Заключение

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработка информации и операции по осуществлению ее ввода-вывода. С точки зрения операционной системы «обработкой информации» являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже чем оперативная память. Все остальное относится к «операциям ввода-вывода», т. е. к обмену информацией с внешними устройствами.

Несмотря на все многообразие устройств ввода-вывода, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом количестве принципов. Основными физическими принципами построения системы ввода-вывода являются следующие: возможность использования различных адресных пространств для памяти и устройств ввода-вывода; подключение устройств к системе через порты ввода-вывода, отображаемые в одно из адресных пространств; существование механизма прерывания для извещения процессора о завершении операций ввода-вывода; наличие механизма прямого доступа устройств к памяти, минуя процессор.

Механизм, подобный механизму прерываний, может использоваться также и для обработки исключений и программных прерываний, однако это целиком лежит на совести разработчиков вычислительных систем.

Для построения программной части системы ввода-вывода характерен «слоеный» подход. Для непосредственного взаимодействия с hardware используются драйверы устройств, скрывающие от остальной части операционной системы все особенности их функционирования.

Структура шин современного пк

Особенностью современных ПК является совместное применение шин EISA, MCA, VLB, PCI, PCMCIA (CardBus) и AGP (Рис.9.3).

Кэш

2-го

уровня

CPU

Контроллер

Мост pci

Основная

память

Шина Локальная Шина памяти

кэш-памяти шина ШинаPCI

(AGP)

Контроллер

Мост EISA

IDE/EIDE/SCSI

USB

Видеоадаптер

GeForce FX

Сетевой

адаптер

ВП

Монитор

Мышьь

Клавиатурара

Шина EISAилиMCA

Модем

Звуковая

карта

Контроллер принтера

Рис. 9.3 Современный ПК с набором шин - PCI,EISA,SCSI,USB

С ростом частоты работы ЦП и изменения времени доступа к ОЗУ пропускная способность шины ISAв 8 Мбайт/сек стала тормозить работу процессора. Решение проблемы нашли в выделении канала передачи данных МП-ОЗУ в отдельную шину, построенную на базе внешнего интерфейса ЦП, и изолированную от медленной шиныISAпосредством контроллера шины данных. Это повысило производительность работы центрального процессора. Все ПУ продолжали взаимодействовать с центральным процессором через системную шину.

С дальнейшим ростом частоты работы ЦП тормозом в работе стало ОЗУ. Тогда ввели дополнительную высокоскоростную кэш - память, что уменьшило простои ЦП. Все ПУ продолжали работать через системную шину, но кроме ISAпоявились более скоростные шиныEISAиMCA.

По способу передачи информации интерфейсы делятся на параллельныеипоследовательные. Разряды данных могут передаваться в интерфейсах одновременно, т.е. параллельно. Такие интерфейсы называются параллельными, и они имеют шину данных из стольких линий, сколько разрядов передается одновременно. При передаче данных по одной линии последовательно разряд за разрядом, интерфейс называют последовательным. Кажется очевидным, что при одной и той же скорости работы линий интерфейса, пропускная способность параллельного интерфейса выше, чем у последовательного. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи и количества линий данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. Задержка сигналов в различных линиях не одинакова, и это особенно сказывается при увеличении длины линий, что требует для надежной передачи данных дополнительных временных и аппаратных затрат, сдерживая этим рост пропускной способности параллельного интерфейса. Кроме того, в параллельных интерфейсах с увеличением числа параллельных линий и их длины труднее реализовать компенсацию помех, наводимых за счет электрического взаимодействия линий между собой. В последовательных интерфейсах есть свои проблемы повышения производительности, но т.к. в них используется меньшее число линий, повышение пропускной способности канала связи обходится дешевле.

Поэтому важным параметром интерфейсов является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно определяется как частотными свойствами, так и помехозащищенностью используемых каналов связи.

Для интерфейса, соединяющего два устройства (модуля), различаются три возможных режима обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи, но имеющему две группы линий «туда» и «обратно», одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлении «туда» и «обратно» имеет существенно различающееся значения, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию по одним и тем же линиям «туда» и «обратно» поочередно в разные моменты времени, при этом интерфейс имеет средства переключения направлений канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении могут передаваться только вспомогательные сигналы интерфейса).

