Передача данных по системной шине компьютера. Системная шина - важнейший элемент компьютера. Внутренние прерывания шины PCI

От них зависит производительность всей системы. На материнской плате для каждого устройства – , дисководов и т. д. имеется управляющая электронная схема – адаптер, или контроллер. Некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами.

Все контроллеры компьютера взаимодействуют с процессором и через системную магистраль передачи данных, которая называется также системной шиной . Кроме системной шины на современных материнских платах имеется несколько шин и соответствующих им разъемов для подключения устройств:

шина памяти – для обмена информацией между оперативной памятью и центральным процессором;
шина AGP – для подключения видеоадаптера.
шина кэш-памяти – для обмена информацией между кэш-памятью и центральным процессором;
шины ввода-вывода (интерфейсные шины) – служат для подключения различных устройств.

Существует три основных показателя работы шины компьютера: тактовая частота, разрядность, скорость передачи данных или пропускная способность.

Работа любого компьютера зависит от тактовой частоты, определяемой кварцевым генератором, который представляет собой оловянный контейнер с помещенным в нем кристаллом кварца. Под воздействием электрического напряжения в кристалле возникают электрические колебания. Частота этих колебаний и называется тактовой частотой. Все изменения логических сигналов в любой микросхеме компьютера происходит через определенные интервалы времени, называемыми тактами. Таким образом, наименьшей единицей измерения времени для большинства логических устройств компьютера есть период тактовой частоты. На каждую операцию требуется минимум один такт, хотя некоторые современные устройства успевают выполнить несколько операций за один такт. Тактовая частота компьютера измеряется в мегагерцах (МГц или ГГц). Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого-либо другого устройства. Так организована работа оперативной памяти и процессора компьютера, тактовая частота которого значительно выше тактовой частоты оперативной памяти.

Для передачи электрических сигналов шины используют множество каналов. Если используются 32 канала, то шины считаются 32-разрядными, если 64 канала – то шины 64-разрядные. В действительности шины любой разрядности имеют большее количество каналов. Дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации.

Каждая шина компьютера отличается от простого проводника тем, что имеет три типа линий: линии данных, линии адреса, линии управления.

По шине данных происходит обмен между центральным процессором, установленными в слоты картами расширения и оперативной памятью компьютера.

Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент персонального компьютера и каждая имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство. Для адресации к какому-либо устройству служит шина адреса, по которой передается уникальный адрес устройства. Максимальный объем оперативной памяти зависит от разрядности адресной шины компьютера (числа линий) и равен 2 в степени n, где n – число линий шины адреса. Например, компьютеры с процессором 80486 и выше имеют 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гб памяти.

Для успешной передачи данных по шине недостаточно установить их на шине данных и задать адрес на шине адреса. Необходим еще ряд служебных сигналов, которые передаются по шине управления компьютера.

Быстродействие каждой шины компьютера характеризуется ее пропускной способностью, максимально возможному , передаваемому по шине в единицу времени, и измеряется в Мбайт/с или Гбайт/c. Пропускная способность шины определяется произведением разрядности линии данных и тактовой частоты. Чем выше пропускная способность, тем выше производительность всей системы.

В действительности на пропускную способность шины компьютера влияет множество всевозможных факторов: неэффективная проводимость материалов, недостатки конструкции и сборки и многое другое. Разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25 %.

Основным компонентом каждого ПК является материнская (системная) плата. На ней размещены все его основные элементы – процессор, оперативная память, видеокарта, контроллеры, а также слоты и разъёмы для подключения внешних периферийных устройств. Все компоненты материнской платы связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной. Шина, связывающая только два устройства, называется портом . В качестве примера, рассмотрим структуру, например, такой шины ПК:

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью, так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

- системная шина используется микросхемами Chipset для пересылки информации к процессору и обратно;

- шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между процессором и внешней кэш-памятью;

- шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;

- шины ввода-вывода используются для обмена информацией с периферийными устройствами.

Шины ввода-вывода подразделяются на локальные и стандартные. Локальная шина ввода-вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами и др.) и процессором. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI Express (в прошлом использовалась шина AGP – Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода-вывода используется для подключения более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время широко используется шина USB.

