Системы ввода-вывода пэвм
Наиболее наглядно и полно можно проследить и прочувствовать проблемы и тенденции развития систем ввода-вывода при рассмотрении ретроспективы эволюции интерфейсов и структур систем ввода-вывода на примере персональных компьютеров типа IBM PC.
В начале эры персональных компьютеров частота работы процессора составляла 10 МГц, при этом на выполнение даже самых простейших операций процессор затрачивал несколько тактов. В таких условиях для обеспечения бесперебойной работы процессора было достаточно всего 4 миллионов обращений к памяти в секунду, что соответствовало циклу работы в 250 нс. Этим условиям удовлетворяла одношинная структура систем ввода-вывода, когда все устройства компьютера, включая ОЗУ, общались с процессором через общую шину (рис.1a), которую называли системной. Все интерфейсы ПУ подключались к этой шине. Наиболее распространенной системной шиной в этот период стала сначала 8-разрядная, затем 16-разрядная шина ISA (Industry Standard Architecture), работающая на частоте 8 МГц.
Рис. 1. Эволюция шинной архитектуры ПК
С ростом частоты работы ПК и изменения времени доступа к ОЗУ пропускная способность шины ISA стала тормозить работу процессора. Решение проблемы нашли в выделении канала передачи данных МП-ОЗУ в отдельную шину, построенную на базе внешнего интерфейса МП, и изолированную от медленной шины ISA посредством контроллера шины данных. Это повысило производительность работы центрального процессора. Все ПУ продолжали взаимодействовать с центральным процессором через системную шину (см. рис. 1б).
С дальнейшем ростом частоты работы МП тормозом в работе стало ОЗУ. Тогда ввели дополнительную высокоскоростную кэш-память, что уменьшило простои МП. На определенном этапе развития компьютеров стали широко использовать мультимедиа. Сразу выявилось узкое место во взаимодействии центрального процессора и видеокарты. Имеющиеся системные шины ISA, ЕISA не удовлетворяли этим условиям.
Выход был найден с разработкой и внедрением высокоскоростных локальных шин, посредством которых можно было связаться с памятью, на этой же шине работали жесткие диски, что также повышало качество вывода графической информации. Первой такой шиной была шина VL-bus, практически повторявшая интерфейс МП i486. Затем появилась локальная шина РСI (Peripheral Component Interconnect). Она была процессорно-независимой и поэтому получила наибольшее распространение для последующих типов МП. Эта шина имела частоту работы 33 МГц и при 32-х разрядных данных обеспечивала пропускную способность в 132 Мбайт/сек (см. рис. 1.9в). Системная шина ISA по-прежнему использовалась в компьютерах, что позволяло применять в новых компьютерах огромное количество ранее разработанных аппаратных и программных средств.
В такой системе ввода-вывода различные ПУ подключались к разным шинам. Медленные - к ISA, а высокоскоростные - к РСI. С появление шины РСI стало целесообразным использовать высокоскоростные параллельные и последовательные интерфейсы ПУ (SCSI, ATA, USB). На этом этапе системной стали называть шину МП, через которую он взаимодействовал с ОЗУ. Шина РСI и ISA и подобные другие назвали шинами ввода-вывода или шинами расширения. Действительно, эти шины как бы расширяли число устройств, работающих с ЦПр, и их основной функцией стало обеспечение процессов ввода и вывода информации.
Появление шины РСI не сняло всех проблем по качественному выводу визуальной информации для 3-х мерных изображений, "живого" видео. Здесь уже требовались скорости в сотни Мбайт/сек. В 1996г. фирма Intel разработала новую шину AGP (Accelerated Graphics Port – порт ускоренной графики), предназначенную только для связи ОЗУ и процессора с видеокартой монитора. Эта шина обеспечивает пропускную способность в сотни Мбайт/сек. Она непосредственно связывает видеокарту с ОЗУ минуя шину РСI.