Шины могут быть синхронными(осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) иасинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

Асинхронная шина не тактируется. Вместо этого обычно используется старт-стопный режим передачи и протокол "рукопожатия" (handshaking) между источником и приемником данных на шине. Эта схема позволяет гораздо проще приспособить широкое разнообразие устройств и удлинить шину без беспокойства о перекосе сигналов синхронизации и о системе синхронизации. Если может использоваться синхронная шина, то она обычно быстрее, чем асинхронная, из-за отсутствия накладных расходов на синхронизацию шины для каждой транзакции. Выбор типа шины (синхронной или асинхронной) определяет не только пропускную способность, но также непосредственно влияет на емкость системы ввода/вывода в терминах физического расстояния и количества устройств, которые могут быть подсоединены к шине. Асинхронные шины по мере изменения технологии лучше масштабируются. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.

Среди применяемых в современных ПК интерфейсов можно отметить EIDI, SCSI, SSA, USB, FireWire (IEEE 1394) и DeviceBay. Среди интерфейсов передачи данных особняком стоят порты ввода/вывода, использующиеся для подключения низкоскоростных периферийных устройств: последовательный порт (COM), параллельный порт (LPT), игровой порт и инфракрасный порт (IrDA).

На определенном этапе развития компьютеров стали широко использовать мультимедиа. Сразу выявилось узкое место во взаимодействии центрального процессора и видеокарты. Потребовалась пропускная способность более 100 Мбайт/с. Имеющиеся системные шины ISA, ЕISA, МСА не удовлетворяли этим условиям. Их пропускная способность составляла от 16 до 30 Мбайт/сек.

Стоит вспомнить, как развивались средства ввода/вывода. Уже к самым первым компьютерам требовалось подключить какие-то внешние устройства, в том числе для ввода и вывода на перфокарты, на магнитные ленты, нужны были принтеры, а затем диски и множество других устройств. Однако эти подключения оставались частными решениями, выполненными без соблюдения каких-либо общепринятых стандартов. Когда началось массовое производство миниЭВМ, потребовались технологии для унификации ввода/вывода, в ответ на это появилась архитектура общей шины, которая обеспечила единообразие подключения периферии, открыв, тем самым, рынок внешних устройств. В последующем, для связи с периферией была выделена отдельная специализированная шина PCI (Peripheral Connection Interface); она оказалась настолько удобной, что сохранилась до сих пор без радикальных изменений. Идеология шины PCI, из самого названия которой следует, что она служит для подключения периферии, складывалась в то время, когда сервер рассматривался как нечто изолированное. Поэтому в нее естественным образом заложена возможность подключения ограниченного количества периферийных устройств через контроллеры, соответствующие каждому типу устройства. Традиционный ввод/вывод предполагает подключение накопителей напрямую к стандартной шине PCI; для этого широко используются параллельные интерфейсы SCSI (Small Computer Systems Interface), ATA (Advanced Technology Attachment) или Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). Одновременно постепенно происходит сериализация интерфейсов; компьютерная индустрия мигрирует на Serial Attached SCSI и Serial ATA.

Выход был найден с разработкой и внедрением локальных высокоскоростных 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 МПi486. Затем появилась локальная шина РСI. 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/с. Системная шинаISAпо-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.Важнейшее отличие шины PCI от шины ISA заключается в возможности динамического конфигурирования периферийных устройств, то есть система распределяет ресурсы между периферийными устройствами оптимальным образом и без постороннего вмешательства. С появление шины РСIстало целесообразным использовать высокоскоростные параллельные и последовательные интерфейсы ПУ (SCSI,ATA,USB). Появление шины РСIне 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. фирмаIntelразработала новую шинуAGP, предназначенную только для связи ОЗУ и процессора с видеокартой монитора. Эта шина обеспечивала пропускную способность в сотни Мбайт/сек. Она непосредственно связывала видеокарту с ОЗУ минуя шину РСI.

Все шины систем ввода-вывода объединяются в единую транспортную среду передачи информации с помощью специальных устройств: мостов и контроллеров ввода-вывода (Chipset).

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.

В структуре компьютера, использующего шину РСI, применяются три типа мостов. Мост шины – южный мост (РСIBridge), производящий подключение шины РСIк другим шинам, например,ISAили ЕISA. Главный мост – северный мост (HostBridge), соединяющий шину РСIс системной шиной, кроме того, этот мост содержит контроллер ОЗУ, арбитр и схему автоконфигурации. Одноранговый мост (Peer-to-Peer) для соединения двух шин РСIмежду собой. Это делается для увеличения числа устройств, подключаемых к шине.

Для управления шинами и обеспечения выполнения функций интерфейсов, входящих в систему ввода-вывода, применяются специальные контроллеры и схемы. К ним можно отнести контроллеры прерываний 8259А и прямого доступа к памяти 8237А, таймер 8254А, часы реального времени, буферы шин данных, дешифраторы, мультиплексоры, регистры и другие логические устройства.

