Дополнительные интерфейсы персонального компьютера
Интерфейс шины PCI (Peripheral Component Interconnect bus) стал широко применяться с появлением процессоров Pentium. Шина PCI дает компьютеру возможность наиболее быстро общаться с внешним миром, так как она существенно превосходит по быстродействию шину ISA . Предложенная в начале как локальная шина для дополнения к основной магистрали, PCI , тем не менее, обладает всеми достоинствами универсальной системной магистрали.
Шина PCI имеет два варианта: 32-разрядный (в нем используется 124-контактный разъем ) и 64-разрядный (188-контактный разъем ). При этом гарантируется как прямая, так и обратная совместимость 32- и 64-разрядных устройств. Чаще всего применяется 32-разрядный вариант PCI .
Тактовая частота PCI составляет 33 МГц (однако допускается и частота 66 МГц). Максимальная теоретически возможная скорость обмена при тактовой частоте 33 МГц достигает 132 или 264 Мбайт/с для 32 и 64 разрядов данных, соответственно, что в 20 раз превышает пропускную способность ISA . Предусмотрена возможность включения плат с напряжением питания как 5 В, так и 3,3 В (в раздельные разъемы). На магистрали предусмотрен арбитраж , то есть возможность поочередного захвата шины несколькими задатчиками, с разрешением конфликтов между ними. Предусмотрен высокоскоростной обмен по магистрали без участия процессора. Возможна автоконфигурация, то есть автоматическое распределение ресурсов между включенными платами ( по принципу PnP ). Каждое из устройств шины может захватить ее и провести необходимый обмен.
Шина PCI представляет собой открытый непатентованный стандарт, который поддерживают все основные производители персональных компьютеров и периферийных контроллеров. Сейчас она рассматривается как основа для таких распространенных компьютерных платформ, как DOS/Windows, Macintosh и UNIX . Ведущие производители микросхем уже выпускают специальные комплекты микросхем для ее поддержки. Независимость от типа процессора обещает шине PCI большое будущее. Сейчас она занимает второе место по популярности после ISA .
Большим недостатком шины PCI по сравнению с ISA является ограниченное количество устройств на шине (не более четырех), для большего количества устройств необходимо применение мостов PCI — PCI . Так как в компьютере одним из PCI -устройств является контроллер шины (то есть центральный процессор ), для подключения карт расширения остается всего три разъема (слота). Один из PCI -слотов, как правило, используется для подключения контроллера дисплея, другой чаще всего применяется для включения контроллера локальной сети. Поэтому, несмотря на потенциально большие возможности PCI , в компьютере для дополнительных карт расширения остается всего один слот . К тому же надо учесть, что разработка и отладка PCI -устройств гораздо сложнее, чем ISA -устройств, а большее быстродействие PCI по сравнению с ISA нужно далеко не для всех задач. Поэтому о полном вытеснении шины ISA пока что речь не идет.
Шина PCI относится к мультиплексированным шинам, она имеет полностью мультиплексированную шину адреса /данных. При этом адрес может быть 32 разрядным или 64-разрядным (он передается по 32-разрядной шине за два такта, сначала младшие разряды, затем старшие) Точно так же и данные могут передаваться как 32-разрядные, так и 64-разрядные (за два такта при 32-разрядной шине). В 64-разрядной версии PCI шина адреса/данных имеет 64 разряда.
Основной режим обмена по шине — синхронный , тактируемый положительными фронтами тактового сигнала шины, но возможен и асинхронный обмен (как и в случае ISA ). В цикл обмена (или транзакцию) входит фаза адреса (в начале) длительностью один такт и фаза данных длительностью в один или несколько тактов.
Основные сигналы шины PCI следующие:
- AD0…AD31 — шина адреса/данных. Адрес передается в начале цикла, затем — данные;
- -C/BE0…-C/BE3 (Command/Byte Enable) — четыре линии, которые в фазе адреса определяют один из 16 возможных типов цикла передачи данных (табл. 8.9), а в фазе данных определяют действительность байтов данных;
- -FRAME — строб адреса, активен во время передачи данных;
- -IRDY (Initiator Ready ) — готовность задатчика (инициатора обмена) к обмену данными;
- -TRDY (Target Ready ) — готовность исполнителя (целевого устройства) к обмену данными;
- -DEVSEL (Device Select) — подтверждение опознания адреса от исполнителя;
- -STOP — запрос на останов текущего цикла от исполнителя к задатчику;
- - RST — сброс всех устройств;
- CLK — тактовый сигнал шины;
- PAR — бит четности для линий AD0…AD31 и C/BE0… C/BE3 ;
- -PERR — сигнал ошибки четности;
- -REQ0…-REQ3 — запрос от PCI -устройств на захват шины;
- -GNT0…-GNT3 — предоставление шины PCI -устройствам;
- -REQ64 — запрос на 64-битный обмен;
- -ASK64 — подтверждение 64-разрядного обмена;
- -INTRA , -INTRB , -INTRC , -INTRD — линии запросов прерываний ;
- IDSEL — выбор устройства-исполнителя в циклах записи и чтения конфигурации.