Компоненты шины

Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

- линии для обмена данными (шина данных). Шина данных обеспечивает обмен данными между процессором, картами расширения, установленными в слоты и памятью. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором семейства Pentium имеют 64-разрядную шину данных.

- линии для адресации данных (шина адреса). Шина адреса служит для указания адреса какого-либо устройства, с которым процессор производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый порт ввода-вывода и ячейка RAM имеют свой адрес.

- линии управления данными (шина управления). По шине управления передается ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания, управления и других. Все сигналы шины управления предназначены для обеспечения передачи данных.

- контроллер шины , осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы, либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в неё. Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины для современных ПК, например, Pentium IV – 64 – разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, если разрядность шины 64, а тактовая частота 66 МГц, то пропускная способность = 8 (байт) * 66 МГц = 528 Мбайт/сек.

Частота шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными по шине.

Внешние устройства подключаются к шинам посредством интерфейса.

Стандарты шин ПК

Системная шина (FSB – Front Side Bus) это шина предназначена для обмена информацией между процессором, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся GTL , имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц; EV6 , спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК.

- Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. Вначале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM – к шине IEEE 1394.

- Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

- Шина VESA или VLB , предназначена для связи процессора с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преобладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486, шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

- Шина РСI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) была разработана фирмой Intel для процессора Pentium. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия процессора). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.

- Шина AGP - высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот. Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33 х 32= 1056 Мбит/с = 132 Мбайт/с, то шина AGP тактируется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет, 66 х 32 = 264 Мбайт/сек; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет 132 МГц, а пропускная способность - 528 Мбайт/сек.; в режиме 4х пропускная способность около 1 Гбайт/сек.

- PCI Express – В 2004 году компанией Intel была разработана последовательная шина PCI-Express с пропускной способностью около 4 Гб/сек. Каждому устройству, подключенному к этой шине отводится собственный канал со скоростным показателем 250Мб/сек. При этом можно использовать сразу несколько каналов, например, при передаче данных к видеокарте. Также к плюсам данной шины можно отнести "горячую замену" любого подключенного к ней устройства, даже не выключая питания системного блока. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и PCI, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

- Шина USB (Universal Serial Bus) была разработана для подключения среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Например, скорость обмена информацией по шине USB 2.0 составляет 45 Мбайт/с – 60 Мбайт/сек. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Шина USB поддерживает технологию Plug & Play. При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически.

- Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Существует широкий диапазон версий SCSI, начиная от первой версии SCSI I, обеспечивающей максимальную пропускную способность 5 Мбайт/с, и до версии Ultra 320 с максимальной пропускной способностью 320 Мбайт/сек.

- Шина UDMA (Ultra Direct Memory Access – прямое подключение к памяти). UDMA обеспечивает передачу данных с жесткого диска, со скоростью до 33,3 Мб/сек в режиме 2 и 66,7 Мб/сек в режиме 4.

- Шина IEEE 1394 - это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/сек, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК. Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой.

Последовательный и параллельный порты

Такие устройства ввода и вывода, как клавиатура, мышь, монитор и принтер, входят в стандартную комплектацию ПК. Все периферийные устройства ввода должны коммутироваться с ПК таким образом, чтобы данные, вводимые пользователем, могли не только корректно поступать в компьютер, но и в дальнейшем эффективно обрабатываться. Для обмена данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой) может быть организована параллельная или последовательная передача данных.

Параллельный порт. В ПК, как правило, 2 параллельных порта: LPT1 и LPT2 . К ним можно подключать принтеры и сканеры. В настоящее время LPT порты используются редко, современные принтеры и сканеры в основном подключаются к универсальным USB портам.

Последовательные порты. В ПК, как правило, 4 последовательных порта: COM1 – COM4 . Это устаревшие порты, они редко используются в современных ПК. К ним можно подключать: мышь старой конструкции (с механическим шариком) и некоторые другие медленные устройства.

PS/2 – порт для подключения клавиатуры и мыши, получивший в своё время широкое распространение и до сих пор имеющийся во многих современных компьютерах.

