Шинная архитектура ibm pc
Переход от мэйнфреймов к малым ЭВМ (мини и микро) сопровождался существенным упрощением внутренней структуры компьютера, а именно, переходом к магистрально-модульной структуре, простейший вариант которой представлен на рис. 1.4. Магистрально-модульная структура предполагает наличие в компьютере некоторой общей магистрали, к которой в необходимой номенклатуре и количестве подключены все устройства ЭВМ, выполненные в виде функционально законченных блоков. Эта магистраль получила название системной . Первоначально это был единственный канал связи, по которому внутри ЭВМ передавалась информация между двумя и более компонентами системы. В процессе эволюции мини- и микроЭВМ, а также повышения быстродействия процессоров одной системной магистрали оказалось недостаточно. Однако необходимость преемственности программно-аппаратных средств серийно выпускаемых компьютеров разных поколений не позволила так просто заменить разработанные ранее системные магистрали на более быстродействующие, хотя их производительность не соответствовала производительности новых поколений процессоров. Компромиссным решением этой проблемы оказалось введение помимо основной системной магистрали ряда других, более быстродействующих магистралей, которые получили название локальных шин. В процессе эволюции ЭВМ некоторые из них потеряли свое значение и исчезли (например, VLB), другие продолжали развиваться, принимая на себя все больше функций основной системной магистрали (например, PCI). Ввиду этого в современных компьютерах помимо основной системной магистрали, имеется ряд быстродействующих локальных шин различного назначения.
Прежде чем перейти к рассмотрению основных этапов эволюции шинной архитектуры PC фирмы IBM, необходимо сделать ряд замечаний. Уже отмечалось, что в литературе встречаются различные термины для обозначения системной или общей магистрали. Это, прежде всего термины: "общая шина", "системная шина", "шина ВВ" и "шина расширения". Последний термин отражает тот факт, что системная магистраль позволяет подключать к компьютеру дополнительные ПУ для расширения или изменения его возможностей, т.е. позволяет изменять конфигурацию оборудования. При этом часть устройств ВВ устанавливается непосредственно на системной (материнской) плате и не может быть заменена пользователем, а часть устройств ВВ размещается в слотах, установленных на системной магистрали. При взаимодействии с МП те и другие используют одну и ту же системную магистраль. Количество слотов расширения может быть разным. В первом IBM PC их было пять, а в PC/XT – восемь. В последующих моделях РС, имеющих быстродействующие локальные шины, их число изменялось в зависимости от конкретной конфигурации материнской платы.
При дальнейшем изложении материала будет использоваться термин шина расширения (ШР), поскольку сама системная магистраль уже в первых РС претерпела существенные изменения по сравнению с классическим вариантом структуры простейшей микроЭВМ, изображенным на рис. 1.4.
1. Локальная системная шина
Быстродействие ШР первых IBM PC (8 МГц) вполне соответствовало быстродействию процессора I8088, на базе которого они были построены. Между тем для оптимизации процесса обмена между ОП и МП разработчики пошли на усложнение структуры РС и ввели две добавочные шины – шину процессора и шину памяти. Таким образом, обмен внутри ядра ЭВМ (т.е. между ОП и МП) осуществлялся не по ШР, а по автономной магистрали, состоящей из двух шин, которую некоторые авторы называют локальной системной шиной. Этот термин будет использоваться при дальнейшем изложении материала. Взаимодействие шины процессора и шины памяти, а также их взаимодействие с ШР осуществлялось через набор специализированных микросхем (чипсет), которые условно можно назвать контроллером шины. Очень упрощенная структура шин первых IBM PC приведена на рис. 10.1.
Шина процессора является самой быстродействующей и предназначается для передачи данных, команд, адресов и сигналов управления между МП и контроллером шины, который связывает ее с ОП и ШР. Шина процессора первых IBM PC работала на той же тактовой частоте, что и процессор, поэтому слово данных или адрес могли быть переданы по ней в течение одного – двух периодов тактовой частоты процессора (в современных РС тактовая частота шины процессора всегда ниже тактовой частоты процессора). К этой же шине подключался внешний кэш, что позволяло вести обмен процессор – кэш с максимальной скоростью. Число физических цепей в шине процессора существенно различно для различных поколений процессоров. Так, в компьютере с процессором I80286 шина процессора имела 24 линии адреса, 16 линий данных и 12 линий сигналов управления, а в компьютере с процессором Pentium было уже 32 линии адреса, 64 линии данных и почти в три раза больше сигналов линий управления.
Скорость передачи данных по шине процессора (как и по любой другой шине) определяется произведением разрядности шины на тактовую частоту шины, деленному на число тактов, необходимое для передачи одного бита. Так, для первых моделей процессора Pentium с тактовой частотой 66 МГц, совпадающей с тактовой частотой шины процессора, максимальная скорость передачи данных составляет
66 МГц 64 бита = 4224 Мбит/с 4224 Мбит/с : 8 = 528 Мбайт/с.
При этом предполагается, что передача машинного слова происходит за один период тактовой частоты шины. Эта скорость передачи данных называется пропускной способностью шины и является максимальной. Она всегда выше средней рабочей производительности шины примерно на 25%. Таким образом, для рассмотренного примера средняя рабочая производительность шины будет составлять около 400 Мбайт/с.
Шина памяти предназначена для передачи информации между ОП и МП, а также ОП и ПУ в режиме ПДП. Информация по шине памяти передается с существенно меньшей скоростью, чем по шине процессора. Это связано с тем, что шина памяти содержит меньше линий данных. Их число определяется шириной выборки. Кроме того, как уже отмечалось, быстродействие микросхем памяти всегда отстает от быстродействия процессора, поэтому процесс передачи информации по шинам памяти и процессора (т.е. по локальной системной шине) требует обязательной синхронизации, которая осуществляется контроллером шины. Уже в первых моделях IBM PC ОП выполнялась в виде отдельных модулей (SIMM), которые размещались в специальных слотах, расположенных на шине памяти, аналогично слотам на ШР. Этот принцип сохранен и в современных PC, хотя сами слоты и модули памяти (DIMM) несколько видоизменились.