Шины информационного обмена.

Большинство персональных компьютеров и рабочих станций имеют физическую структуру, сходную с той, которая изображена на рис. 2.23. Обычное устройство представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы поддержки Она также содержит шину, протянутую вдоль нее, и несколько разъемов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Иногда может быть две шины

одна с высокой скоростью передачи данных (для современных плат устройств ввода-вывода), а другая с низкой скоростью передачи данных (для старых плат устройств в вода-вывода).

Логическая структура обычного персонального компьютера показана на рис. 2.24. У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода, однако большинство систем содержат две и более шин. Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна из них содержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно содержится на плате, которая втыкается в свободный разъем. Исключение

представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура), которые иногда располагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и не является факультативным устройством, соответствующий контроллер иногда располагается на встроенной плате, чтобы пользователь мог по желанию выбирать платы с графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную память и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который подсоединяется к разъему на задней стороне корпуса.

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует доступ к шине для этого. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет команды поиска и другие команды на диск. После нахождения соответствующей дорожки и сектора диск начинает передавать контроллеру данные в виде потока битов. Задача контроллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на куски и записывать каждый такой кусок в память по мере их накопления. Отдельный кусок обычно представляет собой одно или несколько слов. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят,

что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенно DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершена, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом случае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для связи с памятью. Однако если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии,

оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памяти и замедляет работу компьютера.

Такая система успешно использовалась в первых персональных компьютерах, поскольку все их компоненты работали примерно с одинаковой скоростью. Однако как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, возникла проблема: шина больше не могла справляться с такой нагрузкой. В случае с закрытыми системами, например рабочими станциями, решением данной проблемы стала разработка новой шины с более высокой скоростью передачи данных для следующей модели машины. Поскольку никто никогда не переносил устройства ввода-вывода со старой модели на новую, такой подход работал успешно. И все же в мире персональных компьютеров многие заменяли процессор более усовершенствованным, но при этом хотели подсоединить свой старый принтер, сканер и модем к новой системе. Кроме того, существовала целая обширная отрасль промышленности, которая выпускала широкий спектр устройств ввода-вывода для шины IBM PC, и производители этих устройств были совершенно не заинтересованы в том, чтобы начинать все разработки заново. Компания IBM прошла этот тяжелый путь, выпустив после серии IBM PC серию PS/2. У PS/2 была новая шина с более высокой скоростью передачи данных, но большинство производителей клонов продолжали использовать старую шину PC, которая сейчас называется шиной ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура). Большинство производителей дисков и устройств ввода-вывода также продолжали выпускать контроллеры для старой модели, поэтому IBM оказалась в весьма неприятной ситуации, поскольку она в тот момент была единственным производителем персональных компьютеров, несовместимых с серией IBM. В конце концов, компания была вынуждена вернуться к производству компьютеров на основе шины ISA. Отметим, что ISA также может быть сокращением от Instruction Set Architecture (архитектура набора команд), если речь идет об уровнях компьютера. А если речь идет о шинах, аббревиатура ISA означает Industry Standard Architecture (стандартная промышленная архитектура).

Тем не менее, несмотря на то, что из-за влияния рынка никаких изменений не

произошло, старая шина работала слишком медленно, поэтому что-то нужно было предпринять. Данная ситуация привела к тому, что другие компании начали производить компьютеры с несколькими шинами, одна из которых была старой шиной ISA или EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стандарта). EISA — последователь ISA, совместимый со старыми версиями. В настоящее время самой популярной из них является шина PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Она была разработана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим достоянием, чтобы вся компьютерная промышленность (в том числе и конкуренты компании) могла перенять эту идею. Существует много различных конфигураций шины PCI. Наиболее типичная из них показана на рис. 2.25. В такой конфигурации центральный процессор общается с контроллером памяти по специальному средству связи с высокой скоростью передачи данных. Контроллер соединяется с памятью и шиной PCI непосредственно, и таким образом, передача данных между центральным процессором и памятью происходит не через шину PCI. Однако периферийные устройства с высокой скоростью передачи данных, например SCSI-диски, могут подсоединяться прямо к шине PCI. Кроме того, шина PCI имеет параллельное соединение с шиной ISA, чтобы можно было использовать контроллеры ISA и соответствующие устройства. Машина такого типа обычно содержит 3 или 4 пустых разъема PCI и еще 3 или 4 пустых разъема ISA, чтобы покупатели имели возможность вставлять и старые карты ввода-вывода ISA (для медленно работающих устройств), и новые карты PCI (для устройств с высокой скоростью работы).

В настоящее время существует много разных видов устройств ввода-вывода.

Некоторые наиболее распространенные из них описываются ниже.