Универсальный USBпорт . К USB-портам подключаются разнообразные устройства, от принтеров и сканеров до флэш-накопителей и внешних дисков, а также видеокамеры и веб-камеры, фотоаппараты, телефоны, музыкальные плейеры и пр.

Слоты ПК

Для того, чтобы системная плата могла взаимодействовать с другими, отдельно вставляющимся платами, используются специальные гнезда, которые называются слотами.

Слоты стандарта PCI . PCI – это стандарт не только слота, но и самой шины (канал, по которому передается информация между устройствами компьютера). Уже долгое время слоты PCI служат для подключения внешних устройств (звуковая плата, сетевая карта и др. контроллеры). Слотов PCI на современных платах три, четыре. Найти их очень легко – они самые короткие и обычно белого цвета, разделенные перемычкой на две неравные части. Сегодня слоты PCI сочетаются с новыми слотами PCI-Express (используются для подключения видеокарт).

Слоты стандарта PCI Express. PCI-Express имеет два типа слотов для подключения дополнительных плат:

Короткие PCI-Express x1 (скорость передачи данных – 250 Мб/с)

Длинные PCI-Express x16 (до 4 Гб/с) – для подсоединения видеокарты.

Слоты для установки оперативной памяти – их легко различить среди всех разъемов, они снабжены специальными замочками-защелками. На плате их может быть от двух до четырех, что позволяет установить от 512 Мб до 4 Гб оперативной памяти. Слоты жестко привязаны к типу оперативной памяти, т.е. в слот, предназначенный для памяти DDR2 нельзя вставить память типа DDR3. Иногда на одной системной плате бывает установлено несколько слотов для разных типов памяти.

Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.

Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.

Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
Шина AGP . Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI . Шина PCI-Expres - это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение - 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI - компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.

Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser (CNR). Подобные специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выполнение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являются универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к какой-либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как стандартные, так и расширенные системные платы, не резервируя на них место для установки дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъемы AMR/CNR имеют узкоспециализированное назначение.

В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем, например hub-интерфейса и шины LPC. Hub-интерфейс представляет собой четырехтактную (4x) 8-разрядную шину с рабочей частотой 66 МГц, которая используется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях. Некоторые современные наборы микросхем для рабочих станций и серверов, а также последняя серия 9xx от Intel для настольных компьютеров используют более быстродействующие версии этого hub-интерфейса. Сторонние производители наборов микросхем системной логики также реализуют свои конструкции высокоскоростных шин, соединяющих отдельные компоненты набора между собой.

Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 16,67 Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значительно меньше контактов. Она позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.

Набор микросхем системной логики можно сравнить с дирижером, который руководит оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к собственной шине.

Шины ISA, EISA, VL-Bus и MCA в современных конструкциях системных плат не используются. Мбайт/с. Мегабайт в секунду.
ISA. Industry Standard Architecture (архитектура промышленного стандарта), известная также как 8-разрядная PC/XT или 16разрядная AT-Bus.
LPC. Шина Low Pin Count (шина с малым количествомконтактов).
VL-Bus. VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus (расширение ISA).
MCA. MicroChannel Architecture (микроканальная архитектура) (системы IBM PS/2).
PC-Card. 16-разрядный интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). CardBus. 32-разрядная шина PC-Card.
Hub Interface. Шина набора микросхем Intel серии 8xx.
PCI. Peripheral Component Interconnect (шина взаимодействия периферийных компонентов).
AGP. Accelerated Graphics Port (ускоренный графический порт).
RS-232. Стандартный последовательный порт, 115,2 Кбайт/с.
RS-232 HS. Высокоскоростной последовательный порт, 230,4 Кбайт/с.
IEEE-1284 Parallel. Стандартный двунаправленный параллельный порт.
IEEE-1284 EPP/ECP. Enhanced Parallel Port/Extended Capabilities Port (параллельный порт с расширенными возможностями).
USB . Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина).
IEEE-1394. Шина FireWire, называемая также i.Link.
ATA PIO. AT Attachment (известный также как IDE) Programmed I/O (шина ATA с программируемым вводом-выводом).
ATA-UDMA. AT Attachment Ultra DMA (режим Ultra-DMA шины ATA).
SCSI. Small Computer System Interface (интерфейс малых компьютерных систем).
FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
EDO. Extended Data Out (расширенный ввод-вывод).
SDRAM. Synchronous Dynamic RAM (синхнонное динамическое ОЗУ).
RDRAM. Rambus Dynamic RAM (динамическое ОЗУ технологии Rambus).
RDRAM Dual. Двухканальная RDRAM (одновременное функционирование).
DDR-SDRAM. Double-Data Rate SDRAM (SDRAM с удвоенной скоростью).
CPU FSB. Шина процессора (или Front-Side Bus).
Hub-интерфейс. Шина набора микросхем Intel 8xx.
HyperTransport. Шина набора микросхем AMD.
V-link. Шина набора микросхем VIA Technologies.
MuTIOL. Шина набора микросхем SiS.
DDR2. Новое поколение памяти стандарта DDR.

