ZÁKLADNÍ DESKY POČÍTAČŮ

EPO / Základní desky počítačů

(určeno pro SPŠ Zlín ,SH)

str.: - 1 –

ZÁKLADNÍ DESKY POČÍTAČŮ Typy - form faktory - základních desek Základní deska je bez jakýchkoliv pochyb nejdůležitější součástí PC. Některé společnosti nazývají tyto desky také systémovými deskami, ale oba pojmy jsou vzájemně zaměnitelné. Existuje několik základních tvarů (nazývaných též formy nebo form faktory) základních desek. Přitom formou se myslí fyzické rozměry desky a rozmístění některých součástí na jejím povrchu. Některé z dále popisovaných forem základních desek jsou skutečnými standardy (tj. všechny desky téže formy jsou v PC zaměnitelné), zatímco někteří výrobci dodávají ve svých počítačích vlastní základní desky. Máte-li takový počítač, pak obvykle nemáte žádnou možnost provést modernizaci takového PC, neboť tyto specifické základní desky nelze většinou nijak nahradit. Mezi základní standardy forem základních desek patří: Soudobé formy: Zastaralé formy: • ATX (305 x 244)mm • Baby-AT • Micro-ATX (244 x 244) mm • AT plné velikosti • Flex-ATX (229 x 191)mm • LPX (spíše spec. forma) • NLX – zákl. deska se vsunuje do konektoru v expandéru připojenému ke skříni • WTX – deska pro 2 procesory Jednotlivé formy základních desek se postupně vyvinuly z původního tvaru Baby-AT, použitého fiirmou IBM v počítačích XT a AT. Pravděpodobně nejobvyklejší soudobou formou je ATX, která má několik variant (MicroATK či Flex-ATX). Přehled typického použití jednotlivých forem najdete v následující tabulce: Forma Použití ATX Běžné počítače typu desktop, minitower nebo tower; dnes nejobvyklejší forma základní desky; tento typ nabízí největší flexibilitu při modernizacích Mikro ATX Tato forma je určeno pro levnější počítače typu desktop či minitower; jedná se o zmenšenou verzi ATX (244 x 244 mm) Flex-ATX Nejlevnější forma pro počítače desktop či minitower NLX Základní deska pro podnikové počítače typu desktop či minitower; obsahuje integrovanou síťovou kartu; nabízí nejrychlejší a nejsnazší servis WTX Toto forma se používá především ve vysoce výkonných pracovních stanicích a serverech

Desky Baby-AT Tato deska se vyvinula ze základní desky původního IBM PC XT v průběhu 80. let. Poté, kdy se na trhu objevil první PC AT s 16 bitovou technologií, zjistili další výrobci počítačů, že všechny nové obvody z desky PC AT se vejdou i na tu desku, která byla používána v PC XT. Z obchodních důvodů pak byla takto upravená deska nazvána Baby-AT a díky svému rozšíření mezi výrobci se stala standardem. Tyto základní desky mohou být použity k náhradě původních desek AT o plné velikosti. Současně lze říci, že rozměrově se tyto desky vejdou téměř do všech skříní. Základní desky této formy byly nejvíce rozšířeny v letech 1983 až 1996, kdy začaly být nahrazovány modernějšími deskami ATX. Nevýhodou však je to, že desky ATX obvykle nelze jednoduše použít k náhradě desky Baby-AT. Jedním z rozlišovacích znaků těchto desek je to, že prakticky na všech najdete velký konektor pro klávesnici s 5 vývody (standardní DIN). Použití malého konektoru pro klávesnici s 6 vývody (tzv. mini-DlN) či dokonce dvou těchto konektorů (jeden pro klávesnici, druhý pro myš) je spíše výjimečné. Dalším charakteristickým rysem je, že všechny rozšiřující karty se do desky Baby-AT zasunují pod úhlem 90°. Z hlediska podpory různých procesorů platí, že desky Baby-AT byly vyráběny pro téměř všechny procesory.

Desky LPX Desky tohoto standardu byly navrženy firmou Western Digital v roce 1987. Úvodní písmena LP znamenají Low Profile. (tedy v podstatě nízký). Charakteristickým rysem počítačů s těmito deskami je tedy celkově velmi nízká výška skříně, daná tím, že rozšiřující karty byly instalovány rovnoběžně se základní deskou. Standard LPX však



str.: - 2 –

nikdy nebyl specifikován písemně, což znamená, že záměna jedné desky LPX za druhou je obvykle nemožná. Rozdílnou byla především poloha konektoru pro speciální kartu, obsahující pouze další konektory a umožňující instalaci rozšiřujících karet rovnoběžně se základní deskou (tzv. expandér). K dalším typickým znakům těchto desek patří konektory pevně připojené k zadní hraně desky. Mezi nimi naleznete konektor pro monitor (VGA s 15 vývody), paralelní port (s 25 vývody), dva sériové porty (po 9 vývodech) a konektory mini-DIN (PS/2) pro klávesnici a myš. Aby byly konektory přístupné i zvenku, musí mít skříň počítače speciální výřez odpovídající téměř celé šířce základní desky.

Desky ATX Deska typu ATX je kombinací nejlepších prvků desek formy Baby-AT a LPX. Jedná se v podstatě o desku Baby-AT otočenou o 90", přičemž byl přesunut i zdroj napájení a byly změněny konektory pro napájení desky. Velmi podstatným faktem však je to, že tato forma desky je nekompatibilní s deskami typu Baby-AT či LPX. Jinými slovy řečeno, deska ATX vyžaduje jiný zdroj a odlišnou skříň. Desky ATX se ve větším množství objevily na trhu v polovině roku 1996. Od té doby byla jejich specifikace několikrát změněna. Forma ATX obsahuje - ve srovnání s deskami Baby-AT a LPX- řadu vylepšení: • Vestavěny panel pro vstupně/výstupní konektory s dvojnásobnou výškou. Na zadní straně desky najdete panel s konektory, který má šířku 15,87 cm a výšku 4,45 cm. To znamená, že všechny konektory pro vstup a výstup jsou připájeny přímo k desce. • Jediný konektor pro napájení desky s klíčem. Jedná se o výrazné vylepšení oproti deskám Baby AT, u nichž záměna konektorů znamenala obvykle zničení desky. Desky ATX jsou napájeny jediným konektorem, který navíc nelze instalovat nesprávně. Navíc na jednom z vývodů konektoru je napětí 3,3 V, čímž je odbourána nutnost instalace poměrně poruchových regulatorů napětí na samotnou desku. • Přemístěný procesor a paměť. Procesor a paměťové moduly byly přesunuty tak, aby nepřekážely při instalaci rozšiřujících karet. Na deskách ATX jsou umístěny poblíž zdroje napájení, jehož součástí je vždy primární systémový větrák. Tím je vylepšeno proudění vzduchu nad procesorem. Navíc CPU se nachází v oblasti, ve které je dostatek prostoru, takže instalace jakkoliv velkého chladiče nečiní žádné problémy. • Změna polohy vnitřních konektorů pro vstup a vystup. Konektory pro připojení datových vodičů od disketových mechanik a pevných disků jsou přesunuty do blízkosti samotných šachet. Zkrátila se tím nutná délka těchto vodičů a navíc přístupu ke konektorům nebrání žádné karty či mechaniky. • Vylepšené chlazení. Vyplývá ze změněné polohy CPU. Původní návrh specifikace ATX počítal s tím, že skříně budou mírně přetlakovány, tj. větrák ve zdroji bude vyfukovat vzduch směrem do skříně. Protože ale tento způsob větraní poněkud snižuje účinnost chlazení, byla v nedávné době specifikace upravena a nyní je možné skříň s deskou ATX větrat i opačným způsobem, tj. vyfukováním vzduchu ven ze skříně.

• Snížení výrobních nákladů. Je dáno především tím, že nejsou zapotřebí žádné speciální vodiče pro vstupně/výstupní konektory, nejsou nutné regulátory napětí apod.

Z hlediska celkových rozměrů existují dvě varianty desek ATX: - ATX o plné velikosti. Rozměry desky jsou 305 x 244 mm - deska mini ATX. Rozměry jsou zmenšeny na 284 x 208 mm



str.: - 3 –

SOUČÁSTI ZÁKLADNÍ DESKY Na moderní základní desce naleznete několik vestavěných součástí, mezi něž patří např. různé typy patic, konektorů, čipů apod. Tato část se těmito součástmi desky bude podrobněji zabývat. Většina soudobých základních desek obsahuje tyto důležité součásti: • Patici či konektor pro procesor • Čipovou sadu (sestávající z čipů North a South Bridge či z rozbočovačů) • Čip pro vstupy a výstupy (Super I /O) • ROM BIOS (Flash ROM) • Patice pro paměťové moduly DIMM / SIMM / RIMM (či jiné novější typy paměťových modulů) • Sběrnici ISA / PCI / AGP • Konektor AMR (Audio Modem Riser) a konektor CNR (Communications and Networking Riser) • Regulátor napětí pro procesor a baterie Na některých deskách můžete také nalézt integrované videokarty, zvukové karty, síťové karty či řadiče SCSI . (Pozn.: pod pojmem řadič obecně míníme elektronické obvody, řídící nějaké zařízení – např. pevný disk a zprostředkovávající přemos dat mezi zařízením a počítačem)

Čipové sady (Chipset) Chceme-li se zabývat základními deskami, musíme se především věnovat čipovým sadám. Čipová sada totiž je jednou z nejdůležitějších součástí základní desky. Jedná se o skupinu integrovaných obvodů (čipů), které jsou navrženy ke vzájemné spolupráci a jsou obvykle prodávány jako jediný produkt. U počítačů třídy PC tento termín obvykle označuje dva čipy na základní desce – nordbridge a southbridge. Součástí čipové sady je rozhraní pro procesor, řadič paměti, řadič sběrnice, řadiče vstupu a výstupů a další. Procesor není schopen komunikovat s pamětí, rozšiřujícími kartami či různými zařízeními bez čipové sady. Jestliže tedy čipová sada definuje rozhraní mezi procesorem a ostatními součástmi systému, pak také čipová sada určuje, jaký procesor můžete ve svém systému použít. Kromě toho určuje, na jaké rychlosti tento procesor (či jiné zařízení) bude možné provozovat, jak rychlé budou sběrnice či jaký typ pamětí budete moci použít.



str.: - 4 –

Vývoj čipové sady Základní desky prvních PC, vyráběných firmou IBM, obsahovaly kromě procesoru mnoho dalších čipů, které - z hlediska své funkce - vytvářely čipovou sadu. K těmto obvodům patřil např. generátor hodin, řadič sběrnice, systémový časovač, řadič přerušení a řadič přímého přístupu do paměti, řadič klávesnice, CMOS RAM apod. Roku 1986 firma Chips and Technologies přišla na trh s revoluční novinkou: vyvinula čip nazvaný 82C206, který tvořil nejdůležitější část první čipové sady pro PC. Tento jediný obvod byl schopen zajistit funkce generátoru hodin 82284 (Clock Generátor), řadiče sběrnice 82288 (Bus Controller), systémového časovače 8254 (Systém Timer), dvojitého řadiče přerušení 8259 (Interrupt Controller), dvojitého řadiče přímého přístupu do paměti 823 7 (DMA Controller) a dokonce paměti CMOS s hodinami MC146818 (CMOS RAM/Real-Time Clock). Čip 82C206 byl na základní desce doplňován ještě čtyřmi dalšími obvody, zajišťujícími funkce řadičů paměti a zásobníků. Počet nejdůležitějších čipů na základní desce tehdy klesl na pět. Je zřejmé, že díky tomuto obvodu výrazně klesla cena základních desek. Mezi nejznámější výrobce čípových sad patří Intel, NVIDIA, SiS,AMD, VIA Technologies.

Čipové sady založené na architektuře North / South Bridge Většina starších čipových sad firmy Intel (a téměř všechny čipové sady jiných výrobců) sestává z několika součástí označovaných jako North Bridge, South Bridge a Super I/O. • Čip North Bridge je také znám jako systémový řadič. Jeho hlavním úkolem je propojení rychlejší procesorové sběrnice (200/133/100/66 MHz) s pomalejšími sběrnicemi pro grafiku (AGP 66 MHz) a pro další součásti systému (PCI 33 MHz). Frekvence, kterou je taktována sběrnice mezi procesorem a severním mostem je označena FSB (Front Side Bus). Čip North Bridge bývá také někdy označován jako PAC (PCI / AGP Controller). Jedná se o nejdůležitější součást základní desky a také o jediný obvod pracující na plné rychlosti základní desky (sběrnice procesoru). U většiny moderních základních desek naleznete pouze jediný čip North Bridge. • Čip South Bridge je otaké znám jako vstupně-výstupní řadič (I/O Controler Hub). Úkolem je např. spojení sběrnice PCI (33 MHz) s ještě pomalejší sběrnicí ISA (8 MHz). Čip South Bridge je pomalejší součástí čipové sady a je tvořen jediným čipem. Čip South Bridge se připojuje ke sběrnici PCI. Pokud má základní deska integrovanou zvukovou či síťovou kartu, najdeme ji nejčastěji přímo v jižním mostu, případně jsou do něj připojeny jako přídavné moduly. Jeho součástí je rozhraní nebo most pro spolupráci se sběrnicí ISA, jejíž rychlost je pouze 8 MHz. • Super I/O čip je oddělený čip připojený ke sběrnici ISA, který však nebývá považován za součást čipové sady. Tento čip umožňuje připojení běžných periferií k systému. Čipové sady založené na architektuře rozbočovačů Některé čipové sady (např. Intel řady 800) jsou založeny na rozbočovačích, přičemž čip North Bridge je nazýván rozbočovačem řadiče paměti a čip South Bridge je označován pojmem rozbočovač řadiče vstupů a výstupů. Na rozdíl od architektury „North Bridge / South Bridge“ jsou tyto dvě základní části čipové sady propojeny speciálním rozhraním rozbočovače, pracujícím na rychlosti 4x66 MHz. Toto rozhraní je ve srovnání s PCI sběrnicí dvakrát rychlejší a navíc tuto sběrnici nevyužívá pro své přenosy. Výsledný datový tok tohoto rozhraní je 266 MB/s, přičemž ostatní zařízení připojená ke sběrnici PCI, pracují také rychleji, neboť přenosy mezi rozbočovači nejsou prováděny po PCI. Čipové sady pro procesory páté generace V březnu 1993 firma Intel uvedla na trh nejen procesor Pentium, ale také první čipovou sadu pro tento procesor, nazvanou 430LX. Tato čipová sada se stala první sadou pro procesor Pentium; ostatním výrobcům trvalo měsíce až rok, než pro Pentium vyvinuli a vyrobili první sady. V této době si tedy Intel začal vytvářet své dominantní postavení na trhu s čipovými sadami. Čipové sady pro procesory šesté generace Spolu s procesory Pentium Pro, které jsou prvními z procesorů šesté generace, firma Intel dodávala na trh i potřebné čipové sady. Díky tomu, že Intel byl vždy schopen uvést na trh současně nový procesor a čipovou sadu,



