základní desky počítačů

Transkript

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
8 x (verze 3.0)
66 MHz
533 Mhz
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

Transkript

Podobné dokumenty

pdf 1

MS OFFICE 2010 – krok za krokem (Word, Excel, PowerPoint)

LED Svítidla Borealis Společnosti PolyBrite

Bootojeme po síti II

Prezentace aplikace PowerPoint

Balin - Zpráva z praxe IBIS

Kurz 16 MS Word - Auto