Для повышения эффективности во многих шинах в течение одного такта выполняется несколько циклов передачи данных. Это означает, что скорость передачи данных выше, чем это может показаться на первый взгляд. Существует достаточно простой способ повысить быстродействие шины с помощью обратно совместимых компонентов.

Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.

Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.

Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.

Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.

Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, бо льшее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.

Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.

Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.

100 * 64 = 6400 Мбит/сек;

6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода–вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) - Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования - поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.

Чипсет

Как уже можно было убедиться на примере системной и локальных шин, материнская плата является довольно сложным устройством и включает следующий важный компонент – чипсет. От чипсета напрямую зависят все основные характеристики материнской платы, а следовательно, и конструируемой на ее базе компьютерной системы.

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.

Чипсет – это набор микросхем системной логики (называют сокращенно НМС или МСЛ). Общеизвестно, что персональный компьютер состоит из некоторого количества устройств, которые так или иначе подключены к материнской плате и занимаются тем, что принимают, обрабатывают и передают какую-либо информацию. Логической организацией всей этой работы и занимаются чипсеты. На первых поколениях ПК, когда НМС еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы отдельных устройств, что было крайне неудобно. Вот некоторые из них: контроллеры прерываний, контроллер прямого доступа, контроллер клавиатуры, часы, системный таймер, контроллер шин и прочее и прочее. Такое положение просуществовало до 1986 года, когда фирма Chip and Technologies предложила поистине революционное решение. Микросхема называлась 82С206 и стала основной частью набора микросхем системной логики. Она выполняла такие функции, как:

Контроллер шин;

Генератор тактовой частоты;

Системный таймер;

Контроллер прерываний;

Контроллер прямого доступа к памяти;

С появлением процессора i80486 отдельные микросхемы стали объединять в одну–две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, - это одна или чаще всего две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера.

С появлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами - так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный - с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это - двухмостовая схема.

В северный мост чипсета традиционно включены контроллер оперативной памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета может содержать дополнительные линии PCI Express x1 для организации взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий интерфейс.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB-контроллер, сетевой контроллер, контроллер PCI-шины и PCI-Express-шины, контроллер прерывания и DMA-контроллер. Также в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер, и в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека. Кроме того, южный мост соединяется с еще двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM-памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и за флоппи-дисковод.

Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется специальная выделенная шина, причем разные производители используют для этого разные шины (с различной пропускной способностью):

· Intel- DMI (Direct Media Interface),

· VIA Technologies (основной производитель для процессоров AMD)-V-Link;

· SiS (Silicon Integrated System Corporation) - MuTIOL;

· ATI- HyperTransport, PCI Express;

· NVIDIA- HyperTransport.

Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста, хотя более правильным является указание именно совокупности северного и южного мостов, поскольку во многих случаях один и тот же северный мост чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.

Выбор чипсетов на сегодня очень велик. И если процессоры выпускают всего две компании – Intel и AMD–, то чипсеты производят и Intel, и VIA, и SiS, и NVIDIA, и ATI, и ULi.

Рассмотрим некоторые особенности современных чипсетов компании Intel. Сегодня компания Intel выпускает весьма разнообразный спектр чипсетов для процессоров Intel Pentium D, Intel Pentium 4 и Intel Celeron D. В 2004–2005гг. применялось семейство Intel 915, Intel 925, в 2006 г. – Intel 945. Вместе с новыми процессорами Intel Pentium Extreme Edition 8хх и Intel Pentium D компания Intel представила и новый чипсет Intel 955X Express (кодовое название Glenwood). Все отмеченные чипсеты предназначены для корпуса микропроцессора LGA775.