Таким образом, спустя годы снова пришли к многомагистральной структуре ввода-вывода с радиально-магистральными интерфейсами ПУ. Все шины систем ввода-вывода объединяются в единую транспортную среду передачи информации с помощью специальных устройств - мостов.
Мост – устройство, применяемое для объединения шин, использующих разные или одинаковые протоколы обмена. Мост – это сложное устройство, которое осуществляет не только коммутацию каналов передачи данных, но и производит управление соответствующими шинами.
Для обеспечения выполнения функций интерфейсов, входящих в систему ввода-вывода, применяются специальные контроллеры и схемы. К ним можно отнести контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, таймер, часы реального времени, буферы шин данных, дешифраторы, мультиплексоры, регистры и другие логические устройства.
В первых компьютерах, построенных с использованием микропроцессоров, контроллер и другие устройства строились на базе набора интегральных схем малой, средней и большой степени интеграции. Адаптеры, таймер и др. выпускались в виде отдельных микросхем (8250, 8255, 8259, 8237 и т.д.)
С повышением производительности компьютеров и увеличением степени интеграции все вышеперечисленные устройства и схемы стали объединяться в микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции, образуя специальные наборы интегральных схем, называемых «чипсет» (ChipSet).
В настоящее время управление потоками передаваемых данных производится с помощью мостов и контроллеров, входящих в ChipSet. Именно ChipSet определяет основные особенности архитектуры компьютера и, соответственно, достигаемый уровень производительности в условиях, когда лимитирующим фактором становится не процессор, а его окружение – память и система ввода-вывода. Принято называть две главные микросхемы южный мост и северный мост. Северный мост обслуживает системную шину, шину памяти, AGP и является главным контроллером PCI. Южный мост обслуживает работу с ПУ (шины PCI, IDE).
Для компьютеров среднего класса, использующих процессоры Celeron, Pentium II и Pentium III, фирма Intel выпустила чипсет с новой архитектурой i810, состоящий из 3-х микросхем.
Как следует из вышеизложенного, системы ввода-вывода и соответствующие им чипсеты являются главными средствами, позволяющими реализовать потенциальные возможности центральных процессоров.
Классификация интерфейсов
Интерфейсы внешних устройств ввода-вывода
Параллельный порт.
Последовательный порт (COM-порт, RS-232).
PS/2.
Инфракрасный порт.
USB (Universal Serial Bus).
Итерфейсы шин расширения.
ISA (Industry Standard Architecture).
PCI (Peripheral Component Interconnect).
AGP (Accelerated Graphics Port).
Интерфейсы внешней памяти.
IDE, ATA, Serial ATA;
SCSI, SCSI II, Wide SCSI II, Ultra SCSI II, Ultra Wide SCSI II, Ultra2 SCSI, Ultra160 SCSI;
IEEE 1394 (FireWire)
Внешние УВВ
Устройства, подключаемые к универсальному внешнему последовательному интерфейсу (RS-232, COM-порт), являются одними из самых медленных в силу ограничения его пропускной способности: 115200 бит/сек. Вследствие своего широкого распространения COM-порты получили поддержку многих ОС. В Windows – это возможность работы с портом средствами Win-32 API, а, например, в Real-time Linux функции управления портом входят даже в состав ядра ОС. Параллельный порт, изначально предназначенный для принтеров, используется для подключения внешних УВВ достаточно редко. Однако, работа в режимах порта EPP и ECP позволяет взаимодействовать с внешними устройствами со скоростью до 2 Мбайт/с, используя при этом ПДП. Последовательный и параллельный порты могут сами представлять собой устройства цифрового ввода-вывода. COM-порт имеет три программно-управляемых выходных линии и четыре программно-читаемых входных линии с уровнем логической единицы в диапазоне от –12 до –3 В и уровнем логического нуля в диапазоне от +3 до +12 В. Параллельный порт содержит гораздо больше выходных и входных цифровых линий (сколько и какие именно – зависит от режима работы порта) с логическими уровнями ТТЛ. Первоначально последовательный и параллельный порты подключались к компьютеру по ISA-шине расширения. Современные компьютеры используют для этих портов и некоторых других интерфейсов специальный, более удобный для этих целей, интерфейс LPC (Low Pin Count, Малое Количество Контактов).
