объем	4-25 Гбайт	6-36 Гбайт	1,44 Мбайт (100-200 Мбайт)	100-250 Мбайт	650 Мбайт	4,7-17 Гбайт	9,1 Гбайт
Время доступа	–	7 – 10 мс	100 мс	28 мс	70 – 300 мс	80 – 300 мс	17 – 19 мс

 

Жесткие диски по-прежнему составляют основу системных ВЗУ, хотя их емкость также значительно увеличилась (от 5 – 10 Мбайт в первых системах до нескольких десятков гигабайт в 2000 г.). В настоящее время объем РЖМД в ПК превышает несколько терабайт. Самыми «долгоживущими» среди ВЗУ являются флоппи-диски, представляющие личные архивы пользователей. До последнего времени используются дискеты на 1,44 Мбайт, разработанные фирмой Sony еще в 1980 г. Попытки заменить их аналогичными дисками емкостью свыше 100 Мбайт имели незначительный успех.

Широкое распространение получили компактные устройства магнитооптики, имею­щие довольно малое время доступа. Повсеместно в практику рядовых пользователей во­шли оптические ВЗУ, развивающиеся в сторону WARM (Write And Read Many times). С переходом на новый формат DVD их емкость значительно увеличилась, о чем говорилось ранее.