Если вас интересует, как называется устройство, предназначенное для взаимосвязи ЭВМ с другими компьютерами, то эта статья определенно вам поможет. Устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими называется адаптером или сетевой картой. Что собой представляет данный элемент? Как он работает? Какие функции выполняет сетевая карта? В рамках данной статьи вы получите ответ на эти и многие другие вопросы.
Адаптер: что это такое?
Адаптером называют периферийное устройство компьютера, которое работает непосредственно со средой передачи данных. Именно благодаря адаптеру или при использовании другого коммуникационного оборудования осуществляется налаживание связей с другими ПК. Данное устройство решает задачи обеспечения надежности обмена двоичными данными, которые представлены в виде соответствующих ЭМ сигналов. Передача этих данных осуществляется при использовании внешних линий связи. Так как адаптер является контроллером компьютера, он работает под управлением соответствующих драйверов операционной системы. В зависимости от реализации разграничение функций между ними может меняться.
Развитие адаптеров
Вы уже знаете, что устройство для связи одной ЭВМ с другими называется адаптером. Рассмотрим, как же развивалась данная технология. Адаптеры в первых локальных сетях вместе с сегментом коаксиального кабеля брали на себя весь спектр коммуникационного оборудования. Именно благодаря им и реализовывалось взаимодействие между компьютерами. Тогда использовалось непосредственное взаимодействие между различными ЭВМ. Такая технология до сих пор используется. Однако в большинстве современных стандартов предусмотрено еще наличие целого ряда специальных коммуникационных устройств, таких как коммутатор, мост, концентратор и маршрутизатор. Эти устройства забирают на себя часть функций, связанных с управлением потоком данных.
Ошибочные предположения
Довольно часто можно услышать или прочитать о том, что устройством для связи одной ЭВМ с другими является процессор. Это утверждение является не верным. Устройство для связи одной электронно-вычислительной машины с другой называется сетевой картой или адаптером, и никак иначе. Достоверно неизвестно, откуда пошло такое заблуждение.
Функция оформления и кодирования данных
Функции адаптера состоят в том, что информацию необходимо передавать в виде кадра, который имеет определенный формат. Под кодированием при этом понимают представление информации при помощи определенных сигналов таким образом, чтобы они могли быть приняты на другой стороны. При этом заключенный в них смысл не должен теряться. Давайте остановимся на данном вопросе более детально. В кадре имеется несколько служебных полей. К таким полям относится адрес ПК, которому необходимо передать данные, и контрольная сумма каждого кадра. По контрольной сумме и будет делаться вывод о корректности предоставленной информации. Про кодирование можно сказать, что смысл данной процедуры заключается в преодолении помехи и предоставлении принимающей аппаратуре возможности распознавания полученной информации. Имеются также и некоторые техническое особенности. Так, например, при использовании в локальной сети широкополосных кабелей адаптерами не используется модуляция сигнала, так как это необходимо только тех случаях, когда передача идет по узкополосным линиям связи. В качестве таковых могут выступать телефонные каналы тональной частоты.
Функция получения доступа
Следующая функция применяется только во взаимодействии со средой трансляции данных. Она используется только в тех случаях, когда требуется получить доступ по определенному алгоритму. Это необходимо из-за эксплуатации разделяемой среды трансляции данных. Однако сегодня наметилась определенная тенденция отказа от такого подхода в пользу индивидуальных каналов связи ЭВМ с коммуникационными устройствами сети. Подобный принцип используется в проводной телефонии.
Функция синхронизации и преобразования
Для предоставления информации в читаемом виде необходимы преобразование и синхронизация. Благодаря адаптеру, информация может быть преобразована из последовательной формы в параллельную, и наоборот. Это необходимо сделать по той простой причине, что для упрощения выполнения задачи синхронизации данные передаются постепенно, бит за битом. В компьютере вся информация перемещается побайтно. Что же касается синхронизации, то можно сказать, что она необходима для того, чтобы поддерживать бесконфликтное взаимодействие между приемником и передатчиком информации. Данная задача успешно решается адаптером благодаря использованию специальных методов кодирования, где не используется дополнительная шина с тактовыми синхросигналами. Благодаря использованию такого метода можно легко обеспечить периодическое изменение состояния передаваемого сигнала. Помимо проблем с синхронизацией на уровне битов, адаптер также решает и аналогичные задачи относительно кадров и байтов.
Технические особенности
Адаптеры различают по используемой технологии и внутренней шине данных. Если говорить о шине, то здесь встречаются следующие типы: EISA, ISA, MCA, PCI. С сетевыми технологиями все довольно неоднозначно. Обычно один адаптер поддерживает работу только по одной сетевой технологии. Достигается это благодаря использованию различных сред трансляции данных. Одной из наиболее популярных технологий является Ethernet. Она спокойно поддерживает коаксиальный, оптоволоконный кабели и неэкранированную витую пару. Если адаптер может поддерживать только одну среду, то тогда могут использоваться трансиверы и конверторы. Что собой представляют данные устройства?
Конверторы и трансиверы
Трансиверы по-другому называют приемопередатчиками. Они представляют собой часть сетевого адаптера и являются оконечными устройствами, которые выходят на кабель. Следует отметить, что первоначально трансиверы располагались на кабелях. Потом было принято решение, что наиболее удобным является размещение именно на адаптере. Вместо трансивера можно было использовать конвертор. Он используется для согласования информации при использовании различных сред трансляции данных. В качестве примера можно привести локальную домашнюю сеть, в которой используется коаксиальный кабель и витая пара.
Заключение
Задачу можно считать выполненной. Основная терминология и конструкционные особенности адаптеров разъяснены. Теперь у вас не должно возникать вопросов о названии устройства, используемого для взаимосвязи одного ПК с другими. Кроме того, в данной статье мы рассмотрели, какие функции выполняются адаптерами, какой путь развития они прошли и как они могут быть улучшены. Предоставленной информации недостаточно для более глубокого изучения данного вопроса, но для начального изучения вопросов, связанных с построением физической передачи данных, она вполне подойдет.
Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной - ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г
Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Структура современного персонального компьютера представлена на рисунке ниже.
Рассмотрим принцип взаимодействия основных устройств.
Материнская (системная) плата - важнейший элемент ПК. На ней размещаются устройства, непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычислений). Как правило, это микропроцессор, внутренняя память, системная шина, контроллер клавиатуры, генератор тактовой частоты, контроллер прерываний, таймер и др. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называют чипсетами. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них, и названия фирм, их выпускающих. На материнских платах находятся специальные перемычки - джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней.
Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных - шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.
Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.
Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.
Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер - устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства - программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.
Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управлять нестандартным устройством.
Драйвер выступает в роли "переводчика" с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного "мостика" между системой в целом и дополнительным устройством.
Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания - сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.
В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера:
микропроцессор - мозг компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды: проводит вычисления и управляет работой остальных устройств ПК;
оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;
контроллеры, предназначенные для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК;
накопители на гибких магнитных дисках, используемые для чтения и записи на дискеты;
накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);
дисководы для компакт-дисков, обеспечивающие возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков, а также запись информации на компакт-диск;
блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;
счетчик времени, который функционирует независимо от того, включен компьютер или нет;
другие устройства.
Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:
устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);
устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM, оперативная память, др.);
устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т.д.);
устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.).
Микропроцессор (МП), или центральный процессор {CPU, от англ. Central Processing Unit) - основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Память (внутренняя - системная, включающая ОЗУ и ПЗУ и внешняя дисковая). ПЗУ (от англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. ОЗУ (от англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач, в ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. В качестве устройств внешней памяти размещаемых в системном блоке, используются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках, накопители на оптических дисках (НОД) и др;
Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК, От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:
внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
устройства ввода информации;
устройства вывода информации;
средства связи и телекоммуникации.
Монитор - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.
Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.
Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;
манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;
графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).
Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещено во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (монитор, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.
Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.
Материнская или системная плата – это многослойная печатная плата, являющаяся основой ЭВМ, определяющая ее архитектуру, производительность и осуществляющая связь между всеми подключенными к ней элементами и координацию их работы.
Материнская плата – это один из важнейших элементов ЭВМ, определяющий ее облик и обеспечивающий взаимодействие всех подключаемых к материнской плате устройств.
На материнской плате размещаются все основные элементы ЭВМ, такие как:
Набор системной логики или чипсет – основной компонент материнской платы, определяющий какой тип процессора, тип ОЗУ, тип системной шины можно использовать;
Слот для установки процессора. Определяет, какой именно тип процессоров можно подсоединить к материнской плате. В процессорах могут использоваться различные интерфейсы системной шины (например, FSB, DMI, QPI и т.д.), какие то процессоры могут иметь встроенную графическую систему или контроллер памяти, может отличаться количество "ножек" и так далее. Соответственно для каждого типа процессора необходимо использовать свой слот для установки. Зачастую производители процессоров и материнских плат злоупотребляют этим, гонясь за дополнительной выгодой, и создают новые процессоры не совместимые с существующими типами слотов, даже если этого можно было избежать. В результате приходится при обновлении компьютера менять не только процессор, но и материнскую плату со всеми вытекающими из этого последствиями.
- центральный процессор – основное устройство ЭВМ, выполняющее математические, логические операции и операции управления всеми остальными элементами ЭВМ;
Контроллер ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Раньше контроллер ОЗУ встраивали в чипсет, но сейчас большинство процессоров имеют встроенный контроллер ОЗУ, что позволяет увеличить общую производительность и разгрузить чипсет.
ОЗУ – набор микросхем для временного хранения данных. В современных материнских платах имеется возможность подключения одновременно нескольких микросхем ОЗУ, обычно четырех или более.
ППЗУ (БИОС), содержащие программное обеспечение, осуществляющее тестирование основных компонентов ЭВМ и настройку материнской платы. И память CMOS хранящая настройки работы BIOS. Часто устанавливают несколько микросхем памяти CMOS для возможности быстрого восстановления работоспособности ЭВМ в экстренном случае, например, неудачной попытки разгона;
Аккумулятор или батарейка, питающая память CMOS;
Контроллеры каналов ввода-вывода: USB, COM, LPT, ATA, SATA, SCSI, FireWire, Ethernet и др. Какие именно каналы ввода-вывода будут поддерживаться, определяется типом используемой материнской платы. В случае необходимости, дополнительные контроллеры ввода-вывода можно устанавливать в виде плат расширения;
Кварцевый генератор, вырабатывающий сигналы, по которым синхронизируется работа всех элементов ЭВМ;
Таймеры;
Контроллер прерываний. Сигналы прерываний от различных устройств поступают не напрямую в процессор, а в контроллер прерываний, который устанавливает сигнал прерывания с соответствующим приоритетом в активное состояние;
Разъемы для установки плат расширения: видеокарт, звуковой карты и т.д.;
Регуляторы напряжения, преобразующие исходное напряжение в требуемое для питания компонентов установленных на материнской плате;
Средства мониторинга, измеряющие скорость вращения вентиляторов, температуру основных элементов ЭВМ, питающее напряжение и т.д.;
Звуковая карта. Практически все материнские платы содержат встроенные звуковые карты, позволяющие получить приличное качество звука. При необходимости можно установить дополнительную дискретную звуковую карту, обеспечивающую лучшее звучание, но в большинстве случаев это не требуется;
Встроенный динамик. Главным образом используется для диагностики работоспособности системы. Так по длительности и последовательности звуковых сигналов при включении ЭВМ можно определить большинство неисправностей аппаратуры;
Шины – проводники для обмена сигналами между компонентами ЭВМ.
Основу материнской платы составляет печатная плата. На печатной плате располагаются сигнальные линии, часто называемые сигнальными дорожками, соединяющими между собой все элементы материнской платы. Если сигнальные дорожки расположены слишком близко друг к другу, то передаваемые по ним сигналы будут создавать помехи друг для друга. Чем длиннее дорожка и выше скорость передачи данных по ней, тем больше она создает помех для соседних дорожек и тем больше она уязвима для таких помех.
В результате, могут возникать сбои в работе даже сверхнадежных и дорогих компонентов ЭВМ. Поэтому основная задача при производстве печатной платы так разместить сигнальные дорожки, чтобы минимизировать действие помех на передаваемые сигналы. Для этого печатную плату делают многослойной, многократно увеличивая полезную площадь печатной платы и расстояние между дорожками.
Обычно современные материнские платы имеют шесть слоев: три сигнальных слоя, слой заземления и две пластины питания.
Однако количество слоев питания и сигнальных слоев может варьироваться, в зависимости от особенностей материнских плат.
Разметка и длина дорожек крайне важна для нормальной работы всех компонентов ЭВМ, поэтому при выборе материнской платы надо особое внимание уделять качеству печатной платы и разводке дорожек. Особенно это важно, если вы собираетесь использовать компоненты ЭВМ с нестандартными настройками и параметрами работы. Например, разгонять процессор или память.
На печатной плате располагаются все компоненты материнской платы и разъемы для подключения плат расширения и периферийных устройств. Ниже на рисунке изображена структурная схема расположения компонентов на печатной плате.
Рассмотрим более подробно все компоненты материнской платы и начнем с главного компонента – чипсета.
Чипсет или набор системной логики – это основной набор микросхем материнской платы, обеспечивающий совместное функционирование центрального процессора, ОЗУ, видеокарты, контроллеров периферийных устройств и других компонентов, подключаемых к материнской плате. Именно он определяет основные параметры материнской платы: тип поддерживаемого процессора, объем, канальность и тип ОЗУ, частоту и тип системной шины и шины памяти, наборы контроллеров периферийных устройств и так далее.
Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух компонентов, представляющих собой отдельные чипсеты, связанные друг с другом высокоскоростной шиной.
Однако последнее время появилась тенденция объединения северного и южного моста в единый компонент, так как контроллер памяти все чаще встраивают непосредственно в процессор, тем самым разгружая северный мост, и появляются все более быстрые и быстрые каналы связи с периферийными устройствами и платами расширения. А также развивается технология производства интегральных схем, позволяющая делать их более миниатюрными, дешевыми и потребляющими меньше энергии.
Объединение северного и южного моста в один чипсет позволяет поднять производительность системы, за счет уменьшения времени взаимодействия с периферийными устройствами и внутренними компонентами, ранее подключаемыми к южному мосту, но значительно усложняет конструкцию чипсета, делает его более сложным для модернизации и несколько увеличивает стоимость материнской платы.
Но пока что большинство материнских плат делают на основе чипсета разделенного на два компонента. Называются эти компоненты Северный и Южный мост.
Названия Северный и Южный - исторические. Они означают расположение компонентов чипсета относительно шины PCI: Северный находится выше, а Южный - ниже. Почему мост? Это название дали чипсетам по выполняемым ими функциям: они служат для связи различных шин и интерфейсов.
Причины разделения чипсета на две части следующие:
1.Различия скоростных режимов работы.
Северный мост работает с самыми быстрыми и требующими большой пропускной способности шины компонентами. К числу таких компонентов относится видеокарта и память. Однако сегодня большинство процессоров имеют встроенный контроллер памяти, а многие и встроенную графическую систему, хотя и сильно уступающую дискретным видеокартам, но все же часто применяемую в бюджетных персональных компьютерах, ноутбуках и нетбуках. Поэтому, с каждым годом нагрузки на северный мост снижаются, что уменьшает необходимость разделения чипсета на две части.
2. Более частое обновление стандартов периферии, чем основных частей ЭВМ.