То есть LPC пришел на смену устаревшей ISA. Шина LPC имеет 4 – битный интерфейс, который поддерживает работу внешних портов (COM, LPT, PS/2 и инфракрасного) а также контроллера флоппи дисковода.
Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года.
Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.
Технические характеристики
Возможности USB следуют из ее технических характеристик:
Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s
Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m
Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s
Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m
Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127
Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Современные ПВВ
Преимущества ПВВ перед внешними УВВ, подключаемыми к СОМ, LPT и USB, состоят в более высоких скоростях обмена данными вследствие коротких линий связи, более тесной интеграции в систему и др. Наибольшее число современных ПВВ обладают PCI (Peripheral Component Interconnect) -интерфейсом. Популярность PCI в качестве интерфейса для УВВ объясняется широким применением данной шины в офисных компьютерах и, соответственно, огромным количеством как системного, так и прикладного ПО. Кроме того, стандарт PCI не зависит от платформы (x86, PowerPC, Alpha, MIPS). Шина работает на частоте 33 и 66 МГц, при этом разрядность данных может составлять 32 или 64 бита (определяется чипсетом системной платы). Следовательно, теоретически максимальная пропускная способность, например, 32-битной шины при частоте синхронизации 66 МГц составляет 264 Мбайт/с. Такая скорость передачи данных реализуется при передачи бесконечно большого пакета данных от устройства или к устройству при условии, что оно отвечает на транзакции (операции обращения к памяти или пространству ввода-вывода) шины без тактов ожидания и шину не захватывают другие устройства системы. Естественно, на практике таких ситуаций не бывает, поэтому реальная пропускная способность шины значительно ниже. Добиться организации аппаратурой пакетных транзакций (поддержка требуется и в устройстве) удается далеко не всегда, особенно при программировании на языках высокого уровня, и большая часть передач данных будет одиночной. Присутствие большого количества одиночных передач данных определяется также спецификой АСУ, где одной из самых распространенных подзадач является анализ каждого отсчета данных и немедленное формирование управляющих воздействий. Любая транзакция, одиночная или пакетная, содержит дополнительно три такта шины при чтении и один при записи. Таким образом, рассматривая пример 32-битной шины с частотой синхронизации 66 МГц, можно посчитать опять же теоретическую пропускную способность шины при осуществлении транзакций определенной длины. Так, одиночная транзакция чтения будет выполняться за 60 нс, записи – за 30 нс, следовательно, в этом случае скорость чтения будет составлять 66 Мбайт/с, записи – 132 Мбайт/с. Кроме того, каждой транзакции предшествует несколько этапов, на которых также может возникать ряд задержек, связанных с получением права управления шиной, задержкой между сигналами. Суммарная задержка может достигать 258 тактов шины, а в случае применения мостов PCI эта задержка умножается на число дополнительных мостов. В современных чипсетах системных плат шина ISA, порты COM, LPT и другие интерфейсы подключаются к шине PCI через дополнительный мост, следовательно, к собственным задержкам этих интерфейсов добавляются возможные задержки PCI. PCI поддерживает только АПДП (BusMastering или прямое управление шиной) со стороны устройств, называемых ведущими. Уровень возможностей при этом также зависит от устройства. В простейшем случае УВВ обеспечивает пересылку блоков данных в системную память или в обратном направлении по указанию ЦП, более сложные УВВ, обладающие собственным mC, способны выполнять подобные обмены самостоятельно – по программе своего mC.
