Интерфейс периферийного устройства. Контроллер. Адаптер. Принципы функционирования

Шина - группа электрических линий связи, объединенных определенным функциональным назначением, служащая для передачи сигналов устройств компьютеров с целью организации их совместной работы.

В первых компьютерах применялись три основных типа шин: системные шины, локальные и периферийные. Пример использования шин в базовом компьютере представлен на рисунке.

Системная шина содержит слоты расширения (разъемы), необходимые для подключения плат контроллеров и адаптеров периферийных устройств.

В связи с этим системная шина называется еще открытой шиной, или шиной расширения, разработанной с учетом того, что пользователи, кроме стандартной периферийной аппаратуры, будут подключать свои разработанные устройства.

Работа компьютера с использованием системной шины организуется таким образом, что в какой-то момент времени одно устройство является активным (мастером, инициатором, задатчиком), а другое - пассивным устройством (исполнителем, целью).

Активными устройствами могут быть процессоры, контроллеры прямого доступа и периферийные устройства, работающие в режиме мастера (инициатора).

Активное устройство с помощью схемы арбитража, например размещенной в центральном процессоре, захватывает системную шину и выполняет передачу (прием) данных в требуемый исполнитель (из исполнителя).

Таким образом, системная шина - это сложная шина, которая содержит цепи для передачи адреса данных и сигналов управления, необходимых для реализации различных шинных операций: арбитража, прерывания, прямого доступа, пересылок данных, контроля, синхронизации и т. д.

К системным шинам относятся следующие шины: ISA, EISA, Multibus, МСА, РС1 и др. Большинство системных шин стандартизировано.

Стандарт - международное, национальное соглашение на производство различных компьютерных устройств, определяющее аппаратную, программную и конструктивную совместимость.

Например, системная шина ISА (Indastry Standart Architecture, Промышленная стандартная архитектура) устанавливает определенные требования к подключению периферийных устройств. Устройства сопряжения (адаптеры или контроллеры) различных периферийных устройств содержат стандартную часть связи с шиной ISA, а другую нестандартную часть составляют адресуемые регистры, с помощью которых выполняется обмен информацией между центральным процессором и периферийным устройством.

Стандарт системной шины определяет: размеры и форму слота расширения, назначение сигналов контактов слота, временную диаграмму циклов шины при выполнении различных операций, электрические характеристики сигналов, требования к внешней печатной плате и т. д.

Периферийное устройство - устройство ввода/вывода, подключенное через адаптер или контроллер к процессору (оперативной памяти) с помощью системной шины. Различают внешние и внутренние периферийные устройства. Внешние периферийные устройства размещены вне корпуса компьютера и подключаются к нему с помощью внешних разъемов, расположенных на его корпусе. Внутренние периферийные устройства конструктивно или выполняются в виде печатных плат, вставляемых в слоты расширения, или являются встроенными в системную (материнскую, планерную) плату компьютера.

Термин «системная плата» был введен фирмой IBM и определяет многослойную печатную плату, на которой установлены: центральный процессор, оперативная память, слоты расширения, постоянная память, контроллеры и другие компоненты компьютера. Внешние периферийные устройства (принтер, сканер, модем и т. д.) подключаются к компьютеру с помощью различных внешних периферийных шин (RS-232/485, Centronics, USB...), которые могут быть последовательными или параллельными. В последовательных периферийных шинах данные передаются последовательно бит за битом, а в параллельных переписывается целая группа битов за один такт.

Параллельные и последовательные периферийные шины также стандартизированы. Например, последовательная периферийная шина RS-232C определена стандартом Ассоциации электрической промышленности и предназначена для сопряжения аппаратуры передачи данных (модемов) и оконечного (терминального) оборудования данных (компьютера). Аббревиатура RS - Recommended Standard (рекомендуемый стандарт), число 232 - номер, буква «С» - серия данного стандарта. Американский стандарт RS-232C поддерживают (согласуются с ним) японские стандарты JIS и С6361 и отечественный стандарт «Стык С2».

Стандарт RS-232 соответствует стандарту V.24 и V.28 ITU - TSS (International Telecommunications Union - Technical Standards Sector, Международный телекоммуникационный Союз - Сектор технических стандартов). Рекомендации, относящиеся к модемам, имеют обозначения «V».

Кроме того, разработаны стандарты RS-422 и RS-423, позволяющие увеличить длину линий связи и скорость передачи данных. В коммуникационных контроллерах фирмы Motorola используется стандарт RS-422 для обслуживания последовательных каналов связи.

Большая разница в частотах работы процессора и системной шины привела разработчиков к мысли применения локальной шины, скорость функционирования которой выше скорости системной шины и приближается к скорости процессора. Первые локальные шины использовались для памяти, а потом их стали применять и для подключения видеоадаптеров (видеокарт), в которых для создания реалистичного изображения требовалось обрабатывать большие массивы данных с высокой скоростью. Видеоадаптер - устройство, преобразующее данные центрального процессора в текстовую и графическую информацию, выводимую на экран монитора. В технической литературе по­нятия «адаптер» и «контроллер» иногда считают синонимами, то есть пола­гают, что между ними нет четких различий. Однако адаптер - устройство сопряжения между процессором и периферийным устройством, которое свя­зано с преобразованием информации (например, в видеоадаптере) и согласо­ванием передаваемой информации, как в случае использования адаптера принтера. Контроллер - сложное устройство, обычно построенное на базе микропроцессора, управляющее работой подключенных к нему периферий­ных устройств. К основным функциям контроллера относятся: координация действий во времени, формирование потока данных, управление передачей данных и т. д.

Существует большое многообразие контроллеров, определяемое областью их применения: коммуникационные контроллеры, контроллеры управления технологическим оборудованием, контроллеры гибких и жестких дисков и др. Адаптеры или контролеры могут размещаться на плате расширения или могут быть встроены в системную плату.

Таким образом, в компьютере используется многоуровневый принцип использования шин и памяти, способ своеобразной «развязки» потоков движения и хранения информации. Похожая картина наблюдается с организацией потоков движения транспорта и их стоянок.