str.: - 5 –

udržel si svoje vedoucí postavení na trhu; navíc v době výroby procesorů pro konektor Slot l a posléze palici Socket 370 Intel neměl přílišný zájem o prodej licencí na rozhraní těchto konektorů. V té době byl tedy Intel dokonce jediným výrobcem čipových sad pro dané procesory. Později však bylo několik licencí prodáno a dnes je možné na trhu nalézt čipové sady pro procesory šesté generace vyrobené jinými výrobci. Čipy SUPER I/O Třetí nejdůležitější součástí, kterou naleznete na většině základních desek, je čip Super I/O. Tento čip obvykle integruje funkci zařízení, která dříve bývala součástí několika různých rozšiřujících karet. Čip Super I/O má přinejmenším tyto funkce: • Řadiče disketové mechaniky • Řadiče dvou sériových portů a řadič paralelního portu Ve většině případů řadič disketové mechaniky podporuje dvě mechaniky; podpora pouze jedné mechaniky je spíše výjimečná. Řadič sériových portů bývá navržen se zásobníky, tj. odpovídá standardizovanému návrhu UART. Přitom každý port má svůj zásobník. V podstatě všechny moderní čipy Super I/O obsahují rychlý paralelní port, podporující několik různých režimů. Lepší čipy podporují tři režimy, kterými jsou standardní (obousměrný), EPP (Enhanced Parallel Port) a ECP (Enhanced Capabilities Port). Nejrychlejším z těchto režimů je ECP.

Funkce a vlastnosti systémových sběrnic Srdcem každé základní desky jsou sběrnice. Přitom pojmem sběrnice se označuje jakákoliv skupina vodičů, po které jsou data v systému přenášena z jedné součásti desky do druhé. Obecné rozdělení sběrnic: - datová sběrnice (obgousměrná) - adresová sběrnice (jednosměrná) - řídící sběrnice Každé zařízení v systému je pak připojeno k jedné z těchto sběrnic, přičemž některá zařízení (především čipová sada) vykonávají funkci mostů mezi sběrnicemi.

Mezi základní parametery každé sběrnice patří: Parametr

Význam

Jednotka

Šířka přenosu

Počet bitů, které lze zároveň po sběrnici přenést

bit

Frekvence

Maximální frekvence, se kterou může sběrnice pracovat

Hz

Rychlost (propustnost)

Počet Byte přenesených za jednotku času

B/s

Lokální sběrnice (FSB) Současné počítače jsou postaveny na hierarchické sběrnicové struktuře. Základní je tzv. lokální sběrnice. Po ní musí komunikace probíhat nejrychleji, protože na ni vstupuje procesor, který je nejrychlejší součástí počítače. Pomalá sběrnice by výrazně zpomalovala jeho provoz. Rozšiřovací sběrnice Odděluje mikroprocesor od "okolního světa", je cestou pro připojení dalších komponent (většinou od různých výrobců). Sběrnice vyúsťuje konektory - jednotlivými sloty, do kterých se přídavné karty zasazují. U systémové sběrnice jsou kladeny nejvyšší nároky na rychlost přenosu a na důslednou standardizaci (kompatibilitu) tak, aby do slotů sběrnice mohly být instalovány přídavné karty různých výrobců. Rozšiřovacích sběrnic je u počítačů IBM PC kompatibilních hned několik druhů, ty se liší především svou propustností (množstvím dat, která projdou přes sběrnici za jednotku času). Starší typy sběrnic: - XT BUS - stará osmibitová sběrnice - osmibitová ISA (lndustry Standard Architecture) - nejstarší varianta sběrnice osobních počítačů PC XT (před 80286). Stará a relativně pomalá sběrnice, která se vyskytuje ve dvou variantách (starší 8 a novější 16 bitová). - šestnáctibitová ISA - zdokonalená verze pro počítače PC AT a 80286, má 16bitové rozšíření, počet karet připojených přes sběrnici není už omezen. Slot sběrnice bývá hnědý nebo černý, v BIOSu lze zvýšit její kmitočet, nastavení - pomocí jumperů. - MCA (MicroChannel Architecture) - sběrnice vyvinutá firmou IBM pro počítače řady PS/2, 80386, není kompatibilní s ISA. - EISA (Extended ISA) - jak název napovídá, jedná se o zdokonalení dřívějšího standardu ISA - kompatibilní s ISA, stále však nízká frekvence, slot sběrnice je dvoupatrový (vytvořený ze starých ISA slotů), konfiguruje se programově. Nedosáhla velkého rozšíření.



str.: - 6 –

- VL-BUS (Video Local Bus), VESA VL-BUS - standard vytvořený v roce 1991 několika výrobci základních desek. Předchůdce PCI, používala se hlavně u starších mikroprocesorů 80486. Je koncipována jako rozšíření ISA. VL-BUS není klasickou sběrnicí - je jen nástavbou ISA. Nevýhodné je, že s rostoucí frekvencí rychle stoupá zatížení sběrnice - mohlo se použít jen pár slotů, a proto se sběrnice také nerozšířila.

Základní sběrnice moderního PC jsou tyto: • Procesorová sběrnice. Občas se také označuje zkratkou FSB (Front Side Bus). Jedná se o nejrychlejší sběrnici celého systému, tvořící také jádro základní desky a čipové sady. • Grafická sběrnice AGP (Accelerated Graphics Port). Jde o rychlou, 32bitovou sběrnici, navrženou speciálně pro grafické karty. • Sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect). Tato sběrnice pracuje ve většině případů na rychlosti 33 MHz a má šířku 32 bitů. Existuje však i její rychlejší varianta (66 MHz), mající šířku 64 bitů, která se používá především ve výkonných grafických stanicích a serverech. • Sběrnice ISA (Industry Standard Architecture). Nejpomalejší sběrnice celého PC, mající rychlost pouhých 8 MHz a šířku 16 bitů. Obvod South Bridge čipové sady tuto sběrnici vytváří, což znamená, že je jejím řadičem. Současně je tento obvod také rozhraním mezi sběrnicí ISA a PCI, nacházející se o úroveň výše. Obvod Super I/O bývá většinou připojen ke sběrnici ISA. Na některých novějších základních deskách také naleznete speciální konektor zvaný AMR (Audio Modem Riser), který je vyhrazen pro modem nebo CNR (Communications and Networking Riser), který je vyhrazen pro síťovou kartu. V obou případech se jedná o speciální konektory, které nejsou zakončením nějaké obecně používané sběrnice.

Procesorová sběrnice – FSB

(Front Side Bus) Tato sběrnice slouží k přenášení dat mezi procesorem a čipovou sadou základní desky, přesněji mezi procesorem a obvodem North Bridge (či rozbočovačem řadiče paměti čipové sady základní desky). Sběrnice pracuje na plné rychlosti základní desky (vnější rychlosti procesoru), pohybující se v závislosti na typu desky a čipové sady od 100 MHz výše. U systémů s procesorem páté generace (Pentium apod.) slouží také k přenosům dat mezi procesorem a vnější pamětí cache. Obr.: Schéma systému se základní deskou pro procesor Pentium III. Na obr. vidíte schéma počítače se všemi jeho sběrnicemi. Ze schématu je patrné umístění procesorové sběrnice a rozdělení sběrnic do tří úrovní: procesorové na nejvyšší úrovni, PCI na střední a ISA na nejnižší.

Samotná sběrnice je tvořena elektrickými vodiči a obvody pro data, adresy (adresová sběrnice) a řízení. U PC s procesorem Pentium má procesorová sběrnice 64 vodičů pro data, 32 pro adresy a další pro řízení sběrnice. V případě systémů s procesorem Pentium Pro byl zvýšen počet adresových vodičů na 36; ostatní části sběrnice zůstaly zachovány. Každý vodič je pak schopen v průběhu jednoho cyklu přenést l bit. To znamená, že sběrnice se šířkou 64 bitů přenese za jeden cyklus 64 bitů. Při výpočtu přenosové rychlosti pak stačí vynásobit



str.: - 7 –

šířku sběrnice její rychlostí. Např. pro systém s procesorem Pentium a základní deskou o rychlosti 200 MHz bude přenosová rychlost: 200 MHz x 64 bitů = 12800 Mb/s 12800 Mb/s : 8 = 1600 MB/s

Paměťová sběrnice Tato sběrnice se využívá pro přenosy dat mezi procesorem a systémovou pamětí RAM. Sběrnice je připojena k obvodu čipové sady a její rychlost závisí na typu paměťových modulů, které je čipová sada schopna podporovat. Počítače, které využívaly moduly typu EDO (Extended Data Out) s přístupovou dobou 60 ns měly paměťovou sběrnici o rychlosti pouhých 16 MHz. Novější čipové sady a základní desky podporující moduly typu SDRAM umožňují provozování paměťové sběrnice např. 133 MHz (příst. doba modulů 7,5 ns). Výsledkem je pochopitelně výrazné zvýšení výkonu paměti. Poznámka: Je nutné zdůraznit, že paměťová sběrnice má vždy stejnou šířku jako procesorová sběrnice. Tím je také definována velikost tzv. banky paměti. Většina moderních PC má podporu základních periferií vestavěnu přímo do základní desky. Obvykle u těchto počítačů najdete dvě IDE rozhraní, dva USB porty, řadič disketové mechaniky, dva sériové porty, paralelní port a řadič klávesnice a myši. Podpora uvedených zařízení je součástí obvodů South Bridge čipové sady a Super I/O.

Typy vstupně/výstupních sběrnic Od doby uvedeni prvních PC na trh bylo standardizováno několik různých typů vstupně/výstupních sběrnic. Důvod vzniku různých typů sběrnic je prostý: zvyšující se výkonnost počítačů vyžaduje používání výkonnějších vstupně/výstupních sběrnic. Poměrně překvapující je zjištění, že i u soudobých počítačů téměř vždy naleznete jednu sběrnici, která je v podstatě totožná se sběrnicí prvních PC AT. Současně však tyto počítače mívají i druhou, výrazně výkonnější sběrnici, kterou bývá PCI. Třetí často využívanou sběrnicí je grafická sběrnice AGP, sloužící výhradně pro instalaci grafických karet a umožňující výrazné zvýšení výkonu systému v grafických úlohách ve srovnání s kartami pro sběrnici PCI. Různé typy vstupně/výstupních sběrnic můžete poznat podle jejich architektury. K základním typům patří: • ISA / nebo dříve taky: MCA (Micro Channel Architecture); EISA; lokální sběrnice VESA (VL- Bus) • Lokální sběrnice PCI • Lokální grafická sběrnice AGP • PC-Card (dříve PCMCIA) • USB (verze 1.1 či verze 2.0) ; FireWire (IEEE-1394) • Seriál ATA ; PCI Express Základním rozdílem mezi jednotlivými sběrnicemi je množství dat, které může být najednou přeneseno, a rychlost provádění přenosů. Každá sběrnice je v systému vytvářena čipovou sadou připojenou k procesorové sběrnici.

Sběrnice ISA Označení sběrnice je zkratkou slov Industry Standard Arcbitecture a jedná se o původní sběrnici, jejíž 8bitová podoba byla součástí již prvních IBM PC XT. V roce 1984 byla standardizována její l6bitová podoba, která se využívá dodnes. Využívání této sběrnice se s ohledem na její malou rychlost může v současné době zdát zarážející, ale je nutné si uvědomit, že sběrnice je v počítačích zachovávána z důvodu zpětné kompatibility a spolehlivosti. Je nutné uvést i to, že tato sběrnice je stále rychlejší než mnohá zařízení, která jsou k ní připojována.Rychlost l6bitové verze této sběrnice byla standardizována na 8,33 MHz. Existují systémy podporující i sběrnici ISA o vyšší rychlosti, ale některé karty nejsou schopné na zvýšených rychlostech pracovat. K jednomu přenosu dat potřebuje tato sběrnice dva až osm cyklů, z čehož vyplývá, že její maximální přenosová rychlost je okolo 8 MB/s.

Sběrnice PCI Roku 1995 vznikla zatím poslední verze 2.1 této sběrnice. Sběrnice PCI poněkud mění koncepci původních PC, neboť mezi procesor a samotnou vstupně/výstupní sběrnici zavádí další sběrnici, a to pomocí mostů. Tyto mosty jsou zároveň řadiči nové sběrnice a jejich hlavním cílem je vyhnout se značným problémům s časováním, se kterými se setkala sběrnice VL-Bus v důsledku svého přímého napojení na procesorovou sběrnici. Sběrnice PCI obchází standardní vstupně/výstupní sběrnici; ke zvýšení své rychlosti využívá systémovou sběrnici. Počítače se sběrnicí PCI začaly být dostupné v roce 1993 a dnes jsou prakticky standardem.Rychlost sběrnice PCI je 33 MHz, přičemž datová šířka odpovídá datové šířce procesorové sběrnice. Je-li tedy sběrnice PCI využita v počítači s 32bitovým procesorem, je výsledná přenosová rychlost 132 MB/s (33MHz x 32 bit / 8). Pokud se však tato



str.: - 8 –

sběrnice použije v 64bitovém systému, její přenosová rychlost vzroste na dvojnásobek, tj. 264 MB/s.

Sběrnice AGP V roce 1996 firma Intel zveřejnila specifikaci sběrnice AGP (Accelerated Graphics Port), navržené za účelem výrazného zvýšení výkonu počítačů v oblasti grafiky a zpracování videa. Principiálně vychází AGP ze sběrnice PCI, avšak je rozšířena o několik doplňků a je fyzicky i elektricky nezávislá na PCI. Jedním z hlavních důvodů, proč se firma Intel vůbec zabývala návrhem speciální grafické sběrnice, nebylo jen zvýšení výkonu v oblasti grafiky; velmi významným důvodem byla snaha o umožnění přímého přístupu grafické karty k systémové paměti. Díky tomu jsou do jisté míry redukovány rostoucí nároky na samostatnou video paměť, která je součástí grafické karty. Původní verze specifikace obsahovala definici sběrnice AGP pracující na rychlosti 66 MHz a umožňující jeden či dva přenosy dat během jednoho cyklu (označení 1x nebo 2x). Napětí sběrnice bylo 3,3 V. V roce 1998 byla publikována verze 2.0, definující možnost až čtyř přenosů dat během jednoho cyklu. Současně bylo napětí sníženo na 1,5 V. Uvážíme-li, že šířka sběrnice AGP je 32 bitů, pak z výše uvedených čísel vyplývají tyto přenosové rychlosti: Režim sběrnice základní rychlost efektivní rychlost přenosová rychlost AGP 1 x (verze 1.0) 66 MHz 66 Mhz 266 MB/s (8 B přeneseno za 2 takty) 2 x (verze 1.0) 66 MHz 133 Mhz 533 MB/s (8 B přeneseno během 1 taktu) 4 x (verze 2.0) 66 MHz 266 Mhz 1066 MB/s (16 B přeneseno během 1 taktu) 8 x (verze 3.0) 66 MHz 533 Mhz 2132 MB/s (32 B přeneseno během 1 taktu) Oddělením sběrnice AGP od PCI se uvolnila šířka pásma sběrnice PCI, která tak může být využita pro větší přenosy dat z klasických vstupů a výstupů (např. z řadičů ATA, SCSI, USB, zvukových karet apod.). Slot AGP je podobný slotu PCI s tím rozdílem, že kromě 32 kontaktů pro adresy a data má ještě 8 kontaktů pro SBA (Sideband Addressing). Těchto 8 bitů adresuje oblast operační paměti, kde jsou uložena grafická data v době, kdy se realizujídatové přenosy z adres zadaných v předcházejícím cyklu. To znamená, že v okamžiku, kdy se mají data začít přenášet z operační paměti přes sběrnici AGP do video paměti, jsou již na straně operační paměti k dispozici. Bez SBA by se proces čtení zahájil teprve po přenosu. SBA umožňuje realizovat AGP 4x a AGP 8x. Další metoda pro zvýšení rychlosti sběrnice je zřetězené adresování (pipelining). Při zřetězeném adresování se adresy generují a přenášejí zřetězeně, tzn. bezprostředně za sebou, data jsou pak čtena postupně. U PCI se zřetězené adresování nepoužívalo, a proto ke generování adresy A2 mohlo dojít až po načtení dat adresy A1.

USB, FireWire - náhrady sériového a paralelního portu. V nedávné době byly vyvinuty specifikace dvou sériových sběrnic použitelné jak pro stolní, tak i pro přenosné počítače. Tyto standardy se nazývají USB (Universal Serial Bus) a IEEE-1394 (též i-Link nebo FireWire). Jedná se o sběrnice s přenosovou rychlostí značně převyšující přenosovou rychlost klasického sériového či paralelního portu. Přenosová rychlost těchto sběrnic je tak vysoká, že jimi lze dokonce nahradit i rozhraní SCSI. Kromě vysokého výkonu nabízejí tyto sběrnice také konsolidaci zařízení, což znamená, že k těmto sběrnicím lze připojovat všechny typy externích zařízení. Oba standardy jsou odrazem soudobého trendu ve vývoji sběrnic, směřujícího k používání sériové architektury, u které je v daném okamžiku po vodiči přenášen jen jeden bit. Paralelní architektura je založena na používání 8, 16 či více vodičů. To znamená, že při stejné frekvenci sběrnice je paralelní sběrnice rychlejší; platí však, že technicky je podstatně jednodušší zvýšit frekvenci sériové sběrnice než paralelní. Paralelní sběrnice má totiž několik slabin, z nichž nejvýznamnější jsou zpoždění signálů a kmitání signálů. Tyto jevy jsou také příčinou značně omezené maximální délky všech sběrnic, založených na paralelní technologii (např. SCSI). Zpoždění signálů je dáno rozdílnými fyzikálními vlastnostmi jednotlivých vodičů: i když jsou všechny bity odeslány současně, na stranu přijímající mohou dorazit v rozdílném čase. Čím delší je kabel, tím větší jsou pak rozdíly v čase příjmu prvního a posledního bitu. Kmitáním signálu se pak označuje ta skutečnost, že každý ze signálů má tendenci dosáhnout své určené hodnoty, lehce ji překročit, vrátit se pod její úroveň atd. Kromě



str.: - 9 –

toho se zvyšující se frekvencí sběrnice roste i vzájemná interference signálů. Vyšší počet vodičů a nutná ochrana proti interferenci vedou také k poměrně vysoké ceně paralelních kabelů. Naopak u sériové sběrnice jsou data posílána po jednotlivých bitech. A protože časování v tomto případě nečiní žádný problém, je možné zvýšit frekvenci takové sběrnice velmi výrazně. Díky tomu, že k sériové komunikaci je potřebný jeden vodič (max. dva vodiče), je interference i při vysokých frekvencích zanedbatelná. Důsledkem je samozřejmě výrazné snížení nároků na konstrukci kabelu a tedy i nízká cena sériových kabelů, umožňujících navíc přenos dat na větší vzdálenosti.

Univerzální sériová sběrnice USB Hlavním cílem při vývoji sběrnice USB bylo umožnit připojování externích zařízení k počítači bez jakékoliv starosti o nastavení systémových zdrojů a bez nutnosti restartu počítače. Dalším cílem bylo vyhnout se používání dalších rozšiřujících karet. První verze standardu USB byla zveřejněna v lednu 1996. V září téhož roku následovala její první modifikace, označovaná USB 1.1. Sběrnice USB 1.1 podporuje přenosovou rychlost až 12 Mb/s (1,5MB/s), přičemž data jsou přenášena po jednoduchém kabelu, tvořeném čtyřmi vodiči. Topologie sběrnice má stromovou strukturu - sběrnice umožňuje připojení až 127 zařízení a je založena na topologii stupňovaných hvězdic.. Hostitel tvoří centrální jednotku každé sběrnice a zároveň je spolu s kořenovým rozbočovačem první vrstvou sběrnice. V každé sběrnici USB může být pouze jeden hostitel, který řídí přidělování přenosového média metodou výzvy (polling) v logickém kruhu, tj. všechna zařízení poslouchají na síti a pokud zachytí pověření (token) se svojí adresou, odpoví na něj. S použitým adresováním lze připojit až 127 nezávislých zařízení k jednomu hostiteli. Základem této topologie jsou rozbočovače, které mohou být umístěny v samotném počítači, v jakémkoliv jiném zařízení připojeném ke sběrnici, či mohou být tvořeny samostatnými zařízeními. Je nutné zdůraznit, že ačkoliv sběrnice umožňuje připojení 127 zařízení, všechna připojená zařízení sdílejí jedno přenosové pásmo o šířce 1,5 MB/s. To znamená, že každé přidané zařízení může vést ke zpomalení sběrnice. Lze však očekávat, že v praxi počet připojených zařízení nepřekročí 8. Pro připojení pomalejších zařízení, jakými jsou např. myši, klávesnice apod., má sběrnice USB vyhrazený subkanál o přenosové rychlosti 1,5 Mb/s. Data přenášená po sběrnici USB jsou kódována metodou NRZI (Non Return Zero Invert). Metoda je založena na tom, že jednotlivé bity (0 a l) jsou určeny dvojicí signálových vodičů D+ a D- s rozdílovým signálem (jsou reprezentovány opačnými a střídajícími se vysokými a nízkými úrovněmi napětí). Přitom mezi jednotlivými bity nenásleduje žádný návrat k nulovému napětí (nebo nějakému jinému referenčnímu napětí). U kódování NRZI je log1 přenášena bez jakékoliv změny napětí a log0 je představována změnou napětí. To znamená, že řetězec log1 nezpůsobí žádnou změnu napětí, zatímco při přenosu log0 bude napětí po každé přenesené log0 znovu změněno. Jedná se o poměrně efektivní způsob přenosu dat, neboť eliminuje potřebu přenášení dodatečného časovacího signálu.

Podle specifikace USB lze jednotlivá zařízení rozdělit do tří kategorií: rozbočovače (hub), koncová zařízení či kombinovaná zařízení. Rozbočovače umožňují připojení dalších zařízení ke sběrnici, zatímco koncová zařízení jsou ta zařízení, která se ke sběrnici připojí a v nichž je sběrnice ukončena (klávesnice, myš, fotoaparát apod.). Počáteční porty v počítači jsou počátkem celé sběrnice, a proto jsou nazývány kořenovým rozbočovačem (root hub). Na většině moderních základních desek naleznete 2 či 4 porty USB, z nichž každý může být připojen ke koncovému zařízení či dalšímu rozbočovači. Každý připojovací bod rozbočovače se nazývá portem. Běžný počet portů je 4 nebo 8, avšak existují i rozbočovače s více porty. Rozbočovač řídí jak připojení jednotlivých zařízení, tak také přívod napájení k těmto zařízením. Každý připojený rozbočovač má přidělenou jedinečnou adresu. Další výhodou sběrnice USB je snadná instalace zařízení, neboť žádné z připojovaných zařízení není nutné konfigurovat



str.: - 10 –

a celá sběrnice využívá pouze jediné přerušení. Jednotlivá zařízení mohou být také odpojována či připojována během chodu počítače. O něco později byla vyvinuta sběrnice USB 2.0, nabízející až 40násobné zvýšení přenosové rychlosti (480Mb/s tj. 60MB/s) . Přitom sběrnice využívá stejné kabely a konektory; pouze rozbočovače musí být navrženy pro tuto verzi. Samozřejmě je možné ke sběrnici připojit i rozbočovač USB 1.1; všechna zařízení připojená k tomuto rozbočovači však budou s počítačem komunikovat rychlostí pouze 1,5 MB/s. Přitom sběrnice umožňuje, aby se vzájemně propojená zařízení „domluvila" na přenosové rychlosti. Pokud některé ze vzájemně komunikujících zařízení nepodporuje vyšší přenosové rychlosti, budou tato dvě zařízení spolu komunikovat sníženou rychlostí, tj. 1,5 MB/s. Maximální stanovená délka kabelu mezi dvěma zařízeními je 5 metrů. Kabel: dva diferenciální datové vodiče (označené: D+ a D-) a dva napájecí vodiče. USB poskytuje stejnosměrné napájecí napětí 5V. Připojené zařízení může po sběrnici odebírat proud až 100 mA, v případě potřeby může zařízení požádat o větší proud, maximálně však o 500 mA. Rozhraní FireWire (i-Link) Standard IEEE 1394 (též i-Link či FireWire) vysokorychlostní sériovou sběrnici. Celý standard je odpovědí počítačového průmyslu na požadavky přenášení rostoucích objemů dat. Přenosová rychlost tohoto rozhraní je 400 Mb/s (přesnější označení: IEEE 1394a), přičemž je možné použít ještě rychlejší varianty. Název: i-Link začala pro toto rozhraní používat firma Sony, zatímco FireWire je termín, který si nechala patentovat firma Apple. V současné době definuje standard IEEE 1394 tři varianty sběrnice, odlišující se přenosovou rychlostí: 100 Mb/s, 200 Mb/s a 400 Mb/s. Nicméně ve vývoji je i sběrnice o rychlosti l Gb/s. Většina rozšiřujících karet pro počítače podporuje rychlost 200 Mb/s. K jediné kartě s rozhraním IEEE 1394 lze připojit až 63 uzlů sběrnice (zařízení) a to v jednom řetězci nebo větvením. Nejčastěji se tato sběrnice používá pro připojení digitálních videokamer. Zařízení pro USB i pro IEEE 1394 se připojují ve stromovité struktuře – kořenem je řadič v počítači, a místy, kde se sběrnice rozvětvuje, je speciální zařízení zvané rozbočovač (hub). Zařízení lze připojit za chodu. Významnější rozdíl mezi těmito rozhraními je ve způsobu komunikace mezi zařízeními – zatímco u USB musí vše probíhat přes řadič (který tak bude pořádně vytěžován), IEEE1394 dovoluje přímou komunikaci. Díky tomu budete moci tímto zařízením přímo spojit i dvě zařízení bez přítomnosti počítače (třeba skener s tiskárnou). U IEEE 1394 se začíná objevovat verze 1394b, která definuje maximální rychlosti 800 či l600 Mb/s, umožní připojovat zařízení do vzdálenosti až 100 m a celkově zvyšuje výkonnost sběrnice.

