Реклама:

Большинство персональных компьютеров и рабочих станций имеют физическую структуру, сходную с показанной на рис. 2.24. Обычно устройство представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой (политкорректности ради можно называть ее системной платой). Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные вспомогательные микросхемы. Еще на материнской плате располагаются шина (она тянется вдоль платы) и несколько разъемов для подсоединения устройств ввода-вывода. Иногда шин бывает две: одна (шина PCI), с высокой скоростью передачи данных, предназначается для современных устройств ввода-вывода, а другая (шина ISA), с низкой скороГлава 2. Организация компьютерных систем стью передачи данных, - для устаревших устройств. В современных компьютерах шина ISA, как правило, отсутствует.

Шины

Рис. 2.24. Физическая структура персонального компьютера

Логическую структуру обычного персонального компьютера иллюстрирует рис. 2.25. У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода; однако большинство систем имеют две и более шины.

Шины

Рис. 2.25. Логическая структура обычного персонального компьютера

Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна объединяет большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно располагается на плате, которая вставляется в свободный разъем. Исключение представляют собой контроллеры устройств, являющихся неотъемлемыми составными частями компьютера (например, клавиатуры), которые иногда располагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и нельзя назвать дополнительным 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 соединяется с разъемом на задней стороне корпуса.

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и для этого регулирует доступ к шине. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет диску команду поиска и другие команды. 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 фрагменты и записывать каждый такой фрагмент по мере накопления битов для него в память. Отдельный фрагмент 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, DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостанавливать работу текущей программы и начинать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерываний, и нужна она для того, чтобы проверить, нет ли ошибок, в случае их обнаружения произвести необходимые действия и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершается, 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 взаимодействия с памятью. Однако если работает какое-нибудь устройство ввода-вывода, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Этот процесс, который притормаживает работу компьютера, называется захватом цикла памяти (cycle stealing).

Описанная структура успешно использовалась в первых персональных компьютерах, поскольку все их компоненты работали с примерно одинаковой скоростью. Однако как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, возникла проблема: шина перестала справляться с нагрузкой. В случае закрытых систем, таких как инженерные рабочие станции, решением проблемы стала разработка для следующей модели машины новой шины с более высокой скоростью передачи данных. Поскольку никто никогда не переносил устройства ввода-вывода со старой модели на новую, такой подход работал успешно.

Однако в мире персональных компьютеров большая часть пользователей, заменяя свой компьютер новой моделью, никак не рассчитывает одновременно отказываться от своих старых и привычных принтера, сканера и модема. Кроме того, существовала целая отрасль промышленности, выпускавшая широкий спектр устройств ввода-вывода для компьютеров IBM PC, и производители этих устройств совершенно не были заинтересованы в том, чтобы начинать все свои разработки заново. Компания IBM прошла этот тяжелый путь, выпустив после линейки IBM PC линейку PS/2. У компьютеров 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 компания IBM оказалась в весьма неприятной ситуации, поскольку в тот момент она была единственным производителем персональных компьютеров, несовместимых с линейкой IBM. В конце концов компания была вынуждена вернуться к производству компьютеров на основе шины ISA. Отметим, что аббревиатура ISA также может расшифровываться как Instruction Set Architecture (архитектура набора команд), если речь идет об уровнях иерархии команд.

Хотя влияние рынка привело к тому, что никаких изменений в старой шине сделано не было, быстрее она работать не стала, и нужно было что-то предпринять. В результате другие компании начали производить компьютеры с несколькими шинами, одной из которых была либо прежняя шина ISA, либо шина EISA (Extended ISA - расширенная стандартная промышленная архитектура), как и ISA, совместимая со старыми устройствами ввода-вывода. Что касается другой шины, то в настоящее время самой популярной моделью является шина PCI (Peripheral Component Interconnect - взаимодействие периферийных компонентов), разработанная компанией Intel, которая решила открыть всю связанную с шиной техническую информацию, чтобы сторонние производители (в том числе конкуренты компании) могли разрабатывать соответствующие устройства.

Существует много различных конфигураций шины PCI. Наиболее типичная из них показана на рис. 2.26. В такой конфигурации центральный процессор взаимодействует с контроллером памяти по выделенному высокоскоростному соединению. Таким образом, контроллер соединяется с памятью непосредственно, то есть передача данных между центральным процессором и памятью происходит не через шину PCI. Однако высокоскоростные периферийные устройства, 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 как старые платы ввода-вывода ISA (для низкоскоростных устройств), так и новые карты PCI (для высокоскоростных устройств1).

В настоящее время существует множество разнообразных устройств ввода-вывода. Мы коснемся только наиболее распространенных из них.

1 Необходимо отметить, что в существующих сегодня компьютерных стандартах шина ISA уже не упоминается. - Примеч. научн. ред.

Шины

Рис. 2.26. Современный персональный компьютер с шинами PCI и ISA. Модем и звуковая карта относятся к ISA-устройствам, контроллер SCSI является PCI-устройством

Ввод-вывод || Оглавление || Терминалы