Стандарты шин связи с памятью, видеокартой и процессором изменяются гораздо реже, чем стандарты связи с платами расширения и периферийными устройствами. Что позволяет, в случае изменения интерфейса связи с периферийными устройствами или разработки нового канала связи, не изменять весь чипсет, а заменить только южный мост. К тому же северный мост работает с более быстрыми устройствами и устроен сложнее, чем южный мост, так как от его работы во многом зависит общая производительность системы. Поэтому его изменение - дорогая и сложная работа. Но, несмотря на это, наблюдается тенденция объединения северного и южного моста в одну интегральную схему.
Северный мост, как следует из его названия, выполняет функции контроля и направления потока данных из 4-х шин:
В соответствии с выполняемыми функциями и устроен северный мост. Он состоит из интерфейса системной шины, интерфейса шины связи с южным мостом, контроллера памяти, интерфейса шины связи с графической картой.
На данный момент большинство процессоров имеют встроенный контроллер памяти, так что функцию контроллера памяти можно считать для северного моста устаревшей. И учитывая, что существует множество типов оперативной памяти, для описания памяти и технологии ее взаимодействия с процессором, выделим отдельную статью.
В бюджетных ЭВМ иногда в северный мост встраивают графическую систему. Однако на данный момент более распространенную практику имеет установка графической системы непосредственно в процессор, так что эту функцию северного моста тоже будем считать устаревшей.
Таким образом, основная задача чипсета - грамотно и быстро распределять все запросы от процессора, видеокарты и южного моста, расставлять приоритеты и создавать, если это необходимо, очередность. Причем он должен быть настолько сбалансирован, чтобы как можно сильнее сократить простои при попытке доступа компонентов ЭВМ к тем или иным ресурсам.
Рассмотрим более подробно существующие интерфейсы связи с процессором, графическим адаптером и южным мостом.
На данный момент существуют следующие интерфейсы связи процессора с северным мостом: FSB, DMI, HyperTransport, QPI.
FSB (Front Site Bus) - системная шина, используемая для связи центрального процессора с северным мостом в 1990-х и 2000-х годах. FSB разработана компанией Intel и впервые использовалась в компьютерах на базе процессоров Pentium.
Частота работы шины FSB является одним из важнейших параметров работы ЭВМ и во многом определяет производительность всей системы. Обычно она - в несколько раз меньше частоты работы процессора.
Частоты, на которых работают центральный процессор и системная шина, имеют общую опорную частоту и в упрощенном виде рассчитываются, как Vп = Vo*k, где Vп – частота работы процессора, Vo-опорная частота, k – множитель. Обычно в современных системах опорная частота равняется частоте шины FSB.
Большинство материнских плат позволяют вручную увеличивать частоту системной шины или множитель, изменяя настройки в BIOS. В старых материнских платах подобные настройки изменялись с помощью перестановки перемычек. Увеличение частоты системной шины или множителя увеличивает производительность ЭВМ. Однако в большинстве современных процессоров средней ценовой категории множитель заблокирован, и единственный способ поднять производительность вычислительной системы – это увеличить частоту системной шины.
Частота системной шины FSB постепенно возрастала с 50 МГц, для процессоров класса Intel Pentium и AMD K5 в начале 1990-х годов, до 400 МГц, для процессоров класса Xeon и Core 2 в конце 2000-х. При этом пропусканная способность возрастала с 400 Мбит/с до 12800 Мбит/с.
Шина FSB использовалась в процессорах типа Атом, Celeron, Pentium, Core 2, и Xeon вплоть до 2008 года. На данный момент эта шина вытеснена системными шинами DMI, QPI и Hyper Transport.
HyperTransport – универсальная высокоскоростная шина типа точка-точка с низкой латентностью, используемая для связи процессора с северным мостом. Шина HyperTransport - двунаправленная, то есть для обмена в каждую сторону выделена своя линия связи. К тому же она работает по технологии DDR (Double Data Rate), передавая данные, как по фронту, так и по спаду тактового импульса.
Технология разработана консорциумом HyperTransport Technology во главе с компанией AMD. Стоит отметить, что стандарт HyperTransport - открытый, что позволяет использовать его в своих устройствах различным компаниям.
Первая версия HyperTransport была представлена в 2001 году, и позволяла производить обмен со скоростью 800 МТр/с (800 Мега Транзакций в секунду или 838860800 обменов в секунду) с максимальной пропускной способностью - 12.8 ГБайт/с. Но уже в 2004 году была выпущена новая модификация шины HyperTransport (v.2.0), обеспечивающая 1.4 ГТр/с с максимальной пропускной способностью - 22.4 ГБайт/с, что почти в 14 раз превышало возможности шины FSB.
18 августа 2008 года была выпущена модификация 3.1, работающая со скоростью 3.2 ГТр/с, с пропускной способностью - 51.6 Гбайт/с. На данный момент это - самая быстрая версия шины HyperTransport.
Технология HyperTransport - очень гибкая, и позволяет варьировать, как частоты шины, так и ее разрядность. Это позволяет использовать ее не только для связи процессора с северным мостом и ОЗУ, но и в медленных устройствах. При этом возможность уменьшения разрядности и частоты ведет к экономии энергии.
Минимальная тактовая частота шины – 200 МГц, при этом данных будут передоваться со скоростью - 400 МТр/с, из-за технологии DDR, а минимальная разрядность - 2 бита. При минимальных параметрах максимальная пропускная способность составит 100 Мбайт/с. Все следующие поддерживаемые частоты и разрядности - кратны минимальной тактовой частоте и разрядности вплоть до скорости - 3.2 ГТр/с, и разрядности - 32 бита, для ревизии HyperTransport v 3.1.
DMI (Direct Media Interface) – последовательная шина типа точка-точка, используемая для связи процессора с чипсетом и для связи южного моста чипсета с северным. Разработана компанией Intel в 2004 году.
Для связи процессора с чипсетом обычно используется 4 канала DMI, обеспечивающих максимальную пропускную способность до 10 Гбайт/с, для ревизии DMI 1.0, и 20 Гбайт/с, для ревизии DMI 2.0, представленной в 2011 году. В бюджетных мобильных системах может использоваться шина с двумя каналами DMI, что в два раза снижает пропускную способность по сравнению с 4-х канальным вариантом.
Часто в процессоры, использующие связь с чипсетом по шине DMI, встраивают, наряду с контроллером памяти, контроллер шины PCI Express, обеспечивающий взаимодействие с видеокартой. В этом случае надобность в северном мосте отпадает, и чипсет выполняет только функции взаимодействия с платами расширения и периферийными устройствами. При такой архитектуре материнской платы не требуется высокоскоростного канала для взаимодействия с процессором, и пропускной способности шины DMI хватает с избытком.
QPI (QuickPath Interconnect) – последовательная шина типа точка-точка, используемая для связи процессоров между собой и с чипсетом. Представлена компанией Intel в 2008 году и используется в HiEnd процессорах типа Xeon, Itanium и Core i7.
Шина QPI - двунаправленная, то есть для обмена в каждую сторону предусмотрен свой канал, каждый из которых состоит из 20 линий связи. Следовательно, каждый канал – 20-разрядный, из которых на полезную нагрузку приходится только 16 разрядов. Работает шина QPI со скоростью - 4.8 и 6.4 ГТр/с, при этом максимальная пропускная способность составляет 19,2 и 25,6 ГБайт/с соответственно.
Мы с вами кратко рассмотрели основные интерфейсы связи процессора с чипсетом. Далее рассмотрим интерфейсы связи Северного моста с графическим адаптером.
Вначале для связи с графическим процессором использовали общую шину ICA, VLB, а затем PCI, но очень быстро пропускной способности этих шин перестало хватать для работы с графикой, тем более после распространения трехмерной графики, требующей огромных мощностей для расчета и высокой пропускной способности шины для передачи текстур и параметров изображения.
На замену общим шинам пришла специализированная шина AGP, оптимизированная для работы с графическим контроллером.