Чипсет Intel 955X Express является на сегодня старшей моделью и логическим продолжением чипсетов серии Intel 945, Intel 925X Express. Он может поддерживать двухъядерный процессор Intel Pentium Extreme Edition 8хх с частотой FSB 800 МГц или одноядерный процессор Intel Pentium 4 Extreme Edition c частотой FSB 1066 МГц и обычные процессоры Intel Pentium 4. Для процессора Intel Pentium D предназначен чипсет Intel 945X Express. А теперь перечислим основные особенности набора системной логики Intel 955X Express (рис. 10) по сравнению с предыдущими сериями.

Контроллер памяти этого чипсета поддерживает память DDR2-667 в двухканальном режиме, а шина памяти имеет пропускную способность 8,5 Гбайт/с. Всего поддерживается до 8 Гбайт памяти, причем реализована поддержка памяти с ECC. Кроме того, в контроллере памяти реализована технология оптимизации производительности памяти (Performance Memory Optimizations).

Для совместимости с процессорами Intel Pentium 4 Extreme Edition частота FSB может быть как 800, так и 1066 МГц. Особенностью северного моста чипсета Intel 955X Express является также поддержка двух графических шин с внешним мостом, обеспечивающим два физических слота PCI Express x16. Южный мост чипсета ICH7 - это новая версия уже хорошо знакомого контроллера ввода-вывода ICH6. Среди функциональных особенностей - поддержка четырехканального SATA RAID-контроллера, восьмиканального аудиоформата Intel High Definition Audio, PCI-шины и шести слотов шины PCI Express x1.

Чипсеты разрабатываются под конкретные поколения процессоров и конкретные модели процессоров. Так, например, компании VIA Technologies, NVIDIA, SiS в большей степени разрабатывают чипсеты для процессоров AMD. А фирма Intel, естественно, работает на собственный модельный ряд Pentium 4. Основные характеристики чипсетов Intel отражены в табл. 5. Как видно, чем старше модельный ряд, тем большие возможности по производительности и функциональности заложены в них. Поддержка высокоскоростных шин (FSB 800/1066 МГц), современный процессорный разъем (LGA 775), быстрая и большой емкости памяти (DDR2), увеличенное количество USB портов, высокоскоростные интерфейсы винчестера (SATA II) и другие.

Рис. 10. Структурная схема чипсета Intel 955X Express

BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода–вывода) - это встроенное в компьютер на чипе программное обеспечение, которое ему доступно на первом этапе без обращения к диску. Оно представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, в частности необходимых для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и называемой «холодной» загрузке) и сбросе («горячей» загрузке) системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода–вывода, настраивает чипсет и передает управление загрузчику операционной системы. Образец микросхемы BIOSа представлен на рис. 11.

Рис. 11. Микросхема BIOSа компании American Megatrends Inc (AMI).

Таблица 5

Основные характеристики чипсетов для микропроцессоров Intel

По сути дела, BIOS – это набор драйверов (драйвер – программа управления устройством), обеспечивающих работу системы при запуске компьютера или при загрузке в безопасном режиме. При включении питания компьютера еще до загрузки операционной системы можно управлять им с клавиатуры, видеть все действия на мониторе. Кроме этого, если загрузка происходит в безопасном режиме, то осуществляется отказ от драйверов операционной системы и в работе остаются только драйвера BIOS.

При работе под операционными системами DOS и Windows 9x BIOS также управляла основными устройствами, то есть выступала посредником между операционной системой и аппаратурой компьютера. При работе под Windows NT/2000/XP, разновидностями UNIX, OS/2 и другими альтернативными ОС BIOS практически не используется, выполняя лишь начальную проверку и настройку.

BIOS состоит из следующих частей:

1. POST (Power On Self Test) - программа, ответственная за тестирование аппаратных средств компьютера при включении питания.

2. System Setup - программа настройки системы.

3. Набор программ для управления работой аппаратуры ПК.