PCI Express ( náhrada sběrnic PCI i AGP) Sběrnice PCI Express (taky označení PCIe) se významně odlišuje od svých předchůdců, protože mění celkovou filozofii pohledu na sběrnice. Obvyklá představa sběrnic vycházela z propojení několika zařízení sdílející stejnou skupinu vodičů. Přenos po těchto sběrnicích probíhá paralelně a po sběrnici může probíhat pouze jedna transakce, a to jen jedním směrem. Naproti tomu sběrnice PCI Express je typu point-to-point a data se přenáší po paketech. Jedná se vlastně o obousměrnou sériovou sběrnici spojující vždy pouze dvě zařízení, čímž se zvyšuje propustnost sběrnice i samotného systému. Na PCI Express se přechází také kvůli zvýšení přenosové rychlosti, zkvalitnění datového přenosu, úspory místa na plošných spojích, zjednodušení návrhu plošných spojů, snížení elektromagnetického vyzařování a sjednocení přístupu ke sběrnicím pro všechna zařízení. Dále PCI Express podporuje technologii Hot Plug/ Hot Swap, která umožňuje odebírat komponenty za chodu počítače. PCI Express také zvyšuje napájení, jenž je schopno dodat sběrnice zařízení, které je na ní připojeno. A proto připojené zařízení (hlavně grafické karty) nebudou potřebovat další přídavné napájení. PCI Express používá pro přenos adres, dat i prakticky všech řídicích signálů dva páry vodičů; každý pár vodičů přitom provádí přenos v jednom směru s rychlostí 2,525 Gigabitů za sekundu (u verze 2 je to dvojnásobek). Všechny čtyři vodiče tvořící ony dva páry se nazývají lane (pruh, dráha). Důvod, proč se v každém směru používá dvojice vodičů a nikoli vodič jeden (jehož potenciál by se porovnával s jedinou „zemí“), spočívá v tom, že dva



str.: - 11 –

vodiče mohou tvořit uzavřenou proudovou smyčku, po které je možné data přenášet velmi vysokou rychlostí, aniž by docházelo k většímu vyzařování signálu do okolí (naproti tomu u klasických paralelních sběrnic fungují jednotlivé vodiče jako antény). Karty, které pro svoji funkci nevyžadují velké datové toky, mohou použít pouze jednu dráhu (lane), čímž je efektivně dosaženo přenosové rychlosti cca 250 MB/s v obou směrech (reálná přenosová rychlost bude o cca 5 procent nižší, protože je nutné přenášet i řídicí sekvence, opravné kódy atd). Jak se z hodnoty cca 2,5 Gb/s získala hodnota 250 MB/s, když byte obsahuje osm bitů? Při přenosu je použito kódování 8b/10b, tj. každých osm bitů surových dat je převedeno na deset bitů, přičemž je zajištěna maximální délka sekvence nul a jedniček – to je nutné pro synchronizaci přenosu na tak vysokých rychlostech, i když se tím přenosové pásmo sníží o 25%. U karet, které vyžadují větší datové toky (například se jedná o grafické akcelerátory), je možné použít několika drah současně zavedených do jednoho konektoru. Délka konektoru a počet jeho pinů se samozřejmě zvětšuje. Podle počtu drah se takové konektory a karty označují ×1 (jedna dráha), ×2 (dvě dráhy), ×4, ×8, ×12, ×16 až ×32.

Komunikace po PCI Express Možná nejzajímavější je na sběrnici PCI Express způsob komunikace jednotlivých karet a mikroprocesoru. Jak jsem se již zmínil v předchozích odstavcích, není u PCI Express použita klasická sběrnicová topologie, u které jednotlivé karty musí žádat o přístup na sběrnici a sdílet přenosové pásmo s ostatními zařízeními. Místo toho vedou od všech konektorů jednotlivé dráhy do přepínače (switch), který dokáže libovolné dvě dráhy propojit a vytvořit tak strukturu typu point-to-point. Na jednu stranu je sice nutné, aby byl na základní desce přítomen poměrně složitý přepínač, na stranu druhou však odpadá arbitrážní obvod (tento řídil přídavné karty, připojené na paralelní sběrnici a také nebyl zcela jednoduchý) a především: každá dráha může přenášet data maximální rychlostí (samozřejmě obousměrně, čehož se však nedá vždy zcela využít) a zařízení se tak nemusí dělit o jedno přenosové pásmo tak, jak tomu bylo například u sběrnice PCI. PCI Express Link PCI Express Link reprezentuje komunikační kanál mezi dvěma zařízeními (komponent A a B – viz obr.) sběrnice PCI Express. Základní PCI Express Link je sestaven ze dvou nízkonapěťových diferenciálních párů a to přijímacího a vysílacího komunikačního páru označovaného jako Lane. Činnost vysílače i přijímače je na sobě nezávislá a Link tvoří plně duplexní komunikační kanál.

Paket Komponent A

Komponent B Paket

Základní vlastnosti komunikačního kanálu Link: • Základní link se skládá ze dvou jednosměrných diferenciálních párů v každém směru, reprezentující přijímací a vysílací pár. Hodinový signál je kódovaný do datového toku, aby mohlo být dosaženo maximální přenosové rychlosti. Samostatně vedené hodiny a data na vysokých frekvencích jsou náchylné k fázovému posunu a jitteru. • Každý Link může pracovat s příslušnými signálovými úrovněmi pro které byl navržen. Přenosová rychlost dle současné specifikace dosahuje 2,5Gbitu/s na jeden Lane v jednom směru. Zvýšení pracovní frekvence se předpokládá v dalších verzích specifikace. • Každý Link musí podporovat alespoň jeden Lane. Pro zvýšení přenosové rychlosti je možné využít sdružování Lanes do Linků v povolené šířce. Obvykle se jedná o hodnoty x1, x2, x4, x8, x12, x16 a x32. Stejná šířka musí byt dodržena jak pro přijímací, tak vysílací část. • Během hardwarové inicializace Linku se vyjedná pracovní frekvence a počet Lanes sestavujících Link. (Obdoba vyjednávání pracovní frekvence sítí typu Ethernet). Původní označení sběrnice PCI Express bylo Third Generation I/O (3GIO). Třetí generace jednoduše proto, že následuje po ISA a PCI. Sběrnice používá napětí 0,8 V,běží na frekvenci 2,5 GHz a ve dvaatřicetibitovém módu dosahuje přenosové rychlosti až 8 GB/s jedním směrem. Každý slot sběrnice PCI Express je připojený k jižnímu



str.: - 12 –

můstku na základní desce. Výjimkou je slot, který slouží pro osazení grafickou kartou (obdoba dnešního AGP). Ten je propojený přímo se severním můstkem (potřeba přímého přístupu do paměti). Model fyzické vrstvy sběrnice PCI Express je podobný sítím typu peer-to-peer. Jistá podobnost architektury PCI Express je v dělení vrstev se síťovým modelem ISO-OSI. Architektura typu peer-to-peer umožňuje nezávislou komunikaci mezi jednotlivými zařízeními, kdy jedno zařízení nemusí čekat na uvolnění sběrnice při vzniku požadavku na komunikaci s jiným zařízením, jak tomu bylo u architektury PCI. Pochopitelně komunikace neprobíhá pouze jedním směrem, ale oběma - rozhraní je plně duplexní. Další významnou změnou je způsob přenosu signálu po vedení. Sběrnice PCI využívaly k přenosu jeden vodič s dvoustavovou modulací (logická úroveň 1 nebo 0) naproti tomu sběrnice PCI Express využívá dva vodiče v diferenciálním zapojení. Modulace vodičů je obvykle vícestavová - používají se obvody preemfáze sloužící k úpravě signálů na vedení. Tento typ víceurovňové modulace slouží ke korekci ztrát vznikajících na vedení při vysokých frekvencích (skinefekt, vyzařování). Sběrnici PCI Express v konkrétním počítači tedy můžeme vnímat jako soustavu několika nezávislých obousměrných propojení typu 1:1 které dokážou data přenášet tak, jako by tyto sběrnice byly široké např. 32 bitů. Díky tomu, že k přenosu dat stačí jenom pár pinů, není problém k řadiči (ty jsou typicky umístěné v Southbridge) připojit několik nezávislých "portů" PCI Express ( viz obrázek). V základní verzi máme k dispozici sběrnici o propustnosti 250MB/s v každém směru (PCI Express x1), což je prakticky dvojnásobná propustnost sběrnice PCI. Nesmíme také zapomenout, že v případě klasické sběrnice PCI je propustnost celé sběrnice sdílena veškerými připojenými periferiemi, zatímco PCI Express má celé pásmo pro sebe. Situace kdy jedno zařízení bude omezovat jiné by tedy neměla nastat. Nejčastěji používanými sloty mohou být x1, x4, x8 a x16:

Souhrn Využití sběrnice PCI Express přináší zvýšení propustnosti dat v oblasti počítačů PC, zmenšení rozměrů karet, zjednodušení návrhu plošných spojů a sjednocení různých platforem, jako jsou síťové karty, grafické karty a komponenty přenosných počítačů. Dále specifikace umožňuje připojovat zařízení pomocí kabelů, což vede k vysoké univerzálnosti standardu (nepředpokládá se nahrazení rozhraní SerialATA). Zvýšení pracovní frekvence sběrnice ze současných 2,5Gb/s (verze 1.1) na 5Gb/s (verze 2) a později na 10Gb/s povede k lineárnímu nárůstu výkonu s frekvencí. Nasazení sběrnice s vyšší frekvencí zatím brání relativně vysoká cena nových technologií pracujících na frekvencích do 10Gbitů/s, nedostatečná propustnost dat mezi hlavní pamětí a sběrnicí a v neposlední řadě je nutné ověřit, funkčnost a vlastnosti masového nasazení technologie PCI Express.



str.: - 13 –

Počet lanu v linku

x1

x2

x4

x8

x12

x16

x32

Počet vodičů pro jeden směr

2

4

8

16

24

32

64

Přenosová rychlost v Gb/s

2,5

5

10

20

30

40

80

Přenosová rychlost v MB/s

250

500

1000

2000

3000

4000

8000

Tabulka: Přehled přenosových rychlostí sběrnice PCI Express v závislosti na počtu lanu v linku

Rozhraní IDE Poznámka: obecně rozhraní je komunikační zařízení či protokol, umožňující vzájemnou komunikaci dvou zařízení. Rozhraní provádí takové úpravy signálu z jednoho zařízení, aby výsledná data přesně odpovídala požadavkům na vstup do druhého zařízení. Zkratka IDE (Integrated Drive Electronics) je poměrně obecná a může jí být označena kterákoliv mechanika s vestavěným řadičem. Rozhraní IDE se v té podobě, v jaké se dnes využívá, označuje správně ATA (AT Attachment) a je standardizováno. Písmena AT ve zkratce ATA jsou odvozena od původního IBM AT, u kterého byla poprvé použita l6bitová sběrnice ISA. To znamená, že zkratka ATA obecně označuje jakýkoliv pevný disk, který se připojuje přímo k nějaké verzi sběrnice počítače AT (neboli k l6bitové sběrnici ISA). První pevné disky s integrovanými řadiči se nazývaly hardcard; sestávaly z pevného disku, k němuž byla přímo přišroubována deska s řadičem sběrnice ISA a připojovaly se do systému jako jedna mechanika. V současnosti existuje mnoho různých druhů disků s integrovanými řadiči. Obvykle je u takového disku řadič pevně připojen k samotnému disku a tato kombinace disku a řadiče se pak připojuje ke konektoru sběrnice umístěnému na základní desce či na rozšiřující kartě. Toto pevné propojení disku s řadičem má několik výhod: nemusí se instalovat zvláštní vodiče pro signály a data, vedoucí z řadiče do disku; je snížen celkový počet součástí a vodiče pro jednotlivé signály jsou kratší a tedy odolnější vůči rušení. Díky integraci řadiče a disku je také možné zvýšení rychlosti převodu digitálního signálu na analogový a zvýšení kapacity disku. Samotný konektor IDE, nacházející se na základních deskách, je v podstatě jen ochuzenou verzí standardního konektoru sběrnice. Obvykle má tento konektor 40 vývodů z 98, které tvoří standardní konektor l6bitové sběrnice ISA. Existují však i menší, 2,5" mechaniky ATA, používající konektor se 44 vývody. Tyto konektory obsahují totiž další vývody pro vodiče napájení a konfigurace. Přitom ze standardního konektoru sběrnice ISA byly ponechány jen ty vývody, které jsou opravdu potřebné. Například primární řadič disku ATA používá jen přerušení IRQ 14; (sekundární: IRQ 15), proto součástí konektoru na základní desce jsou jen vývody pro přerušení 14. Vývody konektoru a jejich význam jsou stejné i v případě, že rozhraní ATA je připojeno k obvodu South Bridge čipové sady základní desky a pracuje na rychlosti sběrnice PCI. Poznámka: mnoho lidí, používajících systémy s konektory IDE přímo na základní desce se domnívá, že řadič pevného disku je vestavěn do základní desky. Ve skutečnosti je ale řadič součástí pevného disku. Ačkoliv jsou porty pro připojení ATA integrované na základní desce často označovány za řadiče, není tento termín zcela správný: ve skutečnosti by měly být nazývány hostitelskými adaptéry. Je také nutné zdůraznit, že pojmem IDE může být označena jakákoliv mechanika, u které je řadič vestavěn do mechaniky. Naopak pojmem ATA lze označit pouze některé typy mechanik s rozhraním IDE. Protože však v současné době jsou nejvíce využívány mechaniky ATA, oba pojmy se často zaměňují, a to i přesto, že z technického hlediska tato záměna není správná. Verze rozhraní IDE Byly vyvinuty a specifikovány různě rychlé a výkonné verze rozhraní ATA IDE, které se pak označují číslicí (např. ATA-2, ATA-3 apod.). Jinými označením pro tyto výkonnější varianty jsou EIDE (Enhanced IDE), Fast ATA, Ultra ATA či Ultra-DMA. Poznámka: z hlediska připojování pevných disků k systémům s 32bitovou sběrnicí PCI vzniká mnoho nedorozumění o tom, zda se jedná o 16 bitové či 32bitové připojení. Zde je vhodné připomenout, že samotná sběrnice PCI má šířku 32 bitů (v budoucnosti zřejmě 64 bitů) až do obvodu South Bridge čipové sady základní desky, jehož součástí je hostitelské rozhraní IDE. Avšak mezi samotným hostitelským rozhraním a mechanikou je sběrnice o šířce 16 bitů. Mohlo by se zdát, že takto úzké rozhraní by mohlo být kritickým místem systému. Ve skutečnosti tomu tak není proto, že jeden či dva pevné disky zdaleka nestačí zaplnit ani 16 bitový kanál. Standardy ATA Rozhraní ATA a jeho vývoj je dnes řízeno nezávislou skupinou představitelů významných výrobců PC, disků a dalších komponent. Standardy rozhraní ATA:


DMA přenosy typu Multi word DMA Doba Přenosová přeno cyklu (ns) rychlost (MB/s) s 0 480 4,2 1 150 13,3 2 120 16,6


standard ATA ATA-2 ATA-2

str.: - 14 –

DMA přenosy typu Ultra DMA Ultra DMA Doba Přenosová standard přenos cyklu (ns) rychlost (MB/s)

Mód 0 240 16,7 Ultra ATA Mód 2 120 33,3 Ultra ATA33 Mód 4 60 66,7 Ultra ATA66 Mód 5 40 100 Ultra ATA100 Mód 6 133 Ultra ATA133 Každá varianta tohoto rozhraní je navržena tak, aby byla zpětně kompatibilní. To znamená, že starší disky s rozhraním ATA-1 či ATA-2 musí být funkční i v systému, obsahujícím rozhraní standardu ATA-4 či ATA-5. Rozhraní ATA-1 Mezi základní charakteristiky specifikace rozhraní ATA-1 patří: · Konektory a vodiče se 40, resp. 44 vývody · Možnost konfigurovat pomocí propojek disk jako Master/Slave či možnost nastavit roli disku podle toho, ke kterému konektoru je připojen (Cable Select) · Časování signálů pro základní režimy PIO a DMA · Překlady parametrů disků CHS (Cylinder Head Sector) a LBA (Logical Block Address) Standard rozhraní ATA-1 mimo jiné definoval použití jednotlivých vodičů na konektoru se 40 vývody, časování a funkce signálů apod. V dalších částech proto naleznete popis některých základních součástí rozhraní ATA. Konektory rozhraní ATA Konektor rozhraní ATA má bud' 40 nebo 44 vývodů a jeho součástí jsou klíče zabraňující instalaci konektoru v nesprávné poloze. Funkci klíče plní vývod 20, který není využit a na obou konektorech (na zásuvce i na zástrčce) tedy chybí. Některé konektory mají navíc na horní straně tělesa plastový výstupek, zapadající do výřezu konektoru nacházejícího se v samotné mechanice. Poznámka: mnozí výrobci levnějších základních desek a vodičů však klíče na konektorech vůbec nevytvářeli. Díky tomu bylo možné konektor zasunout do mechaniky i v opačné poloze; naštěstí jediným důsledkem tohoto omylu je nefunkční disk. Náprava je velmi jednoduchá: stačí konektor instalovat do disku ve správné poloze. Z hlediska správné orientace konektoru vodiče vůči pevnému disku platí jednoduché pravidlo, které říká, že vývod 1 vodiče by měl být u konektoru napájení. Kabely rozhraní ATA K přenosu jednotlivých signálů mezi vlastní mechanikou a obvody na základní desce slouží speciální plochý kabel se 40 vodiči. Z důvodu ochrany proti případnému rušení a zajištění časování by délka tohoto kabelu neměla přesáhnout 0,46 m. Je nutné uvést, že na rušení, projevující se problémy při zápisu či čtení, jsou citlivé především novější a rychlejší varianty rozhraní ATA. V současné době existují dvě základní varianty tohoto kabelu: jedna má 40 vodičů a druhá má 80 vodičů. Obě varianty však využívají konektory s pouze 40 vývody. V případě kabelu s 80 vodiči to tedy znamená, že všechny přidané vodiče jsou propojeny se zemí a zajišťují dodatečnou ochranu proti rušení. Použití kabelu s 80 vodiči je nutné pro připojení mechanik s rozhraním standardu ATA-5 či vyšším. Konfigurace systémů se dvěma disky Standard ATA umožňuje provozovat v jednom systému dva disky, které jsou k rozhraní připojené za sebou. Primární (řídící) disk (disk 0) se nazývá Master, zatímco sekundární disk (disk 1) se nazývá Slave. Funkci určitého disku lze určit nastavením speciálních spojek na tělese disku (obvykle spojky MS a SP). Určení funkce disku u systému se dvěma disky: je-li v systému jediný disk, odpovídá řadič tohoto disku na všechny příkazy rozhraní; jsou-li v systému dva disky, oba disky přijímají všechny příkazy rozhraní, ale reagovat musí vždy pouze jeden z nich. Znamená to, že každý řadič pak musí být nastaven tak, aby věděl, kdy má reagovat na příkazy rozhraní. Proto musí být jeden řadič označen jako Master a druhý jako Slave. Příkazy rozhraní ATA Jednou ze základních a důležitých vlastností rozhraní ATA IDE je rozšířená sada příkazů. Rozhraní ATA IDE bylo navrženo podle původního řadiče WD1003, požívaného firmou IBM v původních počítačích AT. Znamená to, že všechny disky standartu ATA musí podporovat všech 8 příkazů tohoto řadiče. Kromě příkazů řadiče WD1003 jsou součástí specifikace ATA i další příkazy zvyšující výkon disku a vylepšující jeho vlastnosti. Rozhraní ATA / ATAPI-4 Roku 1998 bylo standardizováno rozhraní ATA-4, které se stalo další významnou modernizací rozhraní ATA. Součástí standardu se totiž stala i vlastnost Packet Command, která byla stěžejní součástí definice odděleného rozhraní ATAPI (AT Attachment Packet Interface). Díky tomu je možné k rozhraní ATA-4 připojovat mechaniky



str.: - 15 –

CD-ROM, disketové mechaniky typu LS-120, páskové mechaniky apod. Druhou významnou novinkou tohoto standardu se stala podpora přenosové rychlosti 33 MB/s. Níže následuje přehled všech podstatných změn tohoto rozhraní: · Podpora režimu Ultra-DMA, umožňujícího přenášet data rychlostí až 33 MB/s (režim je označován jako UDMA/33 či Ultra ATA/33) · Integrovaná podpora rozhraní ATAPI pro připojení disků CD-ROM · Podpora vylepšené správy napájení · Součástí standardu se stala definice volitelného kabelu s 80 vodiči a konektory se 40 vývody, zlepšujícího odolnost kabelu vůči rušení · Podpora karet standardu Compact Flash Kromě zvýšení přenosové rychlosti přináší režim UDMA/33 i snížení zatížení procesoru, což vede k dalšímu zvýšení výkonu systému. Rozhraní ATA / ATAPI-5 Tato verze rozhraní ATA přinesla další novinky, mezi které patří: · Podpora režimu Ultra-DMA umožňujícího přenášet data rychlostí až 66 MB/s (režim je označován jako UDMA/66 či Ultra ATA/66) · Kabel s 80 vodiči se stal podmínkou pro režim UDMA/66 · Přidána automatická detekce kabelu se 40 či 80 vodiči · Režimy UDMA, které jsou rychlejší než UDMA/33, jsou umožněny jen v případě, že mechanika je do systému připojena kabelem s 80 vodiči Přenosová rychlost rozhraní ATA-5 byla oproti ATA-4 zdvojnásobena díky zkrácení časů pro nastavení a zvýšení rychlosti rozhraní. Jak již bylo řečeno, kabel obsahuje navíc 40 vodičů pro uzemňující signál, čímž se zvyšuje ochrana jednotlivých signálů proti rušení. Tento kabel je však možné použít i se staršími zařízeními nepodporujícími režimy UDMA. Současně se u tohoto kabelu stala standardem podpora signálu Cable Select a byla také normalizována barva jednotlivých konektorů. Modrý konektor by měl být připojován k hostitelskému rozhraní, tj. k základní desce. Černý konektor, umístěný na opačném konci kabelu, je určen pro řídící mechaniku (master) a šedý konektor by měl být využit pro sekundární mechaniku (slave). Chcete-li ve svém systému využívat jeden z režimů UDMA, musí být vybraný režim podporován samotným rozhraním ATA, pevným diskem, BIOSem počítače, kabelem i operačním systémem (ten musí podporovat práci s kanály DMA). Platí, že podpora těchto režimů je standardní součástí systémů Windows (od verze: Windows 95 OSR2). V případě starších verzí systémů Windows 95 či Windows NT (až do Service Pack 3) musí být do systému nainstalovány aktualizované či nové ovladače. Omezení kapacity disků Jednou z nevýhod rozhraní ATA je omezení maximální kapacity disku na 136,9 GB. V závislosti na použitém BIOSu se tato maximální velikost disku může ještě snížit na 8,4 GB či dokonce jen na 528 MB. Tyto hodnoty jsou dány kombinací omezení daných rozhraním ATA a BIOSem. Jednotlivá omezení jsou podrobněji vysvětlena níže. Ovladač pevných disků, který je součástí BIOSu, se volá pomocí softwarového přerušení INT13 a nabízí funkce pro čtení a zápis dat na úrovni sektorů. Podmínkou při volání tohoto přerušení však je, že adresa daného sektoru bude sestávat z čísla cylindru, hlavy a sektoru. Tomuto způsobu adresování se říká CHS (Cylinder-Head-Sector) a byl vyvinut firmou IBM jako součást BIOSu původního PC XT. Přitom k určení jednotlivých částí adresy sektoru se používají binární čísla, jejichž velikost je omezená. Nevýhodou disků s rozhraním ATA byla jejich omezení daná samotným rozhraním a BIOSem. Rozhraní ATA je schopné adresovat disky o maximální velikosti 528 MB a BIOS – po zajištění překladu parametrů – disky o velikosti 8,4 GB. Možnost adresovat disky nad 8,4 GB zajistil od r.1998 EDD BIOS (Enhanced Disk Drive BIOS), který je založen na adresování sektorů čistě pomocí adres LBA (Logical Block Adress - lineární způsob číslování sektorů, začínající číslem 0) - bez použití jakýchkoliv překladů. Je nutné zdůraznit, že přímé adresování sektorů pomocí LBA je podporováno pouze novějšími operačními systémy.

Sběrnice SERIAL ATA (náhrada Ultra ATA) U rozhraní pevných disků nedochází k nárůstu výkonu příliš často. Zde totiž nemůžete neustále zvyšovat počet otáček. Z konstrukčních hledisek je stanovena maximální rychlost otáček kolem 15 000 za minutu, a ta už patrně nejde překonat z fyzikálních a mechanických důvodů. Rychlost na obvodu plotny disku se totiž blíží rychlosti zvuku a namáhání ložiska je tak vysoké, že se disky velmi rychle dostávají na hranici životnosti. Vždyť těm nejrychlejším se plotna otočí 260 x za sekundu!



str.: - 16 –

V trendu je zvyšování kapacit disků. Logicky dochází k tomu, že se na stejné ploše nachází více dat a přístupová doba čtení či zápisu těchto nahuštěných dat je kratší. Stejně tak se urychlují přenosové protokoly. Cílem totiž je, aby se při ideálních podmínkách dalo přenést co největší množství dat za co nejkratší dobu z disku do paměti. Důvodem je koncepce přenosového protokolu rozhraní IDE, kde celou činnost transportu dat z pevného disku po kabelech do paměti a z ní na místo určení musí řídit procesor. Je jasné, že pokud použijete rychlejší protokol k přenosu dat, bude se procesor zatěžovat řízením toku podstatně kratší dobu než při použití starého a pomalého přenosového protokolu. V současnosti používané rozhraní pro přenos dat Ultra ATA/100 opět začíná být v některých situacích pomalé, a tak tu máme odpověď od firmy Maxtor v podobě nového protokolu Ultra ATA/133. Frekvenci, s jakou se přenášejí data po paralelní sběrnici, však zejména kvůli přeslechům nelze zvyšovat do nekonečna. Ke slovu se dostává nový koncept, který uvažuje se zrychlením i do budoucna. Dostal pojmenování Serial ATA a data přenáší na rozdíl od starší technologie sériově přenosovou rychlostí 150 MB/s a to díky mnohem vyšším pracovním frekvencím. Další generace budou zvedat propustnost 2x a 4x. Jedna ze zajímavých vlastností nového rozhraní je, že je možno disk za chodu připojit a odpojit. Pokud porovnáme fyzické provedení současného paralelního ATA a nového Serial ATA uvidíme na první pohled patrnou rozdílnou koncepci. Klasické ploché kabely umožňují připojit za pomoci 40 žilových IDE kabelů dvě zařízení, z nichž každé však musí mít napájení zvlášť. Serial ATA potřebuje k připojení jediného zařízení jeden vodič o sedmi pinech. Tři z nich jsou vyhrazeny pro napájení a čtyři jsou určeny pro sériový datový přenos. Jeden kabel Serial ATA je vyhrazen jen pro jedno zařízení. Už žádné Master nebo Slavě, či v případě 80 žilových kabelů (používaných od Ultra ATA 66) Cable Select. Serial ATA kabely nejsou omezeny ani délkou půl metru jako ploché 80 žilové kabely a v průřezu budou jen o něco větší než třeba telefonní dvojlinka. Zatím je připravena možnost připojit k jedné základní desce až šest zařízení. Žádný disk se nebude muset dělit o přenosovou kapacitu s dalším diskem a také instalace s manipulací budou jednodušší. Ve skříních už nebudou chumáče plochých kabelů bránící v proudění vzduchu, takže by mělo docházet k lepšímu chlazení. Mezi další nezanedbatelné výhody patří dle prohlášení konsorcia výrobních firem i nižší ceny, a to jak čipových sad a řadičů, tak zařízení ukládajících data. Důležitá bude rovněž unifikace, protože u všech provedení disků (tedy pro stolní počítače i přenosná zařízení) se počítá s jedním konektorem. U mobilních zřízení je díky nízkému napětí výhodná také úspora elektrické energie. Zajištěná je i zpětná kompatibilita se současným IDE pomocí hardwarového adaptéru, jímž lze převádět data z paralelního ATA na sériové ATA a opačně. Jelikož pod vývojem Serial ATA jsou podepsáni prakticky všichni výrobci pevných disků, lze očekávat, že se toto rozhraní prosadí do všech počítačů. Zpočátku je samozřejmě nutno počítat s přechodným obdobím, kdy budou na základní desce jak starší řadič Ultra ATA, tak novější Serial ATA, případně bude potřeba používat adaptéry.