AGP (Accelerated Graphics Port) – специализированная 32-разрядная шина для работы с графическим адаптером, разработанная в 1997 году компанией Intel.
Шина AGP работала на тактовой частоте - 66 МГц, и поддерживала два режима работы: с памятью DMA (Direct Memory Access) и памятью DME (Direct in Memory Execute).
В режиме DMA основной памятью считалась память, встроенная в видеоадаптер, а в режиме DME – память видеокарты, которые вместе с основной памятью находились в едином адресном пространстве, и видеоадаптер мог обращаться, как к встроенной памяти, так и к основной памяти компьютера.
Наличие режима DME позволяло уменьшить объем встраиваемой в видеоадаптер памяти и тем самым уменьшить его стоимость. Режим работы с памятью DME получил название AGP-текстурирование.
Однако очень скоро пропускной способности шины AGP перестало хватать для работы в режиме DME, и производители стали увеличивать объемы встраиваемой памяти. Вскоре и увеличение встраиваемой памяти перестало помогать и пропускной способности шины AGP стало категорически нехватать.
Первая версия шины AGP – AGP 1x, работала на тактовой частоте – 66 МГц, и имела максимальную скорость передачи данных – 266 Мбайт/с, что было недостаточно для полноценной работы в режиме DME и не превышало скорость предшественницы – шины PCI (PCI 2.1 – 266 Мбайт/с). Поэтому практически сразу же шина была доработана и введен режим передачи данных по фронту и спаду тактового импульса, что при той же тактовой частоте в 66 МГц позволило получить пропускную способность в 533 Мбайт/с. Этот режим назывался AGP 2x.
Первая представленная на рынке ревизия AGP 1.0 поддерживала режимы работы AGP 1x и AGP 2x.
В 1998 году была представлена новая ревизия шины – AGP 2.0, поддерживающая режим работы AGP 4x, в котором за один такт передавалось уже 4 блока данных, в результате, пропускная способность достигла 1 ГБайт/с.
При этом опорная тактовая частота шины не изменилась и осталась равной 66 МГц, а для возможности передачи четырех блоков данных за один такт был введен дополнительный сигнал, запускающийся синхронно с опорной тактовой частотой, но с частотой – 133 МГц. Данные передавались по фронту и спаду тактового импульса дополнительного сигнала.
При этом питающее напряжение было снижено с 3.3 В до 1.5 В, в результате, видеокарты, выпущенные только для ревизии AGP 1.0, были несовместимы с видеокартами AGP 2.0 и следующих ревизий шины AGP.
В 2002 году вышла ревизия 3.0 шины AGP. Опорная частота шины по прежнему осталась неизменной, однако дополнительный тактовый импульс, запускающийся синхронно с опорной частотой, составлял уже 266 МГц. При этом за 1 такт опорной частоты передавалось уже 8 блоков, а максимальная скорость составила 2.1 Гбайт/с.
Но, несмотря на все улучшения шины AGP, видеоадаптеры развивались быстрее и требовали более производительной шины. Так на смену шине AGP пришла шина PCI express.
PCI express – последовательная двунаправленная шина типа точка-точка, разработанная в 2002 некоммерческой группой PCI-SIG, в состав которой входили такие кампании, как Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems и другие.
Основная задача, стоящая перед шиной PCI express, – это замена графической шины AGP и параллельной универсальной шины PCI.
Ревизия шины PCI express 1.0 работает на тактовой частоте 2.5 ГГц, при этом пропускная суммарная способность одного канала составляет 400 Мбайт/с, так как на каждые переданные 8 бит данных приходится 2 служебных бита и шина двунаправленная, то есть обмен в обе стороны идет одновременно. В шине обычно используется несколько каналов: 1, 2, 4, 8, 16 или 32, в зависимости от требуемой пропускной способности. Таким образом, шины на базе PCI express в общем случае представляют собой набор самостоятельных последовательных каналов передачи данных.
Так при использовании шины PCI express для связи с видеокартами обычно используется 16-ти канальная шина, а для связи с платами расширения – одноканальная шина.
Теоретическая максимальная суммарная пропускная способность 32-х канальной шины составляет 12.8 Гбайт/с. При этом, в отличие от шины PCI, делившей пропускную способность между всеми подключенными устройствами, шина PCI express построена по принципу топологии типа «звезда» и каждому подключаемому устройству в единоличное владение отдается вся пропускная способность шины.
В ревизии PCI express 2.0, представленной 15 января 2007 года, пропускная способность шины была увеличена в 2 раза. Для одного канала шины суммарная пропускная способность составила 800 Мбайт/с, а для 32-х канальной шины – 25.6 Гбайт/с.
В ревизии PCI express 3.0, представленной в ноябре 2010 года, пропускную способность шины еще в 2 раза увеличили, причем максимальное количество транзакций увеличилось с 5 до 8 млрд, а максимальная пропускная способность увеличилась в 2 раза, благодаря изменению принципа кодирования информации, при котором на каждые 129 бит данных приходится всего 2 служебных бита, что в 13 раз меньше, чем в ревизиях 1.0 и 2.0. Таким образом, для одного канала шины суммарная пропускная способность стала 1.6 Гбайт/с, а для 32-х канальной шины – 51.2 Гбайт/с.
Однако PCI express 3.0 только выходит на рынок и первые материнские платы с поддержкой этой шины начали появляться в конце 2011 года, а массовый выпуск устройств с поддержкой шины PCI express 3.0 запланирован на 2012 год.
Стоит отметить, что на данный момент пропускной способности PCI express 2.0 вполне хватает для нормального функционирования видеоадаптеров и переход на PCI express 3.0 не даст существенного прироста производительности в связке процессор – видеокарта. Но, как говорится, поживем – увидим.
В ближайшем будущем планируется выпуск ревизии PCI express 4.0, в котором скорость будет увеличена еще в 2 раза.
В последнее время наметилась тенденция встраивания интерфейса PCI express непосредственно в процессор. Обычно в таких процессорах также встроен контроллер памяти. В результате, надобность в северном мосте отпадает, и чепсет строят на основе одной интегральной схемы, основная задача которой – обеспечение взаимодействия с платами расширения и периферийными устройствами.
На этом закончим обзор интерфейсов связи северного моста с видео адаптером и перейдем к обзору интерфейсов связи северного моста с южным.
Довольно долгое время для связи северного моста с южным использовалась шина PCI.
PCI (Peripheral component interconnect) – шина для подключения плат расширения к материнской плате, разработанная в 1992 году компанией Intel. Также долгое время использовалась для связи северного моста с южным. Однако по мере повышения производительности плат расширения ее пропускной способности стало не хватать. Она была вытеснена более производительными шинами вначале из задач связи северного и южного моста, а в последние годы и для связи с платами расширения стали использовать более быструю шину – PCI express.
Основные технические характеристики шины PCI, следующие:
| Ревизия | 1.0 | 2.0 | 2.1 | 2.2 | 2.3 |
| Дата релиза | 1992 г. | 1993 г. | 1995 г. | 1998 г. | 2002 г. |
| Разрядность | 32 | 32 | 32/64 | 32/64 | 32/64 |
| Частота | 33 МГц | 33 МГц | 33/66 МГц | 33/66 МГц | 33/66 МГц |
| Пропускная способность | 132 МБайт/с | 132 МБайт/с | 132/264/528 МБайт/с | 132/264/528 МБайт/с | 132/264/528 МБайт/с |
| Сигнальное напряжение | 5 В | 5 В | 5/3.3 В | 5/3.3 В | 5/3.3 В |
| Горячая замена | нет | нет | нет | есть | есть |
Существуют и другие ревизии шин PCI, например, для использования в ноутбуках и других портативных устройствах, или переходные варианты между основными ревизиями, но так как на данный момент интерфейс PCI практически вытеснен более скоростными шинами, то не буду подробно описывать характеристики всех ревизий.
