Maturitní otázka z POS - č. 3
Komunikace procesoru s okolím • • •
systémová sběrnice FSB – charakteristika, komunikační modely rozšiřující sběrnice – typy a jejich charakteristika rozhraní počítače – typy portů a jejich charakteristika, integrace rozhraní
Procesor může s okolím komunikovat 3 způsoby: 1) pomocí sběrnic 2) přes přerušení (IRQ) 3) kanály přímého přístupu do paměti (DMA) Základem komunikace jsou sběrnice, protože přenášejí nejvíce dat. Podstatná je jejich rychlost, která ovlivňuje výkon celého počítače. Na základní desce pracují 2 typy sběrnic: a) systémová sběrnice (FSB – Front Side Bus) – je připojená k procesoru, je jím řízena a propojuje procesor s obvody na základní desce b) rozšiřovací (periferní) sběrnice – spojuje procesor (resp. jeho systémovou sběrnici) s okolním světem, je zakončena konektory (sloty)
Systémová sběrnice (FSB) Jejím prostřednictvím komunikuje procesor s nejbližším okolím (operační pamětí, grafickou kartou), proudí přes ni data také k ostatním prvkům (částem) PC. Sběrnice je umístěna na základní desce a prostřednictvím patice procesoru spojena s procesorem. Její konstrukce je závislá na výrobci základní desky, který musí zachovat kompatibilitu s procesorem. Proto jsou ke každému novému procesoru navrženy chipsety (obvody na základní desce, propojující všechny prvky desky tak, aby se s nimi procesor domluvil). Dnes existují dva základní komunikační modely, kdy: a) komunikace probíhá prostřednictvím severního (north) a jižního (south) mostu (bridge) chipsetu – tento model se používá už dlouho – Intel (dříve i AMD) b) severní most v chipsetu chybí a je nahrazen integrovaným paměťovým řadičem a sběrnicí HyperTransport – nový model – AMD A) Uspořádání se severním mostem (Intel) Základním spojovacím článkem mezi procesorem a okolím je chipset základní desky, který se skládá ze dvou částí: a) North Bridge (severní most) – nazývá se také System Controller – je sběrnice FBS připojen k procesoru a zajišťuje přesuny dat mezi základními prvky počítače. Spojuje sběrnici AGP, jejíž rychlost je odvozena od FSB, dále připojuje paměťovou sběrnici, jejíž rychlost je násobkem FSB. Také přes North Bridge prochází data ke spodní části chipsetu – South Bridge. b) South Bridge (jižní most) – Peripheral Bus Controller – stará se o připojení periferií k základní desce. Ze South Bridge vychází sběrnice PCI, dále je sem připojen kompletní diskový subsystém, zvukový subsystém, stará se také o USB, sériové a paralelní porty, bývá v něm integrováno síťové rozhraní či zajišťuje služby BIOSu. -1-
Maturitní otázka z POS - č. 3 Nevýhodou tohoto modelu je „úzké“ místo mezi severním mostem a procesorem, musí tudy projít všechna data. Proto má Pentium 4 sběrnici FSB, která provádí 4 operace během jednoho taktu (quad pumped). Se stoupající rychlostí FSB pak dostáváme vyšší datový tok. takt FSB 100 MHz = 400 MHz Quad Pumped = 3,2 GB datová propustnost takt FSB 133 MHz = 533 MHz Quad Pumped = 4,26 GB datová propustnost takt FSB 166 MHz = 664 MHz Quad Pumped = 5,31 GB datová propustnost takt FSB 200 MHz = 800 MHz Quad Pumped = 6,40 GB datová propustnost takt FSB 266 MHz = 1064 MHz Quad Pumped = 8,51 GB datová propustnost takt FSB 333 MHz = 1333 MHz Quad Pumped = 10,66 GB datová propustnost takt FSB 400 MHz = 1600 MHz Quad Pumped = 12,80 GB datová propustnost
