Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (на­пример, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внеш­них устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

• появлением программ, требующих выполнения большого коли­чества интерфейсных операций (например, программы обработ­ки графики в Windows, работа в среде Multimedia). В этих условиях пропускной способности шин расширения, об­служивающих одновременно несколько устройств, оказалось недос­таточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу «задумываться».

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видео­системами и другие. В настоящее время существуют следующие стандарты универсальных ло­кальных шин (характеристики приведены в табл.4.3).

Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина VESA) - разра­ботана в 1992г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA-Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB (рис. 4.15), по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером.

Рис. 4.15. Конфигурация системы с шиной VLB

Разрядность шины - 32 бита, в перспективе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость пере­дачи данных по VLB — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая – 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

• жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

• малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;

• отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт соединения (подключения) внешних устройств), разработана фирмой Intel (рис. 4.16).

Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер и возможность настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium Pro, Pentium I-IV, она позволяет подключать 10 устройств самой различной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, а также имеет средства управления передачей данных.

Рис.4.16. Конфигурация системы с шиной PCI

Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Шина PCI хотя и является локальной, по своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъёмы для подключения внешних устройств. Вместе с тем, она выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MSA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются к МП не напрямую (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Для связи с основной шиной компьютера (ISA/EISA) используются специальные интерфейсные преобразователи – мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета). Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны соответственно на рис. 2.2 и 2.3. Следует иметь в виду, что исполь­зование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соот­ветствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются ма­теринские платы с мультишинной структурой, позволяющей ис­пользовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские пла­ты с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышлен­ный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происхо­дит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате кото­рого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номе­рами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызы­вают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса PCI и с оформлением стандарта plug-and-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью авто­матических программных средств — эти функции во многом были возложены на операционную систему.

FSB. Шина PCI, появившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro используется специальная шина, получившая назва­ние Front Side Bus (FSB). Эта шина работает на очень высокой частоте 100-125 МГц. В настоящее время внедряются материнские платы с частотой шины FSB133 МГц и ведутся разработки плат с частотой до 200 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров — именно он и указывается в специфика­ции материнской платы. Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP. Видеоадаптер – устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, «врезаемым» в новую шину. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Accelerated Graphic Port – усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет более высокую пропускную способность – до 1066 Мбайт/сек (в режиме четырёхкратного умножения).

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных компьютерах.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут подключаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB 1.1 относительно невелика и составляет до 1,5 Мбайт/сек (версия 2.0 – 60 Мбайт/сек), но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т.п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Интерфейс IDE используется для подключения устройств внутреннего исполнения: дисковых накопителей и CD-ROM. К одной шине IDE может подключаться не более двух устройств, одно из которых назначается ведущим, другое - ведомым. Устройства могут работать только поочерёдно. Контроллер IDE обычно встраивается в системную плату и подключается к высокопроизводительной локальной шине. Фактически он представляет собой связь между системной платой и электроникой или контроллером встроенным в накопитель.

Основная функция контроллера накопителя, или интерфейса, — передача данных из системы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуществляться эти операции, что во многом определяет общую производительность компьютера. Приводимые в технической литературе статистические данные не всегда точно отражают истинное положение дел.

В настоящее время интерфейс IDE постоянно развивается и используется для поддержки не только жёстких дисков, но и других устройств (например, CD/DVD-ROM, дисководов Zip, НКМЛ).

В настоящее время интерфейс IDE получил официальное название АТА (AT Attachment), который представляет собой 16-разрядный параллельный интерфейс. В начале 2001 года был официально представлен новый интерфейс, получивший название Serial ATA (SATA). Существуют следующие разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодействие со стандартными шинами:

• Serial ATA Attachment (SATA);

• параллельный АТ Attachment (АТА) IDE (16 разрядная шина ISA);

• XT IDE (8-разрядная шина ISA);

• MSA IDE (16-разрядная шина MCA).

Они различаются своими возможностями по скорости передачи данных и адресации устройств в памяти компьютера.

Интерфейс SCSI используется для подключения различных периферийных устройств - винчестеров, стримеров, CD-ROM, маг­нитооптических и других, внутреннего и внешнего исполнения - к компьютерам с различной архитектурой. Как правило, применяет­ся в серверах.

Шина SCSI может обеспечить работу 8 или 16 подключённых к ней модулей, каждому из которых присваивается идентификационный номер - SCSI. Один из модулей является платой адаптера, установленной в компьютере; остальные семь — периферийными устройствами. К одному и тому же основному (host) адаптеру можно подключать жесткие диски, накопители на магнитной ленте, CD-ROM, сканеры и другие устройства (не больше семи или пятнадцати). Так как в большинстве компьютеров можно устанавливать до четырех основных адаптеров, а к каждой шине SCSI можно подключить до 15 периферийных устройств, то общее количество устройств может достигать 60. Более того, существуют также двухканальные адаптеры, позволяющие удвоить это число.

SCSI является быстрым интерфейсом, прекрасно подходящим для высокопроизводительных рабочих станций, серверов или каких-либо других систем, которым жизненно необходим эффективный интерфейс для устройств хранения данных. Последняя версия интерфейса 4 (Ultra 320) SCSI поддерживает скорость передачи данных 320 Мбайт/с. В настоящее время разрабатывается еще более быстрый интерфейсов (Ultra 640), позволяющий передавать данные со скоростью 640 Мбайт/с.

Таблица 4.3.

Основные характеристики системных локальных шин

Параметр	ISA	EISA	MCA	VLB	PCI	IDE	SCSI
Разрядность шины, бит
данных	16	32	32; 64	32; 64	32;64	16	16
адреса	16	32	32	32	32	16	16
Рабочая частота, МГц	8	8-33	10-20	до 33	до 33	до 33	40
Пропускная способность, Мбайт/с теоретическая практическая					132;264 50;100
	4	33	76	132		133	640
	2	8	20	80		66	160
Число подключаемых устройств, шт.	6	15	15	4	10	2	8

Дисковая подсистема с интерфейсом SCSI состоит из хост-адаптера, связывающего шину SCSI с системной или локальной шиной компьютера, и SCSI-устройств, соединённых с хост-адаптером кабельным шлейфом. В сервере может быть установ­лено до четырёх хост-адаптеров. На каждой шине SCSI может присутствовать до 8 устройств.

SCSI-устройства выпускаются как внутреннего, так и внеш­него исполнения. Обычно внутренний и внешний шлейфы адап­тера являются двумя частями одной SCSI-шины. Два устройства на одной SCSI-шине могут обмениваться массивами данных без загрузки системной шины и процессора.

Интерфейс SCSI принят в качестве стандарта и используется практически во всех высококачественных РС-совместимых компьютерах. Основной адаптер SCSI либо устанавливается в один из разъемов, либо монтируется на системной плате. Такая конструкция первый взгляд напоминает интерфейс IDE, поскольку диск SCSI подключается системной плате с помощью одного-единственного кабеля. Существенная разница заключается в том, что к интерфейсу SCSI можно подключить до семи устройств (причем не обязательно жестких дисков), а к IDE— два, и их выбор весьма ограничен. По мере роста популярности интерфейса SCSI совершенствуются программы-драйверы и механизмы их взаимодействия с операционными системами, а следовательно, упрощаются и процедуры подключения к системе новых периферийных устройств.