При использовании шины для связи северного и южного моста структурная схема материнской платы будет выглядеть следующим образом:
Как видно из рисунка, северный и южный мост подключались к шине PCI наравне с платами расширения. Припускная способность шины делилась между всеми подключенными к ней устройствами, а, следовательно, заявленная пиковая пропускная способность уменьшалась не только передаваемой служебной информацией, но и конкурирующими устройствами, подключенными к шине. В результате, со временем пропускной способности шины стало нахватать, и для связи между северным и южным мостом стали использовать такие шины, как: hub link, DMI, HyperTransport, а шина PCI еще ненадолго осталась в качестве связи с платами расширения.
Первой на замену PCI пришла шина hub link.
Шина hublink – 8-битная шина типа точка-точка, разработанная компанией Intel. Шина работает на частоте – 66 МГц, и передает 4 байта за такт, что позволяет получить максимальную пропускную способность – 266 Мбайт/сек.
Ввод шины hublink изменил архитектуру материнской платы и разгрузил шину PCI. Шина PCI стала использоваться только для связи с периферийными устройствами и платами расширения, а шина hublink использовалась только для связи с северным мостом.
Пропускная способность шины hublink была сравнима с пропускной способностью шины PCI, но из-за того, что ей не приходилось делить канал с другими устройствами, а шина PCI разгружалась, то пропускной способности было вполне достаточно. Но вычислительная техника не стоит на месте, и шина hublink на данный момент практически не используется, из-за недостаточного быстродействия. Она была вытеснена такими шинами, как DMI и HyperTransport.
Краткое описание шины DMI и HyperTransport приводилось в разделе , поэтому повторяться не буду.
Были и другие интерфейсы для связи северного моста с южным, но большинство из них уже безнадежно устарели или редко используются, поэтому мы не будем на них заострять внимание. На этом закончим обзор основных функций и устройства северного моста и перейдем к южному мосту.
Южный мост отвечает за организацию взаимодействия с медленными компонентами ЭВМ: платами расширения, периферийными устройствами, устройствами ввода-вывода, каналами межмашинного обмена и так далее.
То есть, Южный мост ретранслирует данные и запросы от подключенных к нему устройств в северный мост, который передает их в процессор или ОЗУ, и принимает от северного моста команды процессора и данные из ОЗУ, и ретранслирует их в подключенные к нему устройства.
В состав южного моста входят:
Контроллер шины связи с северным мостом (PCI, hublink, DMI, HyperTransport и т.д.);
Контроллер шины связи с платами расширения (PCI, PCIe и т.д.);
Контроллер линий связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ (USB, FireWire, Ethernet и т.д.);
Контроллер шины связи с жесткими дисками (ATA, SATA, SCSI и т.д.);
Контроллер шины связи с медленными устройствами (шины ISA, LPC, SPI и т.д.).
Рассмотрим более подробно интерфейсы связи, используемые южным мостом, и встроенные в него контроллеры периферийных устройств.
Интерфейсы связи северного моста с южным мы уже рассматривали. Поэтому сразу перейдем к интерфейсам связи с платами расширения.
На данный момент основными интерфейсами для обмена с платами расширения являются PCI и PCIexpress. Однако интерфейс PCI активно вытесняется, и в ближайшие несколько лет практически уйдет историю, и будет использоваться только в некоторых специализированных ЭВМ.
Описание и краткие характеристики интерфейсов PCI и PCIexpress я уже приводил в этой статье, так что повторяться не буду. Перейдем сразу к рассмотрению интерфейсов связи с периферийными устройствами, устройствами ввода-вывода и другими ЭВМ.
Существует большое разнообразие интерфейсов для связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ, наиболее распространенные из них встраиваются в материнскую плату, но также можно добавлять любой из интерфейсов с помощью плат расширения, подключаемых к материнской плате через шину PCI или PCIexpress.
Приведу краткое описание и характеристики наиболее популярных интерфейсов.
USB (Universal Serial Bus) – универсальный последовательный канал передачи данных для подключения к ЭВМ среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.
Шина строго ориентирована и состоит из контроллера канала и подключаемых к нему нескольких оконечных устройств. Обычно контроллеры канала USB встроены в южный мост материнской платы. В современных материнских платах могут размещаться до 12 контроллеров канала USB с двумя портами каждый.
Соединение между собой двух контроллеров канала или двух оконечных устройств невозможно, поэтому напрямую соединить два компьютера или два периферийных устройства между собой по USB-каналу нельзя.
Однако для связи двух контроллеров канала между собой можно использовать дополнительные устройства. Например, эмулятор Ethernet адаптера. Два компьютера подключаются к нему по USB каналу, и оба видят оконечное устройство. Ethernet адаптер ретранслирует данные, получаемые от одного компьютера к другому, эмулируя сетевой протокол Ethernet. Однако при этом необходимо устанавливать специфические драйвера эмулятора Ethernet адаптера на каждый подключаемый компьютер.
Интерфейс USB имеет встроенные линии питания, благодаря чему позволяет использовать устройства без собственного источника питания или одновременно с обменом данными подзаряжать аккумуляторы оконечных устройств, например телефонов.
Однако, если между контроллером канала и оконечным устройством используется размножитель (USB-hub), то он должен обладать дополнительным внешним питанием, чтобы обеспечить все подключаемые к нему устройства питанием, требуемым по стандарту интерфейса USB. Если использовать USB-hub без дополнительного источника питания, то, при подключении нескольких устройств без собственных источников питания, они, скорее всего, работать не будут.
USB поддерживает «горячее» подключение оконечных устройств. Это возможно, из-за более длинного заземляющего контакта, чем сигнальные контакты. Поэтому, при подключении оконечного устройства, вначале замыкаются контакты заземления, и разность потенциала компьютера и оконечного устройства выравнивается. Следовательно, дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к скачку напряжения.
На данный момент существует три основные ревизии интерфейса USB (1.0, 2.0 и 3.0). Причем они совместимы снизу-вверх, то есть устройства, предназначенные для ревизии 1.0, будут работать с интерфейсом ревизии 2.0, соответственно, устройства, предназначенные для USB 2.0, будут работать с USB 3.0, однако устройства для USB 3.0, скорее всего не будут работать с интерфейсом USB 2.0.
Рассмотрим основные характеристики интерфейса, в зависимости от ревизии.
USB 1.0 – первая версия интерфейса USB, выпущенная в ноябре 1995 года. В 1998 году ревизия была доработана, устранены ошибки и недочеты. Полученная ревизия USB 1.1 первой получила массовое распространение.
Технические характеристики ревизий 1.0 и 1.1 следующие:
Скорость передачи данных – до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);
Максимальная длина кабеля – 5 метров, для режима Low-Speed, и 3 метра, для режима Full-Speed;
USB 2.0 – ревизия, вышедшая в апреле 2000 года. Основное отличие от предыдущей версии – повышение максимальной скорости передачи данных до 480 Мбит/с. На практике, из-за больших задержек между запросом на передачу данных и началом передачи, скорости в 480 Мбит/с достичь не удается.
Технические характеристики ревизии 2.0 следующие:
Скорость передачи данных – до 480 Мбит/с (Hi-speed), до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или до 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);
Синхронная передача данных (по запросу);
Полудуплексный обмен (одновременно передача возможна только в одном направлении);
Максимальная длина кабеля – 5 метров;
Максимальное количество подключённых устройств к одному контроллеру (включая размножители) – 127;
Возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью, к одному контроллеру USB;
Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;
Максимальная сила тока – 500 мА;
Кабель состоит из четырех линий связи (две линии – для приема и передачи данных, и две линии – для питания периферийных устройств) и заземляющей оплетки.
USB 3.0 – ревизия, вышедшая в ноябре 2008 года. В новой ревизии на порядок была увеличена скорость, до 4800 Мбит/с, и почти в два раза – сила тока, до 900 мА. При этом сильно изменился внешний вид разъемов и кабелей, но совместимость снизу-вверх осталась. Т.е. устройства, работающие с USB 2.0, смогут подключаться к разъему 3.0, и будут работать.
Технические характеристики ревизии 3.0 следующие:
Скорость передачи данных – до 4800 Мбит/с (режим SuperSpeed), до 480 Мбит/с (режим Hi-speed), до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или до 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);
Двухшинная архитектура (шина Low-Speed/Full-Speed/High-Speed и отдельно шина SuperSpeed);
Асинхронная передача данных;
Дуплексный обмен в режиме SuperSpeed (одновременно возможна передача и прием данных) и симплексный в остальных режимах.
Максимальная длина кабеля – 3 метра;
Максимальное количество подключённых устройств к одному контроллеру (включая размножители) – 127;
Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;
Максимальная сила тока – 900 мА;
Улучшенная система управления питанием, позволяющая экономить энергию при бездействии оконечных устройств;
Кабель состоит из восьми линий связи. Четыре линии связи такие же, как и в USB 2.0. Дополнительные две линии связи – для приема данных, и две – для передачи в режиме SuperSpeed, и две –заземляющие оплетки: одна – для кабелей передачи данных в режиме Low-Speed/Full-Speed/High-Speed, и одна – для кабелей, используемых в режиме SuperSpeed.
IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers) – стандарт последовательной высокоскоростной шины, принятый в 1995 году. Различные компании называют шины, разработанные по этому стандарту, по-разному. У Apple – FireWire, у Sony – i.LINK, у Yamaha – mLAN, у Texas Instruments – Lynx, у Creative – SB1394, и так далее. Из-за этого часто возникает путаница, но, несмотря на разные названия, это одна и та же шина, работающая по одному стандарту.
Эта шина предназначена для подключения высокоскоростных периферийных устройств, таких как внешние жесткие диски, цифровые видеокамеры, музыкальные синтезаторы и так далее.
Основные технические характеристики шины следующие:
Максимальная скорость передачи данных изменяется от 400 Мбит/с, у ревизии IEEE 1394, до 3.2 Гбит/с, у ревизии IEEE 1394b;
Максимальная длина связи между двумя устройствами изменяется от 4.5 метров, у ревизии IEEE 1394, до 100 метров, у ревизии IEEE 1394b и старше;
Максимальное количеств устройств, последовательно подключаемых к одному контроллеру, – 64, в том числе и IEEE-концентраторы. При этом все подключаемые устройства делят между собой пропускную способность шины. К каждому IEEE-концентратору можно подключить еще 16 устройств. Вместо подключения устройства можно подключить шинную перемычку, через которую можно будет подключить еще 63 устройства. Всего можно подключить до 1023 шинных перемычек, что позволит организовать сеть из 64 449 устройств. Больше устройств подключить нельзя, так как в стандарте IEEE 1394 каждое устройство имеет 16-разрядный адрес;
Возможность объединения в сеть нескольких компьютеров;
Горячее подключение и отключение устройств;
Возможность использования устройств, питающихся от шины и не имеющих собственного источника питания. При этом максимальная сила тока – до 1.5 Ампер, а напряжение – от 8 до 40 Вольт.
Ethernet – стандарт построения компьютерных сетей на базе технологии пакетной передачи данных, разработанный в 1973 году Робертом Метклафом из корпорации Xerox PARC.
Стандарт определяет виды электрических сигналов и правила проводных соединений, описывает форматы кадров и протоколы передачи данных.
Существуют десятки разных ревизий стандарта, но наиболее распространенными на сегодняшний день является группа стандартов: Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
Fast Ethernet обеспечивает передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с. И дальность передачи данных в одном сегменте сети без повторителей – от 100 метров (группа стандартов 100BASE-T, использующая для передачи данных витую пару) до 10 километров (группа стандартов 100BASE-FX, использующая для передачи данных одномодовое оптоволокно).
Gigabit Ethernet обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с. И дальность передачи данных в одном сегменте сети без повторителей – от 100 метров (группа стандартов 1000BASE-T, использующая для передачи данных четыре витых пары) до 100 километров (группа стандартов 1000BASE-LH, использующая для передачи данных одномодовое оптоволокно).
Для передачи больших объемов информации существуют стандарты десяти, сорока и ста гигабитного Ethernet, работающего на базе оптоволоконных линий связи. Но более подробно об этих стандартах и вообще о технологии Ethernet будет описано в отдельной статье, посвященной межмашинному взаимодействию.
Wi-Fi – беспроводная линия связи, созданная в 1991 году в Нидерландской компанией NCR Corporation/AT&T. WiFi основывается на стандарте IEEE 802.11. и используется, как для связи с периферийными устройствами, так и для организации локальных сетей.
Wi-Fi позволяет соединять два компьютера или компьютер и периферийное устройство напрямую по технологии точка-точка, либо организовывать сеть с использованием точки доступа, к которой одновременно могут подключаться несколько устройств.
Максимальная скорость передачи данных зависит от используемой ревизии стандарта IEEE 802.11, но на практике будет значительно ниже заявленных параметров, из-за накладных расходов, наличия препятствий на пути распространения сигнала, расстояния между источником сигнала и приемником и других факторов. На практике средняя пропускная способность в лучшем случае будет в 2-3 раза меньше заявленной максимальной пропускной способности.
В зависимости от ревизии стандарта пропускная способность Wi-Fi следующая:
| Ревизия стандарта | Тактовая частота | Заявленная максимальная мощность | Средняя скорость передачи данных на практике | Дальность связи в помещении/открытой местности |
| 802.11a | 5 ГГц | 54 Мбит/с | 18.4 Мбит/с | 35/120 м |
| 802.11b | 2.4 ГГц | 11 Мбит/с | 3.2 Мбит/с | 38/140 м |
| 802.11g | 2.4 ГГц | 54 Мбит/с | 15.2 Мбит/с | 38/140 м |
| 802.11n | 2.4 или 5 ГГц | 600 Мбит/с | 59.2 Мбит/с | 70/250 м |
Существует множество других интерфейсов для связи с периферийными устройствами и организации локальных сетей. Однако они редко встраиваются в материнскую плату и обычно используются в виде плат расширения. Поэтому эти интерфейсы, наравне с описанными выше, будем рассматривать в статье посвященной межмашинному взаимодействию, а сейчас перейдем к описанию интерфейсов связи южного моста с жесткими дисками.
Первоначально для связи с жесткими дисками использовался интерфейс ATA, но позже он был вытеснен более удобными и современными интерфейсами SATA и SCSI. Приведем краткий обзор этих интерфейсов.
ATA (Advanced Technology Attachment) или PATA (Parallel ATA) – параллельный интерфейс связи, разработанный в 1986 году компанией Western Digital. В то время он назывался IDE (Integrated Drive Electronics), но позже был переименован в ATA, а с появлением в 2003 году интерфейса SATA, PATA был переименован в PATA.
Использование интерфейса PATA подразумевает, что контроллер жесткого диска располагается не на материнской плате или в виде платы расширения, а встроен в сам жесткий диск. На материнской плате, а именно в южном мосте, располагается только контроллер канала PATA.
Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный шлейф. С введением режима PATA/66 появилась его 80-проводная версия. Максимальная длина шлейфа – 46 см. К одному шлейфу можно подключить и два устройства, при этом одно из них обязательно должно быть ведущим, а другое – ведомым.
Существует несколько ревизий интерфейса PATA, отличающиеся скоростью передачи данных, режимами работы и другими особенностями. Ниже приведены основные ревизии интерфейса PATA.
На практике пропускная способность шины гораздо ниже заявленной теоретической пропускной способности, из-за накладных расходов на организацию протокола обмена и других задержек. К тому же, если к шине подключено два жестких диска, то пропускная способность будет делиться между ними.
В 2003 году на замену интерфейса PATA пришел интерфейс SATA.
SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс связи южного моста с жесткими дисками, разработанный в 2003 году.
При использовании интерфейса SATA каждый накопитель подключается своим кабелем. Причем кабель значительно уже и удобнее кабеля, используемого в интерфейсе PATA, и имеет максимальную длину до 1 метра. Отдельным кабелем на жесткий диск подается питание.
И даже, несмотря на то, что общее количество кабелей увеличивается, по сравнению с интерфейсом PATA, так как каждый накопитель подключается двумя кабелями, свободного места внутри системного блока становится значительно больше. Это приводит к улучшению КПД системы охлаждения, упрощает доступ к различным элементам компьютера, да и выглядит изнутри системный блок более презентабельно.
На данный момент существует три основных ревизии интерфейса SATA. В таблице ниже приведены основные параметры ревизий.
Особняком от этих интерфейсов стоит интерфейс SCSI.
SCSI (Small Computer System Interface) – универсальная шина для подключения высокоскоростных устройств, таких как: жесткие диски, приводы DVD и Blue-Ray, сканеры, принтеры и так далее. Шина обладает высокой пропускной способностью, но сложно устроенная и дорогостоящая. Поэтому в основном применяется в серверах и промышленных вычислительных системах.
Первая ревизия интерфейса была представлена в 1986 году. На данный момент существует около 10 ревизий шины. В таблице ниже приведены основные параметры наиболее популярных ревизий.
| Ревизия интерфейса | Разрядность | Частота передачи данных | Макс. пропускная способность | Длина кабеля (м) | Макс. кол-во устройств | Год выхода |
| SCSI-1 | 8 бит | 5 МГц | 40 МБит/с | 6 | 8 | 1986 |
| SCSI-2 | 8 бит | 10 МГц | 80 МБит/с | 3 | 8 | 1989 |
| SCSI-3 | 8 бит | 20 МГц | 160 МБит/с | 3 | 8 | 1992 |
| Ultra-2 SCSI | 8 бит | 40 МГц | 320 МБит/с | 12 | 8 | 1997 |
| Ultra-3 SCSI | 16 бит | 80 МГц | 1.25 ГБит/с | 12 | 16 | 1999 |
| Ultra-320 SCSI | 16 бит | 160 МГц | 2.5 ГБит/с | 12 | 16 | 2001 |
| Ultra-640 SCSI | 16 бит | 320 МГц | 5 ГБит/с | 12 | 16 | 2003 |
Увеличение пропускной способности параллельного интерфейса сопряжено с рядом трудностей и, в первую очередь, это защита от электромагнитных помех. А каждая линия связи является источником электромагнитных помех. Чем больше линий связи будет в параллельной шине, тем больше они будут создавать помех друг для друга. Чем выше частота передачи данных, тем больше электромагнитных помех, и тем сильнее они оказывают влияние на передачу данных.
Кроме этой проблемы есть менее существенные, такие как:
В результате, проще отказаться от параллельного интерфейса в пользу последовательного с большей тактовой частотой. При необходимости можно использовать несколько последовательных линий связи, располагающихся дальше друг от друга и защищенных экранирующей оплеткой. Так поступили при переходе от параллельной шины PCI к последовательной PCI express, от PATA к SATA. По тому же пути развития пошла и шина SCSI. Так в 2004 году появился интерфейс SAS.
SAS (Serial Attached SCSI) – последовательная шина типа точка-точка, заменившая параллельную шину SCSI. Для обмена по шине SAS используется командная модель SCSI, но пропускная способность увеличена до 6 Гбит/с (ревизия SAS 2, вышедшая в 2010 году).
В 2012 году планируется выпуск ревизии SAS 3, обладающей пропускной способностью – 12 Гбит/с, однако устройства, поддерживающие эту ревизию, в массовом порядке начнут появляться не раньше 2014 года.
Также не стоит забывать, что шина SCSI была общая, позволяющая подключать до 16 устройств, и все устройства делили между собой пропускную способность шины. А шина SAS использует топологию точка-точка. А, следовательно, каждое устройство подключается своей линией связи и получает всю пропускную способность шины.
Контроллер SCSI и SAS встраивается в материнскую плату редко, так как они достаточно дорогостоящие. Обычно они подключаются, как платы расширения к шине PCI или PCI express.
Для связи с медленными компонентами материнских плат, например, с пользовательским ПЗУ или контроллерами низкоскоростных интерфейсов, используются специализированные шины, такие как: ISA, MCA, LPS и другие.
Шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина, разработанная в 1981 году. ISA работала на тактовой частоте 8 МГц, и обладала пропускной способностью до 8 Мбайт/с. Шина давно устарела и на практике не используется.
Альтернативой шине ISA была шина MCA (Micro Channel Architecture), разработанная в 1987 году компанией Intel. Эта шина была 32-х разрядная с частотой передачи данных – 10 МГц, и пропускной способностью – до 40 Мбит/с. Поддерживала технологию Plug and Play. Однако закрытость шины и жесткая лицензионная политика компании IBM сделали ее непопулярной. На данный момент шина на практике не используется.
Настоящей заменой для ISA стала шина LPC (Low Pin Count), разработанная компанией Intel в 1998 году и используемая по сей день. Работает шина на тактовой частоте – 33,3 МГц, что обеспечивает пропускную способность в 16,67 МБит/с.
Пропускная способность шины совсем небольшая, но для связи с медленными компонентами материнской платы вполне достаточная. С помощью этой шины к южному мосту подключается многофункциональный контроллер (Super I/O), в состав которого входят контроллеры медленных интерфейсов связи и периферийных устройств:
Также Шина LPC обеспечивает доступ к BIOS’у, о котором мы поговорим в следующей части нашей статьи.
BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода) – это программа, прошитая в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нашем случае ПЗУ встроено в материнскую плату, однако своя версия BIOS присутствует почти во всех элементах ЭВМ (в видеокарте, в сетевой карте, дисковых контроллерах и т.д.), да и вообще почти во всем электронном оборудовании (и в принтере, и в видеокамере, и в модеме, и т.д.).
BIOS материнской платы отвечает за проверку работоспособности контроллеров, встроенных в материнскую плату, и большинства устройств, подключенных к ней (процессора, памяти, видеокарты, жестких дисков и т.д.). Происходит проверка при включении питания компьютера в программе Power-On Self Test (POST).
Далее BIOS производит инициализацию контроллеров, встроенных в материнскую плату, и некоторых подключенных к ним устройств, и устанавливает их базовые параметры работы, например, частоту работы системной шины, процессора, контроллера ОЗУ, параметры работы жестких дисков, контроллеров встроенных в материнскую плату и т.д.
Если проверяемые контроллеры и аппаратура исправны и настроены, то BIOS передает управление операционной системе.
Пользователи могут управлять большинством параметров работы BIOS и даже обновлять его.
Обновление BIOS требуется очень редко, если, например, разработчиками обнаружена и устранена принципиальна ошибка в программе инициализации какого-либо из устройств, либо если требуется поддержка нового устройства (например, новой модели процессора). Но, в большинстве случаев, выход нового типа процессора или памяти требует кардинального «абгрейда» компьютера. Скажем за это производителям электроники «спасибо».
Для настройки параметров BIOS предусмотрено специально меню, войти в которое можно, нажав сочетание клавиш, указанное на экране монитора во время проведения тестов POST. Обычно для входа в меню настройки BIOS требуется нажать клавишу DEL.
В этом меню можно установить системное время, параметры работы дисководов и жестких дисков, увеличить (или уменьшить) тактовую частоту процессора, памяти и системной шины, шин связи и настроить другие параметры работы компьютера. Однако тут стоит быть крайне осторожным, так как неправильно установленные параметры могут привести к ошибкам в работе или даже вывести компьютер из строя.
Все настройки BIOS хранятся в энергозависимой памяти CMOS, работающей от батарейки или аккумулятора, установленного на материнской плате. Если батарейка или аккумулятор разрядились, то компьютер может не включиться или работать с ошибками. Например, будет установлено неверное системное время или параметры работы некоторых устройств.
Кроме описанных выше элементов на материнской плате располагается генератор тактовой частоты, состоящий из кварцевого резонатора и тактового генератора. Генератор тактовой частоты состоит из двух частей, так как кварцевый резонатор, не способен генерировать импульсы с частотой, требуемой для работы современных процессоров, памяти и шин, поэтому тактовую частоту, генерируемую кварцевым резонатором, изменяют с помощью тактового генератора, умножающего или делящего исходные частоты для получения требуемой частоты.
Основная задача тактового генератора материнской платы – это формирование высокостабильного периодического сигнала для синхронизации работы элементов ЭВМ.
Частота тактовых импульсов во многом определяет скорость вычислений. Так как на любую операцию, выполняемую процессором, затрачивается определенное количество тактов, то, следовательно, чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Естественно, это верно только для процессоров с одинаковой микроархитектурой, так как в процессорах с различной микроархитектурой для выполнения одной и той же последовательности команду может требоваться разное количество тактов.
Генерируемую тактовую частоту можно увеличивать, тем самым, поднимая производительность ЭВМ. Но этот процесс сопряжен с рядом опасностей. Во-первых, при повышении тактовой частотой снижается стабильность работы компонентов ЭВМ, поэтому после любого «разгона» ЭВМ требуется проводить серьезное тестирования для проверки стабильности ее работы.
Также «разгон» может привести к повреждению элементов ЭВМ. Причем выход из строя элементов будет, скорее всего, не мгновенный. Просто может резко сократиться срок службы элементов, эксплуатируемых в условиях, отличных от рекомендуемых.
Кроме тактового генератора на материнской плате располагается множество конденсаторов, обеспечивающих ровный поток напряжения. Дело в том, что потребление энергии элементами ЭВМ, подключенными к материнской плате, может резко изменяться, особенно при приостановке работы и ее возобновлении. Конденсаторы сглаживают такие скачки напряжения, тем самым, повышая стабильность работы и срок службы всех элементов ЭВМ.
Пожалуй, это все основные компоненты современных материнских плат и на этом обзор устройства материнской платы можно закончить.
Как называется устройство для взаимосвязи ЭВМ с другими компьютерами? Что ж, если этот вопрос крутится в голове, значит, правильно делаете, что читаете данную статью. Так вот, устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими - адаптер (иными словами, Что он собой представляет? Как работает? Какие функции он выполняет? На все эти вопросы можно будет найти ответ в рамках данной статьи.
Так называют которое непосредственно работает со средой передачи данных. Благодаря нему, прямо или с использованием иного происходит налаживание связей с другими компьютерами.
Этим устройством решаются задачи обеспечения надежности обмена двоичными данными, что представлены в виде соответствующих электромагнитных сигналов. Их передача осуществляется при использовании внешних линий связи. Поскольку адаптер является контроллером компьютера, то работает он под управлением соответствующего драйвера используемой операционной системы. Разграничение функций между ними может меняться, в зависимости от реализации.
Итак, мы уже знаем, что устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими - это адаптер. Теперь давайте кратко проследим, как развивалась данная технология.
В первых локальных сетях адаптеры, вместе с сегментом коаксиального кабеля, брали на себя весь спектр коммуникационного оборудования. Благодаря ним и организовывали взаимодействие компьютеров. Тогда использовалось непосредственное взаимодействие между различными электронно-вычислительными машинами.
Такая технология до сих пор применяется, но большинством современных стандартов предусмотрено ещё и наличие целого ряда специальных коммуникационных устройств (например, мост, коммутатор, концентратор или маршрутизатор). Они перебирают на себя часть функций относительно управления потоком данных.
Часто можно услышать или прочитать, что устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими - процессор. Знайте, что это не верно. Устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими называется адаптером или сетевой картой, но никак иначе! Откуда пошло такое заблуждение, достоверно неизвестно, но если кто-то ошибается, лучше будет поправить его.
Функции адаптера заключаются в том, что информацию необходимо передавать в виде кадра, имеющего определённый формат. При этом под кодированием понимают представление информации с помощью определённых сигналов таким образом, чтобы они могли быть приняты на другой стороне, но при этом не должен теряться и заключенный в них смысл.
Давайте более детально остановимся на этом. В кадр включено несколько служебных полей. К ним относится адрес компьютера, которому необходимо передать данные и каждого кадра. По ней будет делаться вывод о корректности предоставленной информации. Про кодирование можно сказать, что его смысл заключается в преодолении помехи и предоставлении принимающей аппаратуре возможности распознавания полученных данных.
Также есть некоторые технические нюансы. Так, при использовании в локальной сети широкополосных кабелей адаптерами не используется модуляция сигнала. Поскольку это необходимо, только когда передача идёт по узкополосным линиям связи (в качестве таковых могут приводиться телефонные каналы тональной частоты).
Следующая функция используется при взаимодействии со средой трансляции данных. Применяется в тех случаях, когда необходимо получить доступ по определённому алгоритму.
Это необходимо из-за эксплуатации разделяемой среды трансляции данных. Но наметилась тенденция на отказ от такого подхода в пользу индивидуальных каналов связи ЭВМ с коммуникационными устройствами сети (подобно тому, что делается в проводной телефонии).
Преобразование и синхронизация необходимы для предоставления данных в читаемом виде. Так, благодаря адаптеру, информация может быть преобразована из последовательной формы в параллельную и наоборот. Это необходимо из-за того, что для упрощения выполнения задачи синхронизации (а также для удешевления линий связи) данные передаются постепенно - один бит за другим. Для сравнения - в компьютере информация перемещается побайтно.
Относительно синхронизации можно сказать, что она необходима, чтобы поддерживать постоянное бесконфликтное взаимодействие приемника и передатчика данных. Эта задача адаптером успешно решается, благодаря специальным методам кодирования, где не используется дополнительная шина с тактовыми синхросигналами.
Благодаря такому методу запросто обеспечивается периодическое изменения состояния сигнала, что передаётся. Кроме проблем с синхронизацией на уровне битов, адаптером решаются аналогичные задачи и относительной байтов и кадров.
Различают адаптеры по внутренней шине данных и по используемой технологии. Так, если говорить о первом случае, то здесь могут быть следующие типы:
С сетевыми технологиями не всё так однозначно. Обычно один адаптер поддерживает работу по одной из них. Но, несмотря на это, информация без проблем передается. Это достигается благодаря тому, что используются разные среды трансляции данных. Для примера, одна из самых популярных технологий - Ethernet - может спокойно поддерживать коаксиальный и оптоволоконный кабели или неэкранированную витую пару.
Если адаптером может поддерживаться только одна среда, то используют конверторы и трансиверы. Что собой представляют эти устройства?
Трансиверы также называют приемопередатчиками. Они являются частью сетевого адаптера и представляют собой его оконечное устройство, которое выходит на кабель. Хотя, следует отметить, что первоначально они были расположены на кабелях (если рассматривать первый стандарт Ethernet), но потом было принято решение, что более удобным является размещение именно на адаптере.
Вместо трансивера можно применять конвертор. Он занимается согласованием информации при использовании различных сред трансляции данных. Как пример можно привести локальную домашнюю сеть, где используется витая пара с коаксиальным кабелем.
Что ж, задача выполнена - терминология и особенности адаптеров разъяснены. Теперь не должно быть вопросов о том, как называется устройство для взаимосвязи одной ЭВМ с другими компьютерами. Кроме этого, мы рассмотрели, какие функции выполняются адаптерами, какой путь развития они прошли, а также как могут быть улучшены без кардинальных изменений. Для углубленного изучения темы предоставленной информации недостаточно, но как начало изучения построения физической передачи данных, она будет вам полезна.