B) Uspořádání AMD K8 Před příchodem 8 generace procesorů AMD byla konstrukce chipsetů jednotná, ale K8 toto uspořádání změnila a přinesla novou koncepci. Z hlediska komunikace s okolím přináší K8 dvě podstatné změny, které výrazně zvyšují datovou propustnost: 1) integrace paměťového řadiče – řadič je integrován v jádře K8, takže data proudí do paměti přímým spojem, pracujícím stejným taktem jako procesor 2) HyperTransport – nová sběrnice, která spojuje procesor s okolím, je velmi variabilní, její šířka může být 2, 4, 8, 16 a 32 bitů, frekvence 200 – 800 MHz, HyperTransport 2 zvyšuje takt na 1 – 1,4 GHz např. sběrnice je 16-ti bitová, s taktem 800 MHz. Vypočítat množství přenesených dat (takt 800 MHz X 2 sběrnice pracuje na sestupné i vzestupné hraně řídícího signálu X šířka 16 bitů : 8 převod z bitů na Byte = 3200 MB/s – jde o procesory pro socket 754). HyperTransport používá pro každý směr komunikace jednu sběrnici (duplexní provoz), a tak je skutečný datový přenos ještě 2 krát vyšší.
Rozšiřující (periferní) sběrnice (busy) PC bus – vyvinula firma IBM v roce 1981 pro počítač PC/XT, který pracoval na procesoru Intel 8088, je 8-bitová, frekvence 8 MHz, přenosová rychlost 8 MB/s (8 x 8 / 8). ISA (Industry Standard Architecture) – vyvinula firma IBM v roce 1982 pro počítač PC/AT, který pracoval na Intelu 80 286, je 16-bitová, frekvence 8 MHz, přenosová rychlost 16 MB/s, konektory jsou černé barvy, přestala se používat se základními deskami pro Pentium III. MCA (Micro Channel Architecture) – vyvinula firma IBM v roce 1987, je 32-bitová, frekvence 10 MHz, přenosová rychlost 40 MB/s (10 x 32 / 8). Tato sběrnice se příliš neujala, protože není kompatibilní se sběrnicí ISA a navíc firma IBM požadovala za použití MCA jinou firmou vysoké licenční poplatky. EISA (Extended ISA) – je rozšířením sběrnice ISA, vyvinulo ji devět firem v roce 1989 (organizátorem byla společnost Compaq, která přemluvila osm dalších – skupina se nazvala „Watchzone“), je 32-bitová, frekvence 8 MHz (z důvodu kompatibility se sběrnicí ISA), přenosová rychlost 32 MB/s (8 x 32 / 8). Tato sběrnice se také nikdy moc nerozšířila, používala se hlavně ve výkonných serverech. Důvodem byla vysoká cena zařízení pro sběrnici EISA a nástup nových výkonnějších sběrnic. VESA Local Bus (VL-bus) (Video Local Bus) – vyvinula ji v roce 1991 sdružení VESA (Video Electronic Standards Association), je 32-bitová, frekvence 33 MHz, přenosová rychlost 133 MB/s (33 x 32 / 8), používala se hlavně pro grafické karty, protože byla rychlá, můžeme ji najít ve starších počítačích s procesorem řady 486 a Pentium. -2-
Maturitní otázka z POS - č. 3 PCI (Peripheral Component Interconnect) – vyvinula firma Intel v roce 1993, odstraňuje základní nevýhodu sběrnice VL-bus, jíž je to, že její frekvence je shodná s frekvencí základní desky. Konektory jsou většinou bílé barvy. Začala se používat v počítačích Pentium a používá se dodnes (stále je nejpoužívanější sběrnicí). Přednosti PCI: - nezávislost na frekvenci procesoru – komunikuje s CPU prostřednictvím jižního mostu chipsetu, který může působit jako buffer - větší šířka toku dat - je 32-bitová a 64-bitová (ta se používá málo - serverech) - vyšší rychlost - frekvence 