Практикум: Шины, системные ресурсы и интерфейсы ввода-вывода

Интерактивный рабочий лист студента по дисциплине «Архитектура аппаратных средств» (СИЭУиП, занятие 15). Сравнительный анализ параллельных разделяемых шин (ISA/PCI) и скоростной последовательной топологии точка-точка (PCI Express 3.0–5.0); анализ эволюции и распределения системных ресурсов (IRQ, MSI-X, каналы DMA, изолированное адресное пространство I/O портов и MMIO); математический расчет пропускной способности интерфейсов и протокол выбора подсистемы I/O по 4 вариантам платформ.

ФИО обучающегося:

Учебная группа:

Вариант задания:

Вариант не выбран

Дата выполнения:

Задание 1. Сравнительный анализ архитектур шин: разделяемые шины vs PCIe

Заполните сравнительную таблицу характеристик системных шин. Сопоставьте архитектурные поколения, топологию, арбитраж, тактовые частоты и физические ограничения.

Параметр сравнения	Шина ISA / PCI (32-bit / 33 MHz)	Шина PCI Express 3.0 / 4.0 (x16)	Шина PCI Express 5.0 (x16)
Топология соединения
Способ передачи данных
Механизм арбитража шины
Кодирование и накладные расходы
Предельная пропускная способность

Аналитическое объяснение: Почему высокоскоростные шины перешли от широких параллельных линий к узким последовательным дифференциальным парам? Объясните влияние эффекта перекоса фаз (clock skew) и паразитной емкости проводников:

Задание 2. Матрица и эволюция системных ресурсов (IRQ, DMA, I/O Port, MMIO)

Заполните сравнительную матрицу системных ресурсов архитектуры x86/x86-64. Отразите переход от классических контроллеров IBM PC/AT к современным интерфейсам PCI Express и APIC.

Тип ресурса	Классическая архитектура (Legacy PC/AT)	Современная архитектура (UEFI / PCIe / x86-64)	Механизм разрешения конфликтов / Преимущество
Линии прерываний (IRQ)
Прямой доступ к памяти (DMA)
Адресное пространство I/O портов
Отображение памяти (MMIO)

Аналитическое объяснение: В чем заключается критическое преимущество технологии MSI-X по сравнению с классическими прерываниями физических линий INTx (IRQ) в многоядерных серверах с сетевыми картами 100 GbE?

Задание 3. Инженерный расчет пропускной способности и параметров портов

Выполните расчет теоретической и полезной пропускной способности интерфейсов передачи данных. Результаты внесите в таблицу с единицами измерения.

Интерфейс передачи	Тактовая частота / Символьная скорость	Кодирование
RS-232 / UART (стандарт 115200 бод, 8-N-1)	115 200 Бод	1 старт + 8 бит данных + 1 стоп (10 бит на байт)
IEEE 1284 ECP (параллельный LPT порт)	~2.0 МГц (стробирование)	8 бит данных параллельно (без кодирования)
PCIe 3.0 x4 (накопитель NVMe M.2)	8.0 GT/s на линию	128b/130b
PCIe 4.0 x16 (видеокарта)	16.0 GT/s на линию	128b/130b
PCIe 5.0 x16 (видеокарта / ИИ-ускоритель)	32.0 GT/s на линию	128b/130b

Аналитическое объяснение: В чем состоит физическое и математическое различие между понятиями «бодрейт» (Baud rate) и «битрейт» (бит/с)? В каком случае бодрейт строго равен битрейту?

Задание 4. Протокол выбора архитектуры ввода-вывода и системных ресурсов

На основе выбранного в карточке студента варианта платформы обоснуйте распределение системных ресурсов (IRQ/MSI-X, DMA, I/O Port, MMIO), подбор шин, протоколов арбитража и интерфейсов подключения периферии.

Вариант не выбран

Выберите вариант задания в карточке обучающегося вверху страницы для отображения технического задания.

1. Конфигурация системных шин и топологии соединений:

2. Распределение системных ресурсов (прерывания, DMA, адресация):

3. Выбор внешних интерфейсов и портов (RS-232 / RS-485 / LPT / Ethernet / PCIe):

4. Протокол арбитража и гарантия отсутствия узких мест: