89 Структура и принципы работы системных шин

Системная шина процессора предназначена для обмена информацией микропроцессора с любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы (контроллера или компьютера). В качестве обязательных устройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы, можно назвать ОЗУ, ПЗУ, таймер и порты ввода-вывода. Структурная схема простейшего микропроцессорного устройства приведена на рисунке 1.В состав системной шины в зависимости от типа процессора входит одна или несколько шин адреса, одна или несколько шин данных и шина управления. Несколько шин данных и адреса применяется для увеличения производительности процессора и используется только в сигнальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных.В понятие шины вкладывают разное значение при рассмотрении различных вопросов. В простейшем случае под понятием шина подразумевают параллельно проложенные провода, по которым передаётся двоичная информация. При этом по каждому проводу передаётся отдельный двоичный разряд. Информация может передаваться в одном направлении, как, например, для шины адреса или шины управления, или в различных направлениях (для шины данных). По шине данных информация передаётся либо к процессору, либо от процессора в зависимости от операции записи или чтения, которую в данный момент осуществляет процессор.В любом случае все сигналы, необходимые для работы системной шины формируются микросхемой процессора как это рассматривалось при изучении блока обработки данных. Иногда для увеличения скорости обработки информации функции управления системной шины берёт на себя отдельная микросхема (например контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор). Арбитраж доступа к системной шине при этом осуществляет контроллер системной шины (в простейшем случае достаточно сигнала занятости шины).В некоторых случаях в понятие шина дополнительно включают требования по уровням напряжения, которыми представляются нули и единицы, передаваемые по её проводам. В состав требований могут быть включены длительности фронтов передаваемых сигналов, типы используемых разъёмов и их распайка, последовательность передаваемых сигналов и скорость их передачи.

Рисунок 1. Структурная схема подключения микропроцессорных устройств к системной шине.

При подключении различных устройств к системной шине возникает вопрос - как различать эти устройства между собой? Единственный способ сделать это использовать индивидуальный адрес для каждого устройства, подключенного к системной шине микропроцессора. Так как адресация производится к каждой ячейке устройства индивидуально, то возникает понятие адресного пространства, занимаемого каждым устройством и адресного пространства микропроцессорного устройства в целом.

90 Персональных компьютерах используются системные шины стандартов isa, eisa, vlb и psi

Шина ISA

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) применяется начиная с процессора i80286. Гнездо для плат расширения включает основной 64-контактный и дополнительный 36-контактный разъемы. Шина 16-разрядная, имеет 24 адресные линии, обеспечивает прямое обращение к 16 Мбайт оперативной памяти. Количество аппаратных прерываний — 16, каналов DMA — 7. Допускается возможность синхронизации работы шины и процессора разными тактовыми частотами. Тактовая частота — 8 МГц. Максимальная скорость передачи данных — 16 Мбайт/с.

Шина EISA

Для процессора i80386 с целью повышения производительности разработана шина EISA (Extended Industry Standard Architecture). Шина обеспечивает 32-разрядную передачу данных, в том числе в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения, позволяет адресовать до 4 Гбайт памяти. Доступ к памяти имеет не только процессор, но и платы управляющих устройств типа bus-master (управляющие передачей данных по шине), и устройства, имеющие возможность организовать режим DMA. Стандарт поддерживает многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" плат, оснащенных собственными микропроцессорами: данные от контроллеров дисков, графических и сетевых адаптеров обрабатываются независимо, не загружая основной процессор.

Максимальная скорость передачи данных — 33 Мбайт/с (в пакетном режиме). В стандартном режиме скорость такова же, как у шины ISA.

Разъем шины EISA — универсальный, допускается установка как EISA, так и обычных ISA плат расширения.

Контроллер DMA поддерживает 8-, 16- и 32-разрядные режимы передачи данных.

Тактовая частота шины — 8–10 МГц.

Компьютеры, использующие системные платы с шиной EISA, достаточно дорогие. В основном это мощные файл-серверы или рабочие станции.

Шина VLB

Шина VLB (VESA Local Bus) предложена ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association). Она является расширением шины процессора и предназначена для работы с контроллерами накопителей и видеоадаптером. Цель разработки — увеличение быстродействия компьютера за счет повышения тактовой частоты работы периферийных устройств (до 33 МГц и выше).

спецификация шины — 32-разрядная, обеспечивает подключение до 3 периферийных устройств. Подключаемые устройства — контроллеры накопителей, видеоадаптеры, сетевые платы. Конструктивно VLB выглядит как короткий 112-контактный соединитель, установленный рядом с разъемом ISA. В нем 32 линии используются для передачи данных, 30 для передачи адреса. Максимальная скорость передачи данных по шине — 130 Мбайт/с.

спецификация — разработана после появления процессора Pentium. Предусмотрено использование 64-разрядной шины данных, увеличение количества разъемов расширения (3 на 40 МГц и 2 на 50 МГц). Скорость передачи данных возросла до 400 Мбайт/с.

Шина PCI

Шина PCI (Peripherals Connection Interface) разработана фирмой Intel. В отличие от VLB, она может использоваться вне зависимости от типа процессора и в иных компьютерных платформах. Эта шина является стандартом для систем на базе Pentium. К шине подключается до 10 устройств. Шина работает на фиксированной частоте 33 МГц, обеспечивает режим автоконфигурации PnP (Plug and Play). Шина использует 124-контактный (32-разрядная) или 188-контактный разъем (64-разрядная передача данных). Скорость обмена — до 264 Мбайт/с. Спецификация PCI 2.1 обеспечивает работу с частотой 66 МГц и скорость обмена до 520 Мбайт/с.

Современные конфигурации На материнских платах с процессором Pentium обычно устанавливают 3 ISA и 4 PCI разъема плат расширения. С совершенствованием системных плат и переходом к новым типам процессоров количество слотов ISA уменьшается, а слотов PCI возрастает. Все большее количество плат расширения переводится с медленной шины ISA на быструю PCI. Например, на системной плате S1837UANG Thunderbolt, выпущенной в 1999 г. предусмотрены 1 слот расширения шины ISA и 6 слотов шины PCI. В ближайшей перспективе, по завлениям разработчиков системных плат, полный отказ от шины ISA и переход на шину PCI.