Материал: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков

ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ИНТЕРФЕЙСА И ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

1. Общая характеристика и классификация интерфейсов

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигна- лов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена информацией между устройствами.

Производительность и эффективность использования компьютера определяются не только возможностями его процессора и пропускной способностью основной памяти, но в очень большой степени характе- ристиками интерфейсов, составом периферийных устройств (ПУ), их техническими данными.

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифи- цированным сопряжением между всеми уровнями – стандартными ин- терфейсами. Под стандартными интерфейсами понимают такие интер- фейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных от- раслевыми или государственными стандартами, различными междуна- родными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

• 
  пропускной способностью интерфейса – количеством информа- ции, которое может быть передано через интерфейс в единицу времени;
  
• 
  максимальной частотой передачи информационных сигна- лов через интерфейс;
  
• 
  информационной шириной интерфейса – числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;
  

• максимально допустимым расстоянием между соединяемы- ми устройствами;

• 
  динамическими параметрами интерфейса – временем переда- чи отдельного слова или блока данных с учётом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;
  
• 
  общим числом проводов (линий) в интерфейсе.
  

Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

• 
  способ соединения компонентов системы (радиальный, маги- стральный, смешанный);
  
• 
  способ передачи информации (параллельный, последователь- ный, параллельно-последовательный);
  
• 
  принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
  
• 
  режим передачи информации (двусторонняя поочередная пере- дача, односторонняя передача).
  

Радиальный интерфейс (рис. 5.1) даёт возможность всем модулям (М₁, …, М_n) работать независимо с центральным модулем (ЦМ). Он позволяет получить высокие скорости передачи информации, но требу- ет большого количества шин. Магистральный интерфейс (общая ши- на) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитиру- ет скорость обмена.

Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное 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 приёма её в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию син- хронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу «запрос-ответ». Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приёмным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приёмником своей готовности к приёму данных.

a б




Рис. 5.1. Радиальный (a) и магистральный (б) интерфейсы

Классификация интерфейсов по назначению содержит следующие уровни сопряжений:

• системные интерфейсы;

• 
  локальные интерфейсы;
  
• 
  интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);
  

• межмашинные интерфейсы.

Cистемные интерфейсы предназначены для организации связей между центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ, а также между процессорами в многопроцессорных системах.

Локальные интерфейсы предназначены для организации связи с отдельными устройствами компьютера (видеокартой), а также для со- единения микросхем чипсета между собой.

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

Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных си- стемах и сетях.

Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к многоуровневой ор- ганизации шин интерфейсов на основе использования специализиро- ванных микросхем (чипсетов).

Слово «чипсет» (chipset) в буквальном переводе означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной ло- гики, – это одна или две микросхемы, предназначенные для организа- ции взаимодействия между процессором, памятью, интерфейсом графи- ческого адаптера, портами ввода/вывода и остальными компонентами компьютера. Со временем эти микросхемы стали называть мостами, появились устоявшиеся термины «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge) чипсета. Если чипсет состоит из одной микросхемы, то такое решение называют одночиповым, а если из двух –

двухмостовой схемой. В классической (традиционной) архитектуре двухмостового чипсета северный мост содержит контроллер памяти, контроллер графической шины (PCI Express), интерфейс взаимодей- ствия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором че- рез сокет определенного типа. Под сокетом понимается электрический соединитель, с помощью которого CPU компьютера соединяется с си- стемной платой. Использование сокета позволяет при необходимости без особых проблем поменять процессор на более мощный из того же семейства. Сегодня для интеловских процессоров используются сокеты (разъемы) в формате PGA (pin grid array) для мобильных компьютеров и LCA (land grid array) – для настольных. В первом случае штыревые выводы, располагающиеся на нижней стороне корпуса процессора, устанавливаются в отверстия сокета. Во втором случае аналогично рас- положенные выводы процессора имеют вид плоских контактных пло-

щадок. При установке процессора в компьютер площадки СРU прижи- маются к подпружиненным выводам сокета. Использование новой мик- роархитектуры процессоров, выпуск нового семейства CPU, повышение разрядности внешних шин и использование новых интерфейсов зача- стую требуют смены сокета, а это, в свою очередь, влечёт за собой и за- мену чипсета.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаи- модействия с устройствами ввода/вывода. Он содержит контроллеры жёстких дисков (SATA и/или PATA), сетевой контроллер, USB- контроллер, контроллер шин PCI и PCI Express, контроллер прерыва- ния, DMA-контроллер, звуковой (аудио) контроллер. Кроме того, юж- ный мост соединяется еще с одной важной микросхемой на материн- ской плате – микросхемой ROM-памяти BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода/вывода). Это постоянная память, в ко- торой хранится программа, отвечающая за базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена. Наиболее ши-

роко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров и т.д. Обозначение подобного базового программного обес- печения (ПО) термином «BIOS» присуще для компьютеров на базе про- цессоров с архитектурой х86. Для компьютеров на базе процессоров других типов для обозначения ПО, выполняющего подобные функции, используются другие термины, например, базовое ПО машин с процес- сором архитектуры SPARC называется PROM. Раньше к южному мосту подключалась еще одна микросхема Super I/O, которая отвечала за низ- коскоростные порты RS232, LPT, RS/2. Сейчас эти функции выполняет южный мост. Для соединения северного и южного мостов друг с другом в большинстве случаев используются специальные локальные шины, причём разные производители применяют для этого разные шины с раз- личной пропускной способностью (Intel – DMI, AMD – Alink Express, VIA – V-Link).

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90 % определяются именно чипсетом. От него зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, тип сокета, а также функциональные возмож- ности по подключению периферийных устройств. Основными компани- ями на рынке чипсетов являются Intel, NVIDIA и AMD.

Шины процессора и памяти сравнительно короткие, обычно высо- коскоростные и сбалансированные между собой для обеспечения мак-

симальной пропускной способности канала процессор–память. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяжённость, поддерживать под- соединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шин- ных стандартов. Обычно количество и типы устройств ввода/вывода в вычислительных системах не фиксируются (определяется количество разъёмов той или иной шины ввода/вывода), что даёт