BIOS, вообще говоря, уникален для каждой модели материнской платы компьютера, то есть он разрабатывается с учетом особенностей функционирования той комбинации оборудования, которая характерна именно для данной модели.

BIOS для современных системных плат разрабатывается чаще всего одной из специализирующихся на этом фирм - Award Software (поглотившей Phoenix Technology – одного из самых известных в прошлом производителей BIOS), American Megatrends Inc. (AMI ), Microid Research. В настоящее время наиболее популярен Award BIOS. Некоторые производители материнских плат - Intel, IBM или Acer - сами разрабатывают BIOS для своих плат. Они или существенно расширяют набор настроек или (как в случае с Intel), наоборот, ограничивают количество настроек только минимально необходимыми.

Первоначально BIOS размещалась в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство - ROM, Read-Only Memory: только для чтения), размещенной на материнской плате компьютера. Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступной, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться с других носителей. Поскольку доступ к оперативной памяти осуществляется значительно быстрее, чем к ПЗУ, производители компьютеров создавали системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ПЗУ в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется теневой памятью.

Во всех современных платах BIOS хранится в электрически перепрограммируемых ПЗУ (Flash ROM), которые допускают перепрошивку BIOS средствами самой платы при помощи специальной программы. Это позволяет исправлять заводские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вносить другие изменения, обновлять BIOS под новые материнские платы или компоненты компьютера.

Однако кроме явных плюсов в этой технологии есть и слабые стороны. Например, в настоящее время существует группа вирусов, которые, пользуясь возможностью изменять содержимое BIOS, стирают или изменяют его и таким образом делают компьютер неработоспособным. Из-за неправильного или отсутствующего BIOSа компьютер отказывается загружаться. Исправить такую ситуацию можно только в сервисном центре, где в специальном устройстве - программаторе - на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS. Например, известный вирус «Чернобыль», эпидемия которого была 26 апреля 1999 г., уничтожил миллионы BIOS по всему миру. После этой эпидемии некоторые производители стали снабжать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В случае повреждения основной копии загружается содержимое резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются достаточно редко.

Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS RAM. CMOS RAM называется так потому, что она выполнена на основе CMOS-структур (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые отличаются малым энергопотреблением. CMOS-память является энергонезависимой только потому, что постоянно подпитывается от аккумулятора, расположенного на системной плате. В то время, когда компьютер включен, CMOS RAM питается от блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM настолько мало, что даже при выключенном компьютере и отсутствующей батарее ее содержимое может сохраняться более суток только за счет остаточных зарядов на конденсаторах блока питания.

В CMOS RAM хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т. д. В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также разряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность воспользоваться настройками по умолчанию.

Общий принцип, которого следует придерживаться: если компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его работе, связанных с BIOS, не выявлено, то обновлять BIOS не следует.

Однако существуют ситуации, когда обновление BIOS необходимо. Обычно это выход нового процессора, поддержка которого не была заложена в прежней версии. Прежде чем устанавливать новую версию, нужно отправиться на сайт технической поддержки фирмы-производителя системной платы, прочитать спецификации новой версии BIOS и при необходимости скачать их, удостоверившись, что эта версия исправляет именно те недостатки, которые были выявлены в вашем компьютере.

При включения компьютера на процессор подается напряжение питания, и он «просыпается». Первыми прочитанными процессором командами являются инструкции из чипа BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы). Первым запускается POST - программа самотестирования. POST выполняет следующие шаги:

· инициализирует системные ресурсы и регистры чипсетов, систему управления электропитанием;

· определяет объем оперативной памяти (RAM) и тестирует ее;

· инициализирует видеоадаптер;

· включает клавиатуру;

· тестирует последовательные и параллельные порты;

· инициализирует дисководы и контроллеры жестких дисков;

· отображает итоговую системную информацию.

Все эти действия скоротечно отображаются на экране монитора (в черно-белом варианте) и их можно проследить и даже проанализировать, нажав клавишу «Pause».

В процессе работы BIOS сравнивает данные текущей системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS, и при необходимости обновляет ее. Если при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS информирует об этом сообщениями на экране монитора, а если это невозможно (например, еще не был проинициализирован видеоадаптер), выдает звуковые сигналы через системный динамик. Количество гудков соответствует кодам ошибки, которые можно узнать из документации. Некоторые системные платы снабжаются жидкокристаллическим индикатором, где отображаются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших ошибок.

После того как все POST-задания завершены, BIOS приступает к поиску программы-загрузчика. Современные версии BIOS позволяют загружать операционную систему не только с флоппи-дисководов и жесткого диска, но и с привода CD-ROM, ZIP-устройств или Flash накопителей. Программа-загрузчик обычно располагается в первом секторе диска (винчестера), на котором размещена операционная система. Порядок перебора дисков при поиске загрузчика задается в настройках BIOS. Если загрузчик найден, он помещается в память и ему передается управление. После этого он находит и помещает в память собственно программу загрузки операционной системы (operation system loader), которая загружает, инициализирует и конфигурирует операционную систему и драйвера устройств. И уже в завершение, когда операционная система загружена, все управление передается ОС Windows, а затем запускаются другие программы, и в первую очередь из папки «Автозагрузка».

Как уже говорилось ранее, в системах под управлением DOS или Windows 9х BIOS берет на себя роль управления аппаратной частью ПК и служит посредником между операционной системой и оборудованием.

BIOS реализует свои функции через систему прерываний программного обеспечения. Прерывания программного обеспечения приводят к тому, что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке прерывания.

Проблема BIOS в том, что ограниченным числом подпрограмм невозможно оптимальным образом накрыть все потребности программного обеспечения и все особенности работы оборудования. Таким образом, использование подпрограмм BIOS не всегда является благом. В частности, эти подпрограммы реализуют некоторые функции компьютера очень медленно. Другим отрицательным моментом является то, что BIOS не позволяет полностью использовать возможности имеющегося оборудования, например его возможности, которые были реализованы после написания BIOS. Поэтому все современные операционные системы, обладая развитой системой обнаружения, конфигурирования и работы с аппаратным обеспечением компьютеров посредством драйверов, не пользуются услугами BIOS.

В будущем ряд производителей системных плат намерены отказаться от использования BIOS. Например, Intel разрабатывает ряд технологий, которые позволят перераспределить функции BIOS между чипсетом и расширениями операционной системы и избавиться от самой старой из доживших до наших дней части ПК.

Полное название BIOSа – ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input/Output System – только для чтения основная система ввода–вывода). На начальных этапах развития персональных компьютеров BIOS кратко назвали ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство). ПЗУ является связующим звеном, между операционной системой и железом. Не будь ROM BIOS, то операционная система была бы привязана к аппаратным средствам (как это и было практически на всех моделях микро-ЭВМ) и полностью бы от них зависела. Поскольку операционные системы имеют единый интерфейс для работы с различной аппаратурой, то проблем в несовместимости hardware и software, как правило, не происходят, так как между ними как раз и стоит BIOS. Напомним, что в компьютерном мире по принятой терминалогии hardware – это аппаратная часть компьютера, а software – программное обеспечение. Все это может выглядеть примерно так (рис.12):

Рис. 12. Роль BIOSа в создании единого аппаратно-программного комплекса

Каждая материнская плата оснащена микросхемой BIOS, которых существует четыре типа:

1. ROM (Read Only Memory) или ПЗУ;

2. PROM (Programmable ROM) или ППЗУ (Программируемое ПЗУ);

3. EPROM (Erasable PROM) или СППЗУ (Стираемое ППЗУ);

4. EEPROM (Electrically EPROM) или ЭСППЗУ (Электронное – Стираемое ППЗУ), второе название – flash ROM.

ROM. Первые ПЗУ представляли собой матрицу, на которой был выжжен код программы. Матрица представляла собой кремниевый кристалл. Перезаписать данные не представлялось возможным. Эта технология продержалась не слишком долго.

PROM. В конце 70-х годов фирма Texas Instruments разработала впервые программируемое ПЗУ. Первое ППЗУ имело емкость до 2 Мбайт. Запись на микросхему PROM можно сделать один раз. Но в отличие от ПЗУ, ППЗУ можно было запрограммировать в домашних условиях. Нужно было лишь купить новую ИС и иметь дома программирующее устройство, подключенное к компьютеру. Микросхемы ППЗУ имели свои идентификационные номера по которым можно было определить тип ППЗУ и объем в Кбайтах.