Rozhraní SCSI Označení rozhraní SCSI (vyslovuje se skazi) je zkratkou slov Small Computer System Interface a označuje obecné rozhraní, používané k připojování mnohých zařízení k PC. Toto rozhraní se velmi často využívá především pro připojování rychlých disků k výkonným pracovním stanicím a serverům. Principiálně je jediná sběrnice SCSI schopna podporovat až 8 či 16 fyzických zařízení, z nichž každému je přiděleno tzv. SCSI ID. Protože ale jedno ID je přiděleno samotnému řadiči, lze ve skutečnosti připojit jen uvedených 7 až 15 zařízení. Rozhraní SCSI, které se většinou používá v profesionálních pracovních stanicích či serverech. Toto rozhraní je opravdu vynikající, protože na rozdíl od klasického IDE rozhraní nemusí transport dat řídit procesor. Řadič tuto činnost vykonává bez toho, že by při přesunu dat z jednoho disku na druhý musel používat paměť. Od CPU dostane příkaz, co a kam má přesunout, a až to vykoná, ohlásí CPU, že je hotovo. Bohužel i tento protokol má svá omezení a především je poměrně finančně nákladný. To se týká nejen řadičů, ale především samotných pevných disků. Řadič SCSI, nazývaný hostitelským adaptérem, vykonává vlastně funkci brány mezi sběrnicí SCSI a systémovou sběrnicí PC. Každé zařízení na sběrnici má svůj vlastní vestavěný řadič. Sběrnice SCSI pak nekomunikuje přímo se samotnými zařízeními, ale s řadiči těchto zařízení. (Pozn.: obecně adaptér je deska s obvody, tvořící rozhraní mezi samotným počítačem a zařízením, připojeným k počítači – je to vlastně počítačová karta. Termínem adaptér však může být označen i speciální konektor či kabel s konektory, umožňující změnu jednoho typu konektoru na druhý).



str.: - 17 –

Při nákupu zařízení SCSI většinou koupíte samotné zařízení s řadičem a adaptérem v jednom obvodu; takové zařízení se pak nazývá integrované SCSI zařízení, neboť je lze připojit přímo ke sběrnici SCSI. Z technického hlediska se však pevné disky SCSI značně podobají diskům IDE jediným rozdílem je přidání obvodů adaptérů sběrnice SCSI (tyto obvody jsou však součástí jediného čipu) na desku řadiče. Přitom se nemusíte vůbec zajímat o to, jaký řadič daný SCSI disk využívá, protože systém komunikuje s diskem přes hostitelský adaptér nainstalovaný do počítače. To znamená, že systém komunikuje s diskem pomocí SCSI protokolů. Většímu rozšíření rozhraní SCSI u počítačů PC z počátku bránila absence potřebného standardu. Postupně se však díky své spolehlivosti a výkonnosti toto rozhraní prosadilo především u dražších a výkonných počítačů. V oblasti levnějších počítačů se výrazným konkurentem SCSI stala sběrnice USB. Z důvodu chybějícího softwarového standardu není podpora SCSI součástí BIOSů základních desek počítačů. Namísto toho je tato podpora vestavěna do ROM BIOSů samotných hostitelských adaptérů. Standardy SCSI Samotné standardy rozhraní SCSI definují fyzické a elektrické parametry paralelní vstupně/výstupní sběrnice, použité k připojení všech zařízení a počítače do jednoho řetězce. Vůbec první standard SCSI byl schválen roku 1986, o osm let později následoval standard SCSI-2 a první část definice SCSI-3 byla zveřejněna v roce 1995. Jedním z problémů původního standardu SCSI-1 bylo to, že mnohé příkazy byly definovány jako volitelné. Nebylo tedy možné se spolehnout na to, že určité zařízení bude tyto příkazy podporovat. Proto se výrobci zařízení SCSI dohodli na sadě standardních příkazů (Common Command Set- CCS), jejichž podpora byla vyžadována. Tato sada příkazů se pak stala základem standardu SCSI-2. Další novinkou SCSI-2 byla podpora podstatně více typů zařízení (např. mechanik CD-ROM, páskových mechanik, vyjímatelných zařízení apod.). Současně byly definovány i rychlejší varianty, z nichž jedna se nazývala Fast SCSI-2 (8bitová), a druhá Wide SCSI 2 (l6 bitová). Standard SCSI-2 také zavedl podporu řazení příkazů do fronty, což znamená, že zařízení je schopno přijmout několik různých příkazů současně, uložit je do fronty a následně je vykonat v tom pořadí, které je z hlediska zařízení optimální. Samotný standard SCSI-3 sestává z několika dalších specifikací či "podstandardů". Jedním z nich je i SPI (SCSI Parallel Interface), definující paralelní propojování SCSI zařízení. SCSI-3 Pojmem SCSI-3 se označuje sada standardů, jejichž vývoj začal ve druhé polovině 90. let a pokračuje až do dnešní doby. Na rozdíl od standardů SCSI-1 a SCSI-2 není SCSI-3 tvořeno jediným dokumentem, popisujícím všechny vrstvy; jedná se o sadu dokumentů specifikujících sady příkazů, elektrická rozhraní a protokoly. Mezi sady příkazů patří např. příkazy rozhraní pevného disku, příkazy pro páskové mechaniky, příkazy pro řadiče diskových polí typu RAID (Redundant Array of Inexpensive Drives) apod. Součástí specifikace je i definice modelu architektury SCSI, určujícího fyzická a elektr. rozhraní. Další významnou součástí specifikace SCSI-3 je SPI (SCSI Parallel Interface). Každý dokument tvořící součást standardu je nyní vydáván nezávisle a má vlastní číslování změn - v současnosti existují již tři varianty SPI. Z důvodu širokého významu standardu SCSI-3 se obvykle nemluví o SCSI-3 jako celku, ale pouze o určité jeho části (např. o SPI 3, což je Ultra 3 SCSI). Terminátory Protože sběrnice SCSI přenáší el. signály s poměrně vysokou rychlostí, může být kvalita přenosu ovlivněna el. odrazy vznikajícími na sběrnici. Pravděpodobnost vzniku těchto odrazů či jiných druhů rušení mají snížit zařízení připojená ke každému konci sběrnice a sloužící k ukončení sběrnice. Obvykle se tato zařízení nazývají terminátory. Přehled jednotlivých typů SCSI: Rodina

Druh SCSI

SCSI-1 SCSI-2 SCSI-2 SCSI-3 SCSI-3 SCSI-3 SCSI-3 SCSI-3 SCSI-3

SCSI-1 Fast SCSI Wide SCSI Ultra SCSI Wide Ultra SCSI Ultra2 SCSI Wide Ultra2 SCSI Ultra3 SCSI Wide Ultra3 SCSI

Datová šířka (bit) 8 8 16 8 16 8 16 8 16

Max. rychlost (MB/s) 4 10 20 20 40 40 80 80 160

Frekvence (MHz) 5 10 10 20 20 40 40 40 40

Počet zařízení 7 7 15 7 15 7 15 7 15

Max. délka kabelu (m) 6 3 3 1,5 1,5 12 12 12 12



Typy patic pro procesor na základní desce: Patice

str.: - 18 –

Procesor

Socket 370

Intel Celeron, Mobile Intel Celeron, Intel Pentium III, Via Cyrix III, Via C3

Socket 423

Intel Pentium 4

Socket 462 Socket 478

AMD Athlon, AMD Athlon MP, Athlon XP, AMD Duron, AMD Athlon XP-M, DTR AMD Athlon XP-M, Standard Mobile AMD Duron Intel Celeron

Socket 603

Intel Xeon, Intel Xeon MP

Socket 604

Low Voltage Intel Xeon

Socket 775

Intel „Tejas“

Porty na základní desce vytvářené obvodem SUPER I/O Sériové porty Asynchronní sériové rozhraní bylo navrženo jako port pro komunikaci mezi dvěma zařízeními. Asynchronní znamená, že neexistuje synchronizace nebo hodinový signál, takže jednotlivé znaky se posílají s libovolným časováním. Každý znak, poslaný přes sériové rozhraní, je definován standardním signálem počátku a konce. Znakem počátku je tzv. start bit, mající hodnotu 0, a znakem konce jsou jeden či dva stop bity. Po každém start bitu tedy následuje dalších 8 bitů (l bajt), tvořících vlastní přenášená data. Přijímající zařízení pak jednotlivé znaky rozpoznává právě podle signálů počátku a konce. To znamená, že celé rozhraní je orientováno znakově. Pojem sériový znamená, že data jsou posílána po jednom vodiči, kde každý bit je seřazen v sérii bitů, které se posílají. Tento typ komunikace se používá v telefonních systémech, protože tyto systémy poskytují pro každý směr přenosu dat jeden vodič. Sériové Popis Označení Vývod 9 pin Detekce nosné (Carrier Detect) CD 1 porty počítače obvykle najdete na Příjem dat (Receive Data) RD 2 jednom z multifunkčních adaptérů Vysílání dat (Transmit Data) TD 3 nebo na kartách, obsahujících Připravenost koncového zařízení (Data Terminal Ready) DTR 4 Signálová zem (Signal Ground) SG 5 alespoň paralelní port. Data připravena (Data Set Ready) DSR 6 Součástí základní desky Požadavek na vysílání (Request to Send) RTS 7 moderních počítačů je vestavěný Připravenost k příjmu (Clear to Send) CTS 8 Indikátor vyzvánění (Ring Indicator) RI 9 čip Super I/O, vytvářející jedno (či dvě sériová rozhraní). To znamená, že u těchto počítačů nejsou nutné žádné rozšiřující adaptéry. Nezapomeňte, že součástí interních modemů je také vestavěné sériové rozhraní, vytvářené obvody modemu. V tabulce níže vidíte popis jednotlivých vývodů sériového portu typu s 9 vývody. K sériovým portům lze připojit různá zařízení jako např. modemy, plottery, tiskárny, další počítače, čtečky čárových kódů či obvody pro řízení dalších zařízení. Sériová komunikace je definována standardem Reference Standard 232 revize C (RS-232C). Z tohoto důvodu se někdy o sériových portech hovoří jako o portech RS-232. Doporučená délka sériového kabelu je 16,7 m. Tabulka: propojení a popis vodičů u kabelu majícího na jednom konci konektor s 9 vývody a na druhém konektor s 25 vývody.

Čipy UART Základem každého sériového portu je čip UART (Universal Asyncbronous Receiver/Transmitter). Tento čip zajišťuje proces rozdělení původně paralelních dat na sériová a v případě příjmu jejich zpětnou konverzi ze



str.: - 19 –

sériových na paralelní.Původní počítače PC a XT používaly UART 8250. V l6bitových počítačích PC se začal používat UART 16450. Jediným rozdílem mezi těmito čipy je jejich vhodnost pro rychlou komunikaci. UART 16550 byl první sériový čip použitý v počítačích řady PS/2. Velmi rychle jej převzaly i ostatní počítače s procesory 80386 či vyššími. Čip funguje stejně jako předcházející 8250 či 16450, avšak obsahuje l6 bajtový zásobník, zvyšující rychlost komunikace. Často se setkáte s pojmem zásobník FIFO (first in / first out). U soudobých počítačů je čip UART součástí čipu Super I/O.

Čip 16650, 16750 Někteří výrobci začali také vyrábět čipy UART s ještě většími zásobníky. Tyto čipy jsou obvykle označovány 16650 (zásobník o velikosti 32 bajty) či 16750 (zásobník o velikosti 64 bajty). Maximální přenosová rychlost takových čipů pak je 230 kb/s, resp. 460 kb/s. Použití těchto čipů je tedy výhodné zejména v případě požadavku na rychlé komunikace (např. linky ISDN). Vysokorychlostní sériové porty (ESP a Super ESP) Porty standardů ESP (Enhanced Serial Ports) a Super ESP umožňují modemu o rychlosti 28800 b/s komunikaci s počítačem rychlostí až 921600 b/s. Vyšší rychlost těchto portů je dosažena díky zvětšení velikosti zásobníku. Popisované porty jsou obvykle založeny na čipech UART 16550, 16650 či 16750 a některé z nich mají dokonce další přídavnou paměť na adaptéru. Běžná rychlost portu s těmito čipy je 230 či 460 kb/s, což je výhodné zejména v případě připojování počítače k vysokorychlostnímu externímu zařízení, jakým je např. koncový adaptér linky ISDN. Pro účely připojení více zařízení k počítači pomocí sériových portů byly vyvinuty víceportové komunikační karty, vybavené až 32 porty. Konfigurace sériových portů: Jakmile sériový port přijme nějaký znak, musí jej předat systému. K tomu je však nutné, aby se systém dozvěděl o datech, přijatých tímto portem. Proto port po příjmu dat odesílá do systému požadavek přerušení IRQ. Zpracováním těchto požadavků se pak zabývá čip 8259, nazývaný řadič požadavků přerušení. Po instalaci sériového portu do počítače je nutné tomuto portu přiřadit nějakou specifickou vstupně/výstupní adresu a vyhrazené přerušení. Přitom je nejlepší využít standardní hodnoty uvedené v tabulce: Je nutné zdůraznit, že výrobci BIOSů základních desek Port Vstup/Výstup adresa Přerušení IRQ COM1 3F8-3FFh IRQ4 nikdy do svých výrobků nezahrnuli podporu pro porty COM2 2F8-2FFh IRQ3 COM3 a COM4. To je také důvodem, proč operační systémy řady DOS nemohou pracovat s porty COM3 a vyššími: operační systém si totiž načítá informace o vstupně/výstupních rozhraních z BIOSu. U operačních systémů Windows 9x/Me a Windows NT/2000 však použití více portů nečiní žádné problémy, neboť všechny uvedené systémy podporují až 128 portů. Výhodou použití víceportových karet je také to, že tyto karty používají pouze jeden slot a jedno přerušení.

Paralelní porty Název paralelní vychází z toho, že paralelní porty mají 8 vývodů pro současné vysílání jednotlivých bitů, tvořících l bajt. Paralelní porty jsou většinou využívány pro připojování tiskáren k počítači. Ačkoliv původně toto bylo jejich jediné předpokládané využití, v průběhu let byla vyvinuta mnohá další zařízení, která lze k počítači připojit přes paralelní port. Původní paralelní porty byly jednosměrné, sloužily pouze k vysílání dat. Později byly vyvinuty modemové paralelní porty, které lze použít jak k vysílání, tak i k příjmu dat. Díky tomu lze paralelní porty použít i k vzájemnému propojení dvou počítačů. Jedinou nevýhodou paralelních portů je to, že použití paralelních kabelů o větší délce vyžaduje zesilovače signálu. Bez zesilovače se totiž v přenášených datech začnou objevovat chyby.