33 MHz (v roce 1998 se rychlost zvýšila na 66 MHz), přenosová rychlost 132 MB/s - 266 MB/s (u 64-bitové) - zpětná kompatibilita – obvody podporující PCI, podporují také ISA a EISA, je snadné postavit PC se sloty ISA, EISA a PCI na téže základní desce - programové vybavení desek – podporuje standard „Plug and Play“ (zasuň a spusť), tento standard byl vyvinutý v roce 1992 AGP (Accelerated Graphics Port) – vyvinula firma Intel v roce 1998, je to sběrnice určená pro grafickou kartu, je přímo spojená se severním mostem chipsetu, konektory jsou tmavohnědé nebo černé, je určitou obdobu sběrnice VL-bus, neboť je synchronizována s hodinovým signálem procesoru, umožňuje grafickým kartám přímo využívat část operační paměti, je 32-bitová, frekvence 66 MHz, přenosová rychlost 266 MB/s (66 x 32 / 8). Základní desky s AGP mají jen jeden slot tohoto typu a začaly se používat u počítačů s procesorem Pentium II. Přenosový výkon sběrnice AGP se stává s nástupem vyšší frekvence procesorů nedostačující, a proto se koncem roku 1998 vyvinuly sběrnice označované jako AGPx2, které mají dvounásobnou frekvenci 133 MHz (přenosová rychlost 533 MB/s). V roce 1999 se vyvinula AGPx4 – čtyřnásobná frekvence 266 MHz (přibližně 1 GB/s), což je hodnota pro komunikaci většiny grafických adaptérů postačující. Přesto se v roce 2002 objevila AGPx8 s frekvencí 533 MHz (přibližně 2 GB/s), tato varianta je dnes standardem u všech základních desek. Sběrnice AGP začíná být vytlačována novou sběrnicí PCI Express. PCI Express (PCIe) – vyvinula firma Intel v roce 2004, se sběrnicí PCI nemá nic společného, je černé barvy. Skládá se z jednotlivých osmibitových sběrnic (přenosových kanálů), takže se může setkat se sběrnicemi PCIe x 1 až PCIe x 32. Číslice, která doplňuje označení určuje, kolik kanálů je k přenosu použito. Každý kanál má přenosový výkon přibližně 250 MB/s (u PCIe x 32 je přenosový výkon 8 GB/s). Sběrnice PCIe x 1 a PCIe x 4, se považuje za nástupce klasické sběrnice PCI. Sběrnice v provedení PCIe x 16 a PCIe x 32 slouží především k náhradě sběrnice AGP.
Další sběrnice – AMR, CNR, ACR – snahou bylo snížit cenu rozšiřujících karet, tyto sběrnice se neprosadily, najdeme je na starších základních deskách, dnes se od nich ustupuje. AMR (Audio Modem Riser) – vyvinula firma Intel roce 2000, používala se pro zvukové a faxmodemové karty CNR (Communication and Networking Riser) – vyvinula firma Intel o dva roky později, podporovala navíc síťové karty, ale bohužel není zpětně kompatibilní s AMR ACR (Advanced Communications Riser) – ve stejné době skupina výrobců (3Com, AMD, VIA a další), vychází ze sběrnice AMR a je s ní zpětně kompatibilní
-3-
Maturitní otázka z POS - č. 3 Rozhraní PC (Interface) – Porty Úkolem rozhraní je zabezpečit přenos dat mezi počítačem a periferním zařízením. Přenos dat může být: a) sériový – informace se přenášejí po jednotlivých bitech za sebou, tato metoda je vhodná pro přenos dat na velké vzdálenosti, protože se snižují náklady na přenosové linky (jeden vodič) b) paralelní – informace se přenášejí po jednotlivých bytech (jejich násobcích) současně, tato metoda je rychlejší, na větší vzdálenosti se zvyšuje cena
Typy portů: a) paralelní port – vyvinuto v roce 1976, obvykle se používá pro připojení tiskárny, nebo ke komunikaci dvojice počítačů, tento port využíván pro přenos dat na vzdálenost několika metrů, v počítači se paralelní porty označují LPT1, LPT2, LPT3 b) sériový port – původní od roku 1964, používal se pro připojení myši a modemu, označuje se COM1 a COM2 c) game port – používaný pro připojení joysticku, používal se i jako MIDI port (např. připojení hudebních nástrojů – varhany) Tyto klasické porty bývají integrovány na základní desce. Dnes jejich význam postupně klesá a v počítačích zůstávají z důvodu zpětné kompatibility se staršími periferními zařízeními. d) USB port (Universal Serial Bus) – uvedeno na trh v roce 1997 firmou Intel, je typický pro dnešní počítače, všechny základní desky jsou vybaveny 2 až 8 porty USB (2 až 4 jsou na zadní straně skříně, 2 až 4 jsou na čelní či boční straně skříně), umožňuje přepojit libovolné zařízení vybavené USB rozhraním s přenosovou rychlostí do 12 Mb/s, v roce 2002 byla vyvinuta zdokonalená verze označovaná jako USB 2.0 s přenosovou rychlostí 480 Mb/s (60 MB/s). V létě 2009 se objeví na některých deskách USB 3.0 s přenosovou rychlostí 5 Gb/s. výhody portu: - jeho univerzálnost – všechna zařízení se připojují stejným způsobem - podpora standardu Plug and Play (zařízení je možné připojit a odpojit za chodu) - velice snadná instalaci periferních zařízení - zařízení s nízkou spotřebou energie mohou být napájena prostřednictvím USB - levné propojení dvou počítačů - použitím redukce lze port USB připojit na jiná rozhraní - dá se připojit až 127 zařízení e) port IEEE-1394 (FireWire) – uvedeno na trh v roce 1986, není na většině základních desek, ale je možno ho doplnit přes sběrnici PCI, umožňuje dosáhnout rychlosti až 400 Mb/s, proto slouží pro připojení zařízení s potřebou vyšší rychlosti komunikace (videokamery, videa), v roce 2001 se vyvinul zdokonalený port (externí sériová sběrnice) IEEE-1394b s přenosovou rychlostí až 800 Mb/s, v roce 2007 IEEE-1394c s přenosovou rychlostí až 3200 Mb/s, umožňuje připojit jen 63 zařízení f) konektor PS/2 – je vyveden ze základní desky a používá se pro připojení myši (zelené barvy) a klávesnice (fialové barvy) g) eSATA (external SATA) – byl vyvinut v roce 2006 pro externí pevné disky, přenosová rychlost 1,5 Gb/s, zatím se výrazně nerozšířil a nachází se jen na některých deskách -4-
Maturitní otázka z POS - č. 3 Integrace rozhraní Vstupně-výstupní rozhraní jsou integrována do obvodů základní desky. Jejich výstupy jsou vyvedeny na zadní straně skříně (většinou 1 až 2 konektory sériového portu, jeden paralelní, 2 až 4 zdířky pro USB, 2 konektory PS/2). Sériové vs. paralelní rozhraní Při sériové komunikaci je po kanálu či sběrnici posílán jeden bit za jednotku času sekvenčně. Příkladem je USB, FireWire, COM, sběrnice PCIe, SATA. Zařízení se kterými počítač komunikuje sériově je např. tiskárna, modem, grafická karta. Při paralelní komunikaci je přes kanál posíláno více dat současně, proto je důležitým parametrem bitová šířka. Příkladem je LPT, ATA (IDE), SCSI, ISA nebo PCI. Např. 32-bitová paralelní sběrnice přenese na jednotku času 32-bitů současně a byla by 32 x rychlejší než sériové rozhraní na stejné frekvenci. Dnes se ale výrobci přiklánění k jednodušímu sériovému rozhraní, na kterém jde snadněji dosáhnout vyšších frekvencí.
-5-