Устаревая в офисных компьютерах, шина ISA (Industry Standard Architecture) и ее промышленные аналоги не теряют своей популярности в промышленных системах. Основная причина такого явления заключается в том, что характеристики ISA полностью удовлетворяют требованиям задач промышленности: не слишком высокие скорости обмена данными, преобладание одиночных операций чтения/записи над пакетными и т.п. Кроме того, существует огромное количество ISA-плат ввода-вывода, выпущенных во времена расцвета шины, ее относительная простота и низкая стоимость. Функционируя на частоте 8 МГц, шина может быть 8- и 16-разрядной. Карты ISA-8 можно вставлять в слоты ISA-16. В большинстве случаев передачи по шине выполняются за два такта (если позволяет быстродействие устройства). На шине ISA также возможны задержки, например, в случае обмена другого устройства с памятью в режиме ПДП (ISA-8 поддерживает только пассивный ПДП; в ISA-16–системе возможно прямое управление шиной). Например, в чисто ISA-системе (8-разрядная шина, XT/4,7 МГц) – до 2,7 мкс. Таким образом, как и в случае с PCI, временные характеристики системы существенно зависят от ее конфигурации, от того, какие еще устройства и как используются в системе.
Портативные компьютеры также имеют свои стандарты на карты расширения, которые могут быть и УВВ аналоговых и цифровых сигналов. Первый стандарт назывался PCMCIA. В дальнейшем появился стандарт PC Card и интерфейс CardBus. Данные стандарты определяют один и тот же разъем и поддерживают несколько интерфейсов. Тип интерфейса определяется при установке карты в слот, который должен поддерживать требуемый интерфейс. Для УВВ это интерфейс ввода-вывода (пропускная способность составляет 3,92/7,84 Мбайт/с для 8-/16-битных обращений) и интерфейс CardBus, имеющий тот же протокол обмена, что и PCI, но с некоторыми упрощениями. УВВ, предназначенные для портативных компьютеров, можно подключать к PC посредством специальных плат расширения, сигналы с которых выводятся на соответствующие слоты, устанавливаемые на передней панели PC. ПВВ для персональных компьютеров подключаются к портативным посредством специального устройства Docking Station.
Промышленные ПВВ
Некоторые шины промышленных компьютеров на логическом (программном) уровне близки к известным шинам персональных компьютеров. Промышленные аналоги ISA – это PC-104 и MicroPC, для PCI это CompactPCI. Существует множество УВВ с этими интерфейсами, которые можно подключить и к ПК, но через специальные кросс-платы. Многие промышленные стандарты используют модули, соединенные пассивной объединяющей платой, одним или несколькими из которых являются процессорные платы, которые также могут содержать память, графический адаптер, контроллеры портов, дисковые интерфейсы и другие элементы. На базе шины Compact PCI фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI extensions for Instrumentation - расширение PCI для инструментальных систем) в тех же конструктивах. Часть контактов, определенных в Compact PCI как свободно используемые, предназначена в PXI для дополнительных шин. Так дополнительно были введены локальные шины, предназначенные для связи соседних пар слотов. Каждая локальная шина имеет 13 линий, которые могут использоваться не только для цифровых, но и для аналоговых (до 48 В) сигналов. Шина PXI также позволяет осуществлять синхронизацию разных модулей, что часто требуется в измерительных системах. Для прецизионной синхронизации имеется сигнал опорной частоты 10 МГц, который с одинаковыми задержками распространения разводится по всем слотам.
Параллельно с технологиями СompactPCI и PXI в области высокопроизводительных многопроцессорных систем управления и контроля развивается технология VMEbus (Versatile Modular E-bus) cо стандартом для измерительной техники VXI (VMEbus eXtention for Instrumentation) соответственно.
Во встраиваемых промышленных системах также часто применяются мезонинные УВВ. Это платы уменьшенного размера, прикрепляемые, как правило, к процессорным платам, для расширения их возможностей. В области мезонинных технологий существуют свои стандарты, например PMC (PCI Mezzanine Card) или PC-MIP.
Существуют также некие гибридные стандарты промышленных компьютеров, такие как PICMG (PCI + ISA) или PCISA, процессорные платы которых содержат как разъемы шины ISA, так и PCI.