Paralelní porty standardu IEEE-1284 Standard IEEE-1284 definuje paralelní port podporující několik režimů činnosti; podpora všech režimů však není vyžadována. Současně tento standard umožňuje vývoj dalších režimů. Hlavním cílem IEEE-1284 je standardizace komunikace mezi počítačem a připojeným zařízením, zejména tiskárnou. Přitom popisovaný standard lze



str.: - 20 –

považovat především za hardwarový standard: nezabývá se totiž komunikací softwaru s paralelním portem. Standard IEEE-1284 umožňuje podstatné zvýšení přenosové rychlosti mezi počítačem a připojeným zařízením, neboť se předpokládá, že ke komunikaci nebudou využívány standardní paralelní kabely, ale kabely založené na principu kroucené dvoulinky. Výsledkem je podstatné zvýšení spolehlivosti a snížení chybovosti komunikace. Další součástí uvedeného standardu je definice konektorů pro paralelní porty. Typ A odpovídá konektoru DB25 (25 vývodů), který naleznete na zadní straně většiny počítačů; typ B je běžný Centronics port (36 vývodů), nacházející se na tiskárně; a konečně typ C (36 vývodů) je novější typ konektoru, používaný na některých typech tiskáren (zejména firmy Hewlett-Packard). Z hlediska komunikace standard IEEE-1284 definuje celkem pět různých režimů, přičemž důraz je kladen na režimy EPP (Enhanced Parallel Port) a ECP (Enhanced Capabilities Port), které umožňují obousměrný přenos dat s přenosovou rychlostí (500 kB/s - 2 MB/s). Standardní paralelní porty (SPP): Jedná se o původní paralelní porty, určené pouze k vysílání dat. Protože se však na trhu objevila zařízení vyžadující i příjem dat (např. postscriptové tiskárny), byl port upraven tak, aby mohl data i přijímat. Výsledkem byl port umožňující 8bitové vysílání dat a 4bitový příjem dat. U moderních PC však tyto porty již nenaleznete. Paralelní porty typu EPP: Jedná se o poměrně nový standard vyvinutý firmami Intel, Xircom a Zenith Data Systems a označovaný někdy jako rychlý paralelní port. Lze říci, že všechny soudobé počítače, u nichž je paralelní port vytvářen obvodem Super I/O, podporují port typu EPP. Hlavním cílem při návrhu tohoto typu portu bylo zvýšení přenosové rychlosti, které by umožnilo připojovat přes paralelní port taková zařízení, jako jsou páskové mechaniky, síťové adaptéry či přenosné pevné disky. Problémem je to, že byly publikovány celkem dvě verze specifikace portu EPP. verze 1.7 (původní) a verze 1.9 (součást IEEE-1284). Protože mezi těmito dvěma verzemi existují menší rozdíly, je možné se setkat se zařízeními vybavenými pouze portem EPP verze 1.7. Taková zařízení však nemusí po připojení k počítači s portem EPP verze 1.9 pracovat zcela správně. Z tohoto důvodu najdete v programu Setup některých počítačů i možnost nastavení verze portu EPP. Paralelní porty typu ECP: Dalším typem paralelního portu je ECP. Stejně jako EPP i ECP nabízí výrazné zvýšení přenosové rychlosti portu. V podstatě od počátku byl port ECP zahrnut do standardu IEEE-1284. Hlavním cílem při vývoji ECP však nebyla podpora přenosných zařízení připojovaných k paralelnímu portu; port byl navržen proto, aby umožnil komunikaci s vysoce výkonnými tiskárnami a skenery s velmi vysokým rozlišením. Kromě toho port ECP je založen na využívání jednoho z kanálů přímého přístupu do paměti - DMA kanál (což ale někdy může vést ke vzniku konfliktů při využívání systém. zdrojů). Většina soudobých počítačů je vybavena obvodem Super I/O schopným vytvářet jak porty typu EPP, tak i ECP, přičemž konkrétní typ je možné si vybrat v programu Setup systémového BIOSu. Platí však, že nejvyšší přenosovou rychlost vám zajistí porty ECP. Pro konfiguraci paralelního portu LPT1 platí: Vstupně/výstupní adresa: 3BC-3BFh a přerušení IRQ: IRQ7

Rozhraní ukazovacího zařízení – připojení myši k PC: Typ konektoru, který naleznete na konci kabelu sloužícího pro připojení myši k počítači, závisí na rozhraní konkrétního ukazovacího zařízení. Pro připojení myši se využívají čtyři základní rozhraní, přičemž páté je kombinací dvou uvedených rozhraní: • Sériové rozhraní • Port na základní desce vyhrazený pro připojení myši • Rozhraní USB Sériové rozhraní: Toto rozhraní se využívalo především u starších počítačů. Na konci kabelu, vedoucího od myši, byl buď konektor s 9 nebo 25 vývody. Přitom pro vlastní komunikaci se využívalo pouze velmi malé množství vývodů. Myš s tímto



str.: - 21 –

rozhraním může být připojena jak do portu COM1, tak do portu COM2. Ovladač myši totiž při své inicializaci kontroluje sériové porty a snaží se zjistit, ke kterému z nich je myš skutečně připojena. Protože se tato myš nepřipojuje přímo k počítači, nevyužívá žádné systémové zdroje: ke komunikaci se systémem totiž využívá standardní zdroje příslušného portu. Rozhraní, tvořené portem na základní desce: Většina nových počítačů obsahuje základní desku s vestavěným portem pro připojení myši. Tento způsob připojení myši zavedla firma IBM u svých počítačů řady PS/2 roku 1987; proto se rozhraní mnohdy označuje jako rozhraní PS/2. Z hardwarového hlediska je konektor potřebný pro připojení k tomuto portu shodný s mini-DIN konektorem klávesnice (v současnosti se u výrobců ustálilo i barevné značení na základních deskách typu ATX – pro myš zelený konektor a pro klávesnici fialový konektor) Ve skutečnosti je port pro připojení myši také propojen s řadičem klávesnice 8042, tvořícím součást základní desky či vestavěným přímo do čipové sady. Připojení myši k vestavěnému portu je pravděpodobně nejvýhodnějším způsobem připojení myši: nevyužívá se žádné systémové rozhraní, žádný slot a činnost samotného ukazovacího zařízení není ovlivněna rychlostí sériového portu. Standardními systémovými zdroji pro port vestavěný na desce jsou přerušení IRQ12 a vstupně/výstupní adresy 60h a 64h.

Funkce a činnost zdroje napájení Zdroj napájení je jednou z důležitých částí PC. Je třeba se zabývat důležitějšími parametry zdroje, jakými jsou stabilita výstupního napětí či schopnost odfiltrovat různá přepětí apod. Základní funkcí zdroje je převod vstupního napětí a proudu na ty hodnoty, které mohou být využity k napájení počítačových obvodů. Zdroj napájení běžného stolního počítače je navržen tak, aby pře váděl střídavý proud o napětí 220 V a frekvenci 50 Hz na stejnosměrná napětí +3,3 V, +5 V a +12 V. Napětí +3,3 a +5 V jsou obvykle využívána pro napájení samotných obvodů a adaptérů, zatímco napětí +12 V se využívá pro napájení různých pohonů a motorů. Jedním ze základních předpokladů úspěšného chodu počítače je stabilita výstupních napětí zdroje napájení.

Pokud se podíváte na technické parametry zdrojů napájení, zjistíte, že mnohé z nich (zejména starší typy) produkují také napětí –5 V a – 12 V. Tato napětí však nejsou k ničemu využívána; zdroje napájení je produkují jenom kvůli zpětné kompatibilitě. Dříve bylo napětí –12 V využíváno některými komunikačními obvody a napětí –5 V bylo používáno staršími řadiči



str.: - 22 –

disketových mechanik. Obě napětí však v současnosti nejsou vůbec využívána. Novější typy zdrojů (např. SFX) na svých výstupech vůbec napětí –5 V nemají. Jediným důvodem, proč se tato napětí ještě někdy vyskytují, je to, že jsou součástí standardu sběrnice ISA. Z těchto důvodů je napětí –5 V základní deskou pouze přesměrováno na vývod B5 sběrnice ISA. U systémů se sběrnicí PCI pak toto napětí není potřebné vůbec. Základní funkcí pro napětí +12 V je pohon motorů disku a jiných mechanik. Obvykle lze tento obvod zatížit i poměrně velkým proudem, a to zejména u počítačů, u nichž se předpokládá využití v roli serverů, tj. předpokládá se vyšší počet pevných disků. Kromě toho se napětí +12 V používá pro pohon všech větráků, které mají odběr okolo 100 mA. Přenosné počítače však bývají vybaveny větráky, vyžadujícími napětí jen +3,3 V či +5 V.

Signály zdroje napájení: Kromě toho, že zdroj napájení produkuje napětí potřebná pro pohon různých komponent, zajišťuje také to, že systém se nerozběhne dříve, než na výstupech zdroje bude takové napětí, které bude postačovat pro pohon počítače. Jinými slovy řečeno, úkolem zdroje je zabránit spuštění počítače ve chvíli, kdy není k dispozici dostatečný výkon. Ještě před spuštěním systému zdroj napájení provede interní testy. Pokud v jejich průběhu zjistí, že výkon je dostatečný, pošle na základní desku signál Power_Good. Není-li tento signál zajištěn, počítač se nespustí. To ale také znamená, že pokud začne vstupní napětí zdroje nějak kolísat a zdroj začne být přetížený či přehřály, signál Power_Good je zrušen a počítač se resetuje nebo dokonce úplně vypne. Novější systémy se základními deskami typu ATX, micro-ATX či NLX využívají další speciální signál zdroje napájení. Tento signál, nazývaný PS_ON, může být využit k softwarovému vypnutí a zapnutí počítače. Využití tohoto signálu se projevuje zejména u počítačů s operačními systémy řady Windows 9x/Me či Windows 2000, podporujícími specifikace APM (Advanced Power Management) či ACPI {Advanced Configuration and Power Interface). Pokud u takových počítačů zvolíte příkaz Vypnout v nabídce Start, systém Windows zajistí úplné vypnutí počítače - nejen ukončení chodu operačního systému. Počítač, který uvedené vlastnosti nepodporuje, pouze zobrazí hlášení, které říká, že je možné vypnout počítač. Použití signálu PS_ON však závisí na dalším vývodu, nazvaném 5V_Standby (5VSB). Tímto vývodem je na základní desku přiváděno malé napětí i v době, kdy je počítač vypnut. Je tak zajištěno napájení těch obvodů, které jsou potřebné ke spuštění počítače např. na základě signálu ze sítě (v BIOSu počítače volba Wake on LAN), modemu (v BIOSu volba Wake on Ring) apod.

Typy zdrojů napájení Zdroje napájení používané u počítačů PC obvykle odpovídají typu základní desky, pro který jsou určeny. V podstatě lze říci, že existovalo celkem 7 různých typů zdrojů napájení, z nichž v současnosti se využívají pouze tři. Jedná se o tyto typy: Zastaralé typy: PC/XT, AT pro stolní počítače (AT/Desk), AT pro skříně typu věž (AT/Tower) a Baby-AT. Soudobé formy: LPX, ATX, SFX Každý z těchto typů zdrojů je dostupný v celé řadě různých konfigurací a úrovní výstupního výkonu. Až do doby zavedení standardu ATX se převážně využíval typ LPX. Od té doby v podstatě dominují zdroje typu ATX s tím, že u velmi malých počítačů se začínají prosazovat zdroje SFX.

Zdroje typu ATX První verze specifikací ATX byly firmou Intel zveřejněny v roce 1995. Specifikace ATX ve verzi 2.01 definují nový tvar základní desky, novou skříň a nový typ zdroje. Tvar zdroje ATX (viz obrázek) vychází z řešení zdroje LPX, avšak v mnoha ohledech byl zdroj značně změněn. Zdroj ATX řeší několik problémů, které se občas vyskytovaly v souvislosti s používáním předcházejících typu zdrojů. Prvním problémem bylo to, že starší typy zdrojů měly dva téměř identické konektory pro napájení základní desky. Pokud se tyto konektory zapojily špatně, mohlo dojít až ke spálení obvodů na desce. Druhým problémem bylo znečišťování vnitřků skříní u počítačů používaných v průmyslovém prostředí. Konektor pro napájení základní desky je u zdrojů ATX zcela nový. Namísto dvou konektorů je na konci vývodů od zdroje pouze jeden, mající 20 vývodů a klíčování. Na vývodech tohoto konektoru také naleznete napětí +3,3 V, která byla v té době nová. V důsledku zavedení



str.: - 23 –

tohoto napájecího napětí bylo možné upustit od používání regulátorů napětí. Kromě nového napětí byly pro zdroje ATX definovány také dva nové signály. Jedním z nich je signál PS_ON (Power_0n) a druhým je 5V_Standby (5VSB). Oba tyto signály bývají označovány souhrnným pojmem Soft Power.

Zátěž zdrojů napájení Jak již bylo uvedeno výše, zdroje napájení používané u počítačů jsou spínané. Druhým možným typem zdrojů jsou lineání zdroje, které však mají ve srovnání se spínanými několik nevýhod: zaprvé výstupní napětí je přímo úměrné vstupnímu napětí (což znamená, že jakékoliv kolísání vstupního napětí se projeví i na výstupu), zadruhé poměrně vysoké nároky na proud by u počítačů znamenaly použití těžkého vinutí transformátoru a zatřetí frekvence 50Hz, typická pro vstupní napájení, by se ve zdroji těžko odfiltrovávala. Výstupní proud /A/ na obvodu +5V + 3,3 V + 12V

235 W 22 14 8

275 W 30 14 10

300 W 30 14 12

Naproti tomu spínané zdroje pracují tak, že vstupní napětí je detekováno pouze ve velmi krátkých časových okamžicích. Přitom jednotlivé detekce jsou prováděny rychle za sebou. Díky tomu je možné ve zdrojích napájení použít vysokofrekvenční transformátory, které jsou výrazně menší a lehčí. Kromě toho vyšší frekvence se na výstupu snáze odfiltrovává a výstupní napětí ztrácí přímou závislost na vstupním napětí. Počítač je pak schopen normálního provozu i za podmínek, kdy se napětí v síti mění v rozsahu např. 200 až 230 V. Jednou ze základních charakteristik spínaných zdrojů napájení je také to, že nepracují bez zátěže, tj. ke zdroji musí být stále připojené nějaké zařízení odebírající proud. Pokud byste zkusili zapojit takový zdroj naprázdno (bez zátěže), buď by po chvíli shořel nebo by jej ochranné obvody vypnuly. Podobnými ochrannými obvody je vybavena většina kvalitnějších zdrojů; některé levné typy však tyto obvody neobsahují. Na druhé straně existují i zdroje, v nichž jsou vestavěny rezistory vytvářející zátěž i v případě, že ke zdroji není připojeno žádné zařízení.

