8. Системные и локальные шины

9.1. Общие положения и требования к шинам

При работе компьютера, состоящего из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Например, процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью; с другой стороны, необходима связь памяти и процессора с устройствами ввода/вывода. Связь между различными подсистемами компьютера обеспечивается с помощью наборов линий, называемых шинами. Шины можно разделить на группы в соответствии с выполняемыми ими функциями. Шины могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных между АЛУ и регистрами, а могут быть внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода