Булева алгебра Комбинаторные схемы Арифметико-логические устройства
Энергонезависимая память ОЗУ Асинхронные шины Конвейерный режим шины памяти процессора Шина USB

Архитектура персонального компьютера

Шина USB

Шины PCI и PCI Express очень хорошо подходят для соединения высокоскоростных периферийных устройств, но использовать интерфейс PCI для низкоскоростных устройств ввода-вывода (например, мыши и клавиатуры) было бы слишком дорого. Изначально каждое стандартное устройство ввода-вывода соединялось с компьютером особым образом, при этом для добавления новых устройств использовались свободные ISA- и PCI-слоты. К сожалению, такая схема имеет некоторые недостатки.

Например, каждое новое устройство ввода-вывода часто оснащается собственной платой ISA или PCI. Пользователь при этом должен сам установить переключатели и перемычки на плате и удостовериться, что настроенная плата не конфликтует с другими платами. Затем пользователь должен открыть системный блок, аккуратно вставить плату, закрыть системный блок и включить компьютер. Для многих этот процесс очень сложен и часто приводит к ошибкам. Кроме того, количество ISA- и PCI-слотов очень мало (обычно два или три). Автоматически конфигурируемые (РпР) платы исключают необходимость установки переключателей, но пользователь все равно должен открывать компьютер и вставлять туда плату. К тому же количество слотов шины ограничено.

В 1993 году представители семи компаний (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Nothern Telecom) собрались вместе, чтобы разработать шину, оптимально подходящую для подсоединения низкоскоростных устройств. Потом к ним примкнули сотни других компаний. Результатом их работы стала шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), которая сейчас широко используется в персональных компьютерах [10, 201]. Сервер — специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный соответствующим программным обеспечением, централизованно управляющий работой сети и/или предоставляющий другим компьютерам сети свои ресурсы (файлы данных, накопители, принтер и т. д.).

Некоторые требования, изначально составившие основу проекта:

+ пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах;

+ пользователи не должны открывать компьютер, чтобы установить новые устройства ввода-вывода;

+ должен существовать только один тип кабеля, подходящий для соединения всех устройств;

+ устройства ввода-вывода должны получать питание через кабель;

+ должна быть возможность подсоединения к одному компьютеру до 127 устройств;

+ система должна поддерживать устройства реального времени (например, звуковые устройства, телефон);

+ должна быть возможность устанавливать устройства во время работы компьютера;

+ должна отсутствовать необходимость перезагружать компьютер после установки нового устройства;

+ производство новой шины и устройств ввода-вывода для нее не должно требовать больших затрат.

Шина USB удовлетворяет всем этим условиям. Она разработана для низкоскоростных устройств (клавиатур, мышей, фотоаппаратов, сканеров, цифровых телефонов и т. д.). Общая пропускная способность первой версии шины (USB 1.0) составляет 1,5 Мбайт/с. Версия 1.1 работает на скорости 12 Мбайт/с, что вполне достаточно для принтеров, цифровых камер и многих других устройств. Предел был выбран для того, чтобы снизить стоимость шины.

Ключевыми компонентами данной архитектуры являются мосты между шинами (эти микросхемы выпускает компания Intel — отсюда такой интерес к проекту). По своей внутренней структуре мост делится на две части: мост памяти и мост ввода-вывода. Сигналы шины PCI Теперь давайте рассмотрим каждый сигнал шины PCI отдельно. Начнем с обязательных (32-разрядных) сигналов, а затем перейдем к факультативным (64-разрядным). Транзакции на шине PCI PCI Expres Возможностей шины PCI вполне достаточно для большинства современных приложений, однако потребность в ускорении ввода-вывода постепенно дезорганизует некогда стройную внутреннюю архитектуру ПК Суть технологии PCI Express заключается в замене параллельной шины с ее многообразием задающих и подчиненных устройств высокоскоростными двухточечными последовательными соединениями. Стек протоколов PCI Express Следуя модели сети с коммутацией пакетов, технология PCI Express реализуется на основе многоуровневого стека протоколов Канальный уровень отвечает за передачу пакетов. На этом уровне к заголовку и полезной нагрузке, переданным с уровня транзакций, добавляется порядковый номер и код исправления ошибок — так называемый CRC (Cyclic Redundancy Check — циклический контроль избыточности). Программный уровень выступает посредником между PCI Express и операционной системой.

Шина USB состоит из корневого хаба (root hub), который вставляется в разъем главной шины Этот корневой хаб (часто называемый корневым концентратором) содержит разъемы для кабелей, которые могут подсоединяться к устройствам ввода-вывода или к дополнительным хабам, чтобы увеличить количество разъемов. Шина USB поддерживает 4 типа кадров: кадры управления, изохронные кадры, кадры передачи больших массивов данных и кадры прерывания. После того как в 1998 году стандарт USB был окончательно утвержден, разработчики приступили к созданию следующей, высокоскоростной версии USB, названной USB 2.0. Типичным примером микросхемы интерфейса РO (Parallel Input/Output — параллельный ввод-вывод) является микросхема Intel 8255А

Декодирование адреса До настоящего момента мы не останавливались подробно на том, как происходит выбор микросхемы памяти или устройства ввода-вывода. Если компьютер состоит только из центрального процессора, двух микросхем памяти и РЮ, можно значительно упростить декодирование адреса Арифметические действия в компьютерах осуществляются сумматорами. Одноразрядный полный сумматор можно сконструировать из двух полусумматоров. Чтобы построить сумматор для многоразрядных слов, полные сумматоры соединяются таким образом, чтобы выходной сигнал переноса каждого сумматора передавался его левому соседу.


Компьютерные шины для соединения высокоскоростных периферийных устройств