PCIExpress

По прогнозам, в ближайшие десять лет требования к пропускной способности шин ввода-вывода возрастут в 50 раз. Но традиционная архитектура параллельных шин типа PCI и AGP уже почти достигла предела своих возможностей (физический лимит для них - примерно 1 ГГц). Последовательный интерфейс PCI Express, имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, призван заменить шину PCI (и ее клон - AGP), исправно работающую в компьютерной технике уже более десяти лет.

В то время как процессоры уже не первый год успешно движутся в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, HyperTreading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на последовательные решения. Причины обеих тенденций схожи и довольно просты - необходимо сбалансированное наращивание производительности всех компонентов компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться.

PCI Express была разработана с расчетом на разнообразные применения - от полной замены шин PCI 2.2 или PCI-X в настольных компьютерах и серверах до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. Физическая реализация шины передачи данных - это две дифференциальные пары проводников с импедансом 50 Ом (первая пара работает на прием, вторая - на передачу), данные по которым передаются с использованием избыточного кодирования по схеме "8/10" с исправлением ошибок. Это позволяет исправлять многие простые ошибки, неизбежные на столь высоких частотах. Как и в любой сети, передаваемые данные дополнительно нарезаются небольшими кусочками - фреймами. При тактовой частоте шины 2,5 ГГц мы получим скорость 2,5 Гбит/с. С учетом выбранной схемы "8/10" выходит 250 Мбайт/с, однако многоуровневая сетевая иерархия не может не сказаться на скорости работы, и реальная производительность шины оказывается значительно ниже - всего лишь около 200 Мбайт/с в каждую сторону. Впрочем, даже это на 50% больше, чем теоретическая пропускная способность шины PCI. Но это далеко не предел: PCI Express позволяет объединять в шину нескольких независимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1, 2, 4, 8, 16 и 32 линий - передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме "первый байт на первую линию, второй - на вторую, ..., n-й байт на n-ю линию, n+1-й снова на первую, n+2 снова на вторую" и так далее. Это не параллельная передача данных и даже не увеличение разрядности шины (поскольку все передающиеся по линиям данные передаются абсолютно независимо и асинхронно) - это именно объединение нескольких независимых линий. Причем передача по нескольким линиям никак не влияет на работу остальных слоев "пирамиды" и реализуется сугубо на "нижнем", физическом уровне. Именно этим достигается прекрасная масштабируемость PCI Express, позволяющая организовывать шины с максимальной пропускной способностью до 32x200=6,4 Гбайт/с в одном направлении, под стать лучшим параллельным шинам сегодняшнего дня. PCI Express относится к шинам класса "точка-точка", то есть одна шина может соединять только два устройства (в отличие от PCI, где на общую шину "вешались" все PCI-слоты компьютера), поэтому для организации подключения более чем одного устройства в топологию организуемой PCI Express, как и в Ethernet-решениях на базе витой пары или устройствах USB, придется вставлять хабы и свитчи, распределяющие сигнал по нескольким шинам. Это тоже одно из главных отличий PCI Express от прежних параллельных шин.

Чипсет

В настоящее время управление потоками передаваемых данных производится с помощью мостов и контроллеров, входящих в ChipSet. ИменноChipSetопределяет 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.

В плане практической реализации шина PCI Express представляет собой целый аппаратный комплекс, затрагивающий северный и южный мосты чипсета, коммутатор и оконечные устройства. Новым термином здесь является коммутатор (switch), заменяющий одну шину со многими подключениями коммутируемой технологией.

Коммутатор обеспечивает одноранговую связь между различными оконечными устройствами, то есть снижает нагрузку на мост. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический. Примерные схемы внедрения PCI Express в настольный компьютер и сервер представлены на следующем рисунке.

В "десктопных" системах PCI Express 16x в первую очередь вытеснит AGP 8x в качестве "графической шины", соединяющей видеокарту и северный мост чипсета. Затем на PCI Express пересадят многие интегрированные устройства - гигабитный сетевой и RAID-контроллеры. К обычным PCI-слотам добавят PCI Express x1. В качестве межчипсетной шины (соединяющей мосты чипсета) PCI Express будет выступать вместе со старыми шинами (VIA VLink, SiS MuTIOL) - некоторые производители чипсетов пока не желают отказываться от своих проприетарных шин.

Выводы

Компоненты ЭВМ соединяются шинами. Большинство выводов обычного ЦПУ запускают одну линию шины. Линии шины можно подразделить на адресные, информационные и линии управления. Синхронные шины запускаются задающим генератором. В асинхронных шинах для согласования работы задающего и подчиненного устройств используется сигналы специального назначения. Современные процессоры используют все разнообразие шинных интерфейсов: PCI,ISA,USB,SCSIи т.д.