EPROM. На новых микросхемах имелось кварцевое окошко, довольно дорогое. Через окошко под воздействием ультрафиолетовых лучей возникала химическая реакция, которая восстанавливала ячейки. Для стирания записанной информации применялось специальное устройство. По физическим и функциональным параметрам микросхемы EPROM особо не отличались от PROM.

EEPROM. Основное преимущество этих микросхем заключается в том, что для перепрограммирования не требуется их снятия с материнской платы и не требуется никакого дополнительного оборудования. Уже с 1994 года почти все системные платы оснащаются flash ROM, а на данный момент времени другого BIOS на современной материнской плате не встретишь.

Была восьмиразрядной, т.е. по ней можно было одновременно пере-давать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentiurr IV — 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется коли-чеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умно-жить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так

(16 бит * 8,33 МГц): 8 = 16,66 Мбайт/с.

При расчете пропускной способности, например шины AGP , следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2х) или в четыре (режим 4*) раза, что эквивален-тно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее чис-ло раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Внешние устройства к шинам подключаются посредством ин-терфейса (Interface — сопряжение), представляющего собой сово-купность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информаци-ей между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик относятся электрические и вре-менные параметры, набор управляющих сигналов, протокол об-мена данными и конструктивные особенности подключения. Об-мен данными между компонентами ПК возможен только если интерфейсы этих компонентов совместимы.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточ-ных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последова-тельной и параллельной передачи данных. Эти итерфейсы необхо-димы для работы наиболее важных периферийных устройств вво-да и вывода.

Системная шина предназначена для обмена информаци-ей между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему.

К системным шинам относятся:

GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;

EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2.5 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, одна-ко и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной Шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. Вначале планируется Исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиа-туры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM — к шине ШЕЕ 1394. Однако наличие огромного пар-ка ПК с шиной ISA и соответствующих комплектующих позволя-ет предполагать, что 16-разрядная шина ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направ-лении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, ус-тупающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Шина VESA , или VLB, предназначена для связи CPU с быст-рыми периферийными устройствами и представляет собой рас-ширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преоб-ладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486 шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершенно новую шину. Основопо-лагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуще-ствляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU).

Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор осво-бождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI бу-дет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода. На рис. 2.6 дана архитектура шины PCI

Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/выво-да, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (ЗО-акселератор) с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной спо-собности, в частности, за счет использования более высоких такто-вых частот.

Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33 х 32= 1056 Мбит/с= 132 Мбайт/с, то шина AGP тактуется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет 66 х 32 = 264 Мбайт/с; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет 132 МГц, а пропускная способность — 528 Мбайт/с; в режиме 4х пропускная способность около 1 Гбайт/с.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и теле-коммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпу-са PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным ши-ной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Шина TJSB поддерживает технологию Plug & Play.

При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически. Все периферийные устройства должны быть обору-дованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный вы-носной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 2.7.

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает ско-рость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает под-ключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличитель-ной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может ини-циировать обмен с другим устройством.

На рис. 2.8 показано подключение периферийных устройств к ПК с помощью шины SCSI. Существует широкий диапазон вер-сий SCSI, начиная от первой версии SCSI I, обеспечивающей максимальную пропускную способность 5 Мбайт/с, и до версии Ultra 320 с максимальной пропускной способностью 320 Мбайт/с. С шиной SCSI может конкурировать шина IEEE 1394.

Шина IEEE 1394 — это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработ-ки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/с, работать одновременно с несколькими устройства-ми, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает техноло-гию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК.

Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устрой-ства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адап-теры IEEE 1394 для шины PCI.

Вопросы для конспектирования студентами:

1. Определение шины

2. Назначение шин

3. Архитектура шины

4. Понятие разрядности шины.

5. Понятие пропускной способности шины

6. Интерфейс шины ПК

7. Принцип IBM-совместимости

8. Виды шин и их характеристики (заполнить таблицу)

Виды шин	Характеристики шин
Скорость	Назначение	Особенности	Достоинства	Недостатки