Операция конфигурирования (циклы записи и чтения конфигурации) служит для автоматического распределения ресурсов компьютера при включении питания. В этих циклах для выбора (адресации) конфигурируемого устройства-исполнителя применяется специальный сигнал IDSEL , передаваемый в фазе адреса. Каждому PCI -устройству соответствует 256-байтная область конфигурации, где находится информация как о самом устройстве, так и о выделенных ему ресурсах. Область конфигурации не относится ни к адресному пространству памяти, ни к адресному пространству устройств ввода/вывода. Компьютер распределяет ресурсы между устройствами в соответствии с их особенностями, потребностями и ограничениями.
При синхронном обмене (рис. 8.11) в начале цикла (адресная фаза) по шине AD передается код адреса, а по линиям C/BE — код типа цикла ( команда ). Действительность адреса определяется сигналом -FRAME ( по положительному фронту CLK после начала сигнала -FRAME ). После опознания адреса исполнитель выставляет сигнал подтверждения выборки -DEVSEL , после чего начинается фаза данных. То есть можно сказать, что адрес передается асинхронно. В фазе данных по шине данных передаются слова данных, тактируемые положительными фронтами сигнала CLK . Сигналы готовности -IRDY и -TRDY выставляются в начале фазы данных и остаются активными до окончания цикла . По линиям -C/BE в фазе данных передаются сигналы разрешения байтов (то есть определяется формат передаваемых данных). Перед последним тактом передачи данных задатчик снимает сигнал -FRAME , после чего снимаются сигналы -IRDY , -TRDY и -DEVSEL .
При асинхронном обмене по шине PCI (рис. 8.12) фаза адреса осуществляется как в предыдущем случае, а в фазе данных как задатчик, так и исполнитель могут приостанавливать обмен снятием своих сигналов готовности (соответственно, -IRDY и -TRDY ). Цикл обмена ( транзакция ) при этом удлиняется за счет введения дополнительных тактов ожидания. Сигналы -FRAME и -DEVSEL вырабатываются аналогично случаю синхронного обмена.
И в заключение несколько слов еще о двух внешних интерфейсах компьютера.
Стандарт интерфейса PCMCIA ( Personal Computer Memory Card International Association ) или PC-card был предложен в 1990 году для портативных компьютеров ( notebook ) и используется для подключения к ним различных внешних устройств: модулей памяти (в том числе флэш-памяти), модемов и факс-модемов, сетевых контроллеров, дополнительных накопителей и т.д. PC-card -адаптеры отличаются очень малыми габаритами (с обычную кредитную карточку) и довольно высокой, по сравнению с другими аналогичными устройствами, стоимостью. Сейчас уже выпускаются PC-card -адаптеры для обычных (настольных) компьютеров. Если первая версия PС-card была предназначена только для модулей памяти, то вторая (1991 год) позволяла включать устройства ввода/вывода и поддерживала два напряжения питания (5 В и 3,3 В). Последние разработки поддерживают режим PnP .
Для подключения PCMCIA -карт используется 68-контактный разъем . Разрядность передаваемых данных — 16, количество разрядов адреса — 26, что позволяет адресовать до 64 Мбайт памяти. Тактовая частота шины - до 33 МГц. Стандарт определяет три различных длины контактов разъема для обеспечения правильной последовательности подачи напряжения питания при подключении и отключении карты во время работы компьютера. Компьютер имеет обычно 2—3 слота (разъема) для PC-card . Стандарт предусматривает автоматическое распределение ресурсов компьютера для устройств PC-card (режим PnP ).
Последовательный интерфейс USB (Universal Serial Bus ) специально разрабатывался для простого подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой 4-проводную линию связи с пропускной способностью 1,5 Мбайт/с (12 Мбит/с). К ней можно подключать до 127 устройств по древовидной схеме с использованием одного или нескольких распределительных устройств. Длина соединительного кабеля между отдельными устройствами USB может достигать 5 метров. В шине USB реализована поддержка режима PnP и возможность "горячего" подключения (без выключения питания). В данном стандарте уже выпускаются модемы, клавиатуры, мыши, сканеры, цифровые фотокамеры и т.д. Важно, что в шине предусмотрена подача на подключаемые устройства питающего напряжения (в последовательном интерфейсе RS-232C , например, этого нет).