Výkon zdrojů napájení Výrobce počítače by měl být schopen poskytnout zákazníkovi veškeré údaje o zdroji, použitém v jím vyrobeném počítači. Někdy lze tyto informace také nalézt v dokumentaci k systému; poslední možností jejich zjištění je štítek, který bývá přilepen na horní stranu zdroje. Současně i výrobci zdrojů by měli být schopni dodat technické specifikace svých výrobků, a to buď přímo nebo prostřednictvím svých webových stránek.

Technické parametry zdrojů napájení. Kromě samotného výstupního výkonu existuje několik dalších parametrů ovlivňujících kvalitu daného zdroje. Typickým příkladem může být odolnost vůči kolísání vstupního napětí: čím méně kvalitní zdroj, tím menší rozpětí vstupního napětí, které ještě zajistí chod počítače. Pokud pak bude počítač s nekvalitním zdrojem provozován v místnosti s mnoha dalšími zařízeními a v průběhu jejich zapínání bude vstupní napětí kolísat, tento počítač se bude restartovat. Naproti tomu počítač s kvalitním zdrojem poběží bez jakýchkoliv problémů dále. Lze říci, že kvalitní zdroj by se neměl poškodit při žádné z těchto událostí: • Úplném výpadku napětí libovolné délky. • Jakémkoliv kolísání napětí. • Napěťových špičkách o velikosti až 2 500 V (např. naindukovaných do rozvodu v průběhu bouře). Dalším měřítkem kvality zdroje je nízké probíjeni vůči zemi: mezi fází a zemí by neměl protékat proud o velikosti větší než 500 mA. Tento parametr je důležitý zejména tehdy, je-li zásuvka ve zdi špatně zapojena. Výrobci zdrojů ve své dokumentaci uvádějí několik dalších parametrů, podle nichž lze kvalitu zdroje alespoň odhadnout. Protože však žádný z výrobců neuvádí význam těchto parametrů, je zákazník jen těžko schopen rozpoznat, zda konkrétní zdroj je kvalitní či nikoliv. Z tohoto důvodu níže následuje seznam uvedených parametrů:



str.: - 24 –

• Střední doba do poruchy -vypočítaná průměrná doba, po kterou by zdroj měl běžet bez jakýchkoliv poruch. Obvykle se u zdrojů uvádí hodnoty okolo 100 000 hodin. Je tedy jasné, že se nejedná o empiricky ověřené hodnoty, ale pouze vypočtená data. Mnohdy se k tomuto údaji přidává ještě průměrné zatížení a teplota prostředí, ve kterém zdroj pracoval. • Vstupní rozsah (Input Range nebo Operatíng Range). Rozsah vstupního napětí umožňující činnost zdroje. Pro nominální vstupní napětí 220 V bývá vstupní rozsah 180 až 270 V. • Špičkový nárazový proud (Peakinrush Current). Nejvyšší proud, který si zdroj odebere ze sítě krátce po zapnutí. Vyjadřuje se v A při daném napětí. Čím nižší proud, tím nižší tepelný šok pro celý systém. • Časová prodleva po výpadku (Holdup Time). Udává se v milisekundách a určuje dobu, po kterou zůstane zachováno výstupní napětí po výpadku napětí vstupního. Obvyklá hodnota je 15 až 25 ms. • Doba potřebná pro stabilizaci výstupu (Transient Response). Jedná se o dobu (v mikrosekundách), kterou zdroj potřebuje k tomu, aby se po náběhu či naopak vypnutí nějakého zařízení odebírajícího proud parametry výstupu stabilizovaly a vrátily do svých standardních mezí. Například vypne-li se pohon disketové mechaniky, v daném okruhu klesne odebíraný proud a zvýší se napětí. Popisovaný parametr pak určuje dobu, kterou zdroj bude potřebovat k tomu, aby hodnoty napětí vrátil do udávaných mezí. • Přepěťová ochrana (Overvoltage Protection). Jedná se o špičková výstupní napětí, po jejichž dosažení zdroj daný výstupní okruh uzavře. Obvykle se udává v procentech (např. 120 % pro okruh +3,3 V) nebo absolutními hodnotami (např. +4,6 V pro okruh +3,3 V). • Maximální výstupní proud (Maximum Load Current). Maximální proud, který může být z daného výstupního okruhu bezpečně odebírán. Tento údaj bývá specifikován v ampérech, a to pro každý výstupní okruh zvlášť. • Minimální výstupní proud (Minimum Load Current). Nejmenší proud, který musí být z daného výstupního okruhu odebírán, aby okruh zůstal funkční. Klesne-li proud na některém z okruhů pod tuto hodnotu, zdroj buď uzavře pouze konkrétní okruh nebo se vypne celý. • Regulace výstupního napětí (Load Regulation). Určuje změnu napětí způsobenou přechodem daného výstupního okruhu z minimální zátěže do maximální. Hodnoty jsou v % a běžné rozmezí je ± l % až ±5 %. • Regulace vstupu (Line Regulation). Změna výstupního napětí způsobená přechodem vstupního napětí z jeho minimální hodnoty na maximální. Běžně se udává v procentech a platí, že kvalitní zdroj by měl být schopen na výstupu udržet napětí v rozmezí ±1 % od standardní hodnoty bez ohledu na vstupní napětí. • Účinnost (Efficiency). Poměr výstupního výkonu zdroje k jeho příkonu. Udává se v procentech, přičemž soudobé zdroje mívají účinnost v rozpětí 65 - 85 %. Zbývající příkon je v průběhu konverze napětí ztracen a přeměňuje se v teplo. Lze tedy říci, že zdroj s vyšší účinností je pro počítač výhodnější, neboť znamená menší ohřev systému; rozhodně by ale toto kritérium nemělo být přeceňováno např. na úkor regulace vstupu či výstupu. Určení potřebného výkonu zdroje Při rozšiřování či modernizaci PC je nezbytné se předem ujistit, že použitý zdroj napájení novou zátěž snese. Jedním z možných způsobů je výpočet spotřeby každé komponenty systému a odečtení součtu spotřeb komponent od udávaného výkonu zdroje. Pro okruh +5V: (max. 20A) základní deska: 4 sloty (každý po 2A) : řídící obvody disketové mechaniky: řídící obvody pevného disku: řídící obvody mechaniky CD-ROM: Zbývající proud, který lze využít:

-5,0 A -8,0 A -0,5 A -0,5 A -1,0 A 5A

Pro okruh +12V (max. 8A) 4 sloty (každý odebírá 0,175A): Pohon disketové mechaniky: Pohon pevného disku: Pohon mechaniky CD-ROM: Pohon ventilátoru: Zbývající proud, který lze využít:

-0,7 A -1,0 A -1,0 A -1,0 A -0,1 A 4,2 A

V tabulce je uveden příklad různých odběrů pro zdroj 200W (kde maximální odběr okruhu +5 V je 20A a odběr okruhu +12V je 8A).



str.: - 25 –

Systémy pro úpravu a ochranu napájení Jejich úkolem je ochrana počítačů před následky vysokých přepětí a výpadků napájení. Zejména přepětí mohou vést ke značnému poškození hardwaru počítače, zatímco nečekané výpadky napájení mohou způsobit ztrátu dat. Celkově lze do kategorie systémů pro úpravu a ochranu napájení zahrnout čtyři různé typy těchto systémů. Dostatečně kvalitní zdroj však určitou ochranu proti výpadkům a přepětím poskytuje sám o sobě. Podmínkou úspěšného využívání všech dále popisovaných systémů je potřeba jejich řádného propojení se zemí. Je tedy vhodné se ještě před nákupem systému ubezpečit, že silové rozvody v kanceláři či firmě jsou skutečně dobře uzemněny.Je však nutné zdůraznit, že vysoká napětí se mohou indukovat i do telefonních rozvodů. V tomto případě je riziko výrazně vyšší, neboť modemy nejsou vybaveny žádnou ochranou proti přepětí. Samozřejmě pokud se jedná o externí modem, může dojít i ke zničení adaptéru se sériovými porty, ke kterému je modem připojen. Je tedy vhodné přemýšlet i o přepěťové ochraně pro modem. Mezi systémy pro úpravu a ochranu napájení patří tato zařízení: • Přepěťové ochrany • Zařízení pro úpravu parametrů vstupního napájení • Záložní zdroje napájení - SPS (Standby Power Supplíes) • Nepřerušitelné zdroje napájení - UPS (Uninterruptable Power Supplies)

Přepěťové ochrany: Základní přepěťovou ochranu lze zajistit pomocí komerčně dostupných zařízení instalovaných mezi zásuvku a počítač. Tato zařízení jsou obvykle schopná zachytit veškerá přepětí způsobená blížící se bouří; nabízený stupeň ochrany je však poměrně nízký. Jednou ze základních součástí přepěťové ochrany je varistor vyrobený z oxidu nějakého kovu (MOV). Tento varistor je schopen zachytit veškerá napětí převyšující určitou úroveň a propojit je se zemí. Uvedené varistory bývají navrhovány pro maximální přepětí až 6 000 V, avšak platí, že takto vysoká přepětí již způsobují spálení varistoru a jakékoliv následné přepětí již může přepěťovou ochranou volně projít až k počítači. To ale znamená, že pokud přepěťová ochrana není vybavena nějakou signalizační diodou, nikdy zcela přesně nevíte, zda je nainstalovaná ochrana ještě funkční či nikoliv. Podobným způsobem jsou konstruovány i přepěťové ochrany pro telefonní linky. Existují i kombinovaná zařízení, zahrnující jak přepěťovou ochranu pro přívod elektrické energie, tak i pro telefonní linku.

Zařízení pro úpravu parametrů vstupního napájení: Kromě napěťových a proudových špiček se parametry vstupního napájení mohou měnit i v důsledku jiných událostí. Příkladem může být pokles napětí pod určitou hranici, díky čemuž dojde k zastavení chodu počítače. Druhým příkladem mohou být různě velké napěťové špičky přenášené rozvodem elektrické energie a naindukované do něj různými elektromotory či vysílači apod. Proto při propojování dvou digitálních zařízení nikdy nezapomínejte na tyto dvě skutečnosti: • Kterýkoliv vodič může působit jako anténa, což znamená, že se do něj mohou naindukovat různá napětí, vyvolaná elektromagnetickými poli, existujícími v daném prostoru. Nezapomeňte, že anténou se může stát i rozvod elektřiny v celém domě. • Všechny digitální obvody poměrně citlivě reagují i na malá naindukovaná napětí velikosti jednoho či dvou voltů. Zařízení pro úpravu parametrů vstupního napájení je schopné mnohé podobné poruchy napájení odfiltrovat. Kromě jiného vykonává toto zařízení i funkci přepěťové ochrany, avšak na rozdíl od ní se jedná o aktivní zařízení, které je v činnosti neustále. Díky tomu, že popisovaná zařízení obsahují transformátory i kondenzátory, umožňují i překlenutí velmi krátkých výpadků napájení. Záložní zdroje napájení (SPS): Záložní zdroj napájení je zařízením pracujícím v režimu offline: zařízení se stává aktivním pouze tehdy, dojde-li k výpadku napájení. SPS obvykle obsahuje speciální obvod, testující napětí na vstupu z elektrického rozvodu. Pokud tento obvod zjistí, že došlo k výpadku napájení, systém rychle přepne výstup na záložní baterii a invertor napětí, jehož úkolem je změnit stejnosměrný proud, odebíraný z baterie na střídavý. Ten je pak odebírán počítačem. Kvalita těchto systémů se pozná právě v okamžiku výpadku. Není-li totiž přepnutí na baterii dostatečně rychlé,



str.: - 26 –

počítač se stejně restartuje, čímž vlastně popře nutnost instalace podobného systému. Kvalitnější systémy SPS obsahují ferrorezonantní transformátor, což je poměrně velký transformátor, který má schopnost uchovat malé množství elektrické energie. Toto množství je však dostatečné k tomu, aby počítač zůstal v chodu po celou dobu přepínání. Některé dražší systémy SPS mají také vestavěné obvody pro úpravu parametrů napájení. Nepřerušitelné zdroje napájení (UPS): Pravděpodobně nejlepším řešením všech případných problémů s napájením je instalace takového zdroje, který zajišťuje úpravu parametrů napájení a nemůže být přerušen. Takovým zdrojem je právě tzv. nepřerušitelný zdroj napájení. Hlavní rozdíl oproti SPS je, že UPS je neustále aktivní, zatímco SPS se aktivuje pouze v případě výpadku napájení. Skutečný zdroj typu UPS se svojí konstrukcí značně podobá SPS, ale protože počítače jsou neustále napájeny z baterií, neobsahuje žádné obvody pro přepínání. Invertor napětí pak převádí stejnosměrné napětí o velikosti 12 V na střídavé napětí 220 V. Současně je baterie dobíjena, a to proudem odebíraným z elektrického rozvodu. Přitom speciální obvody UPS se starají o to, aby rychlost nabíjení nepřevýšila rychlost vybíjení baterie. Pokud u takového systému dojde k výpadku napájení, stane se vlastně pouze to, že baterie přestane být dobíjena a počítač pokračuje dál ve své normální činnosti. Vybíjení baterie je úměrné její zátěži, avšak obvykle je tak pomalé, že máte dostatek času na normální ukončení činnosti. Délka chodu počítače je pak závislá jen na velikosti baterií. Jakmile dojde k obnovení napájení, baterie se začne opět dobíjet, přičemž žádné přepínání není nutné. Mnohé systémy UPS jsou dodávány se speciálním softwarem a kabelem umožňujícím propojení UPS s počítačem. Software pak umožňuje automatizované regulérní ukončení chodu operačního systému na základě signálu z UPS. Některé operační systémy, (jako např. Windows NT čí Windows 2000, jsou vybaveny vlastními softwarovými komponentami umožňujícími spolupráci s UPS). Cena UPS je většinou přímo úměrná kapacitě baterií, které obsahuje, a výkonu, který je schopná dodávat. Při výpočtu potřebné kapacity baterií nezapomeňte i na příkon monitoru. Přibližně lze říci, že běžný stolní počítač se 17" monitorem má příkon okolo 600 W.

ZÁKLADNÍ DESKY POČÍTAČŮ

Recommend Documents