6.1.4. Заключительные замечания

Важнейшим преимуществом асинхронной шины является то, что процесс квитирования избавляет конструктора от необходимости синхронизации тактовых сигналов отправителя и получателя, что значительно упрощает разработку. Никакие задержки, связанные с распространением сигнала по шине или с интерфейсными схемами, не отражаются на работе системы. Когда величина таких задержек изменяется, например, из-за изменения нагрузки при добавлении или удалении интерфейсной схемы, автоматически изменяется и время передачи данных. Для синхронных шин схемы тактирования должны разрабатываться очень тщательно, что обеспечит правильную синхронизацию, а задержки не должны превышать строго рассчитанный предел.

Скорость передачи данных по асинхронной шине, управляемой посредством механизма полного квитирования, несколько снижается из-за того, что каждая такая операция выполняется с четырьмя задержками, по две в каждую сторону. Это хорошо видно на рис. 6.4. и 6.5: каждое изменение сигнала на линии Master- ready происходит только после изменения сигнала на линии Slave-ready и наоборот. В случае синхронной шины тактовый период должен включать задержку на распространение сигнала только в одном направлении. Благодаря этому пересылка выполняется быстрее. Для более медленных устройств, как уже было сказано, используются дополнительные такты. Поэтому высокоскоростные шины большинства современных компьютеров имеют синхронную архитектуру.

6.2. Назначение и классификация шинных интерфейсов

Возможности использования ВМ в значительной степени за­висят от состава и технических характеристик периферийных уст­ройств. Функции, выполняемые периферийными устройствами, весьма разнообразны. Внешнее запоминающее устройство пред­назначены для энергонезависимого хранения больших объемов ин­формации. Устройства ввода-вывода используются для ввода в ВМ и вывода из нее различной информации: числовой, текстовой, графической, аудио. Периферийные устройства различаются прин­ципом действия, форматами и скоростью передачи информации через их внешние выводы, набором управляющих сигналов. Су­щественно, что периферийные устройства работают в своем тем­пе, не синхронизированном с работой процессора. Запросы со стороны периферийных устройств на установление связи и обмен данными могут поступать в произвольные моменты времени. Для организации обмена требуются специальные электронные сред­ства согласования форматов и синхронизации процессов. С их по­мощью решают проблемы индивидуального интерфейса каждого периферийного устройства, подключаемого к системной шине ВМ.

В организации ВМ используются принципы модульности и магистральности. Модульность предполагает построение системы из мо­дулей со стандартным интерфейсом. Напомним, что под модулем понимают печатную плату (плату расширения), на которой реа­лизован адаптер или контроллер, соединяющий периферийное устройство с шиной. Возможность подключения модулей к си­стемной шине обеспечивает гибкость в выборе и изменении соста­ва системы. Принцип магистральности означает использование для информационного обмена между устройствами ВМ магистралей (шин), к которым подключаются модули. В современных компью­терах используется иерархия шин, отличающихся пропускной спо­собностью, набором сигналов и протоколом.

Принципы организации информационно­го взаимодействия модулей по шинам являются общими для всех шин. Важнейшими принципа ми являются принцип подчиненности, принцип квитирования и принцип унификации характеристик модулей.

Принцип подчиненности предполагает, что одно из обмениваю­щихся информацией по шине устройств является ведущим, уп­равляющим процессом обмена, а другое (или несколько других) - ведомым. В стандартах для разных типов шин для ведущего и ведо­мого устройств используются также термины: активное и пассив­ное устройство, задатчик и исполнитель, инициирующее и целе­вое устройство.

Принцип квитирования базируется на использовании специаль­ного сигнала quit (квитанции), формируемого ведомым устрой­ством и используемого ведущим как разрешение завершения цикла обмена. Это позволяет организовать обмен между модулями с раз­личным быстродействием.

Принцип унификации характеристик модулей состоит в обеспе­чении информационной, электрической и конструктивной совме­стимости интерфейсов модулей вычислительной системы.

Информационная совместимость предполагает оди­наковый состав управляющих сигналов в линиях шины, форматов адресов и данных, а также протоколов обмена, устанавливающих причинно-следственные связи и временные интервалы между сиг­налами. Требование информационной совместимости влияет на функциональную организацию адаптеров и контроллеров.

Электрическая совместимость - это согласованность параметров электрических сигналов, используемых для информа­ционного обмена по шине, нагрузочной способности источников сигнала и входных токов приемников, паразитных параметров линии связи.

Рассмотрим типичные для обмена по шине временные диаг­раммы циклов чтения (записи) и основные временные парамет­ры, характеризующие цикл (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Временные диаграммы циклов чтения/записи:

а - синхронный цикл чтения; б - синхронный цикл записи; в - асинхронный

цикл чтения; г - асинхронный цикл записи.

Ведущее устройство уста­навливает адресные сигналы на шине адреса. Затем с достаточной для распознавания «своего» адреса ведомыми устройствами за­держкой ведущее устанавливает управляющие сигналы на шине управления. Ведомое устройство за время t , распознает факт обра­щения к себе, в случае надобности выдает ответные сигналы (quit) через время t_q. Если выполняется чтение, то с задержкой t_2, опре­деляемой внутренними свойствами, ведомое устройство устанав­ливает сигналы на шине данных, которые фиксируются далее во внутренних регистрах ведущего устройства. Если выполняется за­пись, то ведущее устройство помещает сигналы на шину данных, откуда они поступают в регистры ведомого устройства. Фиксация информации на принимающей стороне проводится по спаду спе­циального управляющего сигнала (строба чтения или записи). Для цикла чтения устанавливается ограничение сверху на время t₄ удер­жания ведомым устройством данных на шине после снятия стро­ба, поскольку шина данных должна быть освобождена для следу­ющего цикла. Для цикла записи устанавливается ограничение снизу для времени t₅ удержания ведущим устройством данных на шине для надежности записи.

Обмен бывает синхронный и асинхронный. При синхронном обмене длительности стробов (t₃) являются фиксированными. При асинхронном обмене t₃ зависит от момента прихода ответного сигнала: строб снимается только после получения ведущим уст­ройством ответа. Время t_q определяется быстродействием ведомо­го устройства. Отсутствие ответа в течение заданного максимума интервала t_q расценивается как сбой в работе шины.

К основным принципам организации шинных интерфейсов следует также отнести применение контроллеров (адаптеров) вво­да-вывода, с помощью которых периферийные устройства через шину связываются с центральным процессором ВМ.

Для классификации интерфейсов (совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств взаимодействия устройств ВМ) ГОСТ 26.016—81 устанавливает четыре основных классифи­кационных признака:

• способ соединения компонентов (магистральный, радиаль­ный, цепочечный, смешанный);

• способ передачи информации (параллельный, последователь­ный, параллельно-последовательный);

• принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный, изохронный). Под асинхронным обменом понимается цикл обме­на, повторяющийся через равные промежутки времени;

• режим передачи информации (двухсторонняя одновремен­ная, двухсторонняя поочередная, односторонняя).

Для обозначения режимов передачи часто используют специ­альные термины: режим двухсторонней одновременной передачи называют дуплексным, режим двухсторонней поочередной пере­дачи - полудуплексным, а режим односторонней передачи - сим­плексным.

Далее рассматриваются проблемы организации обмена данны­ми между устройствами ВМ, а также назначение и состав некото­рых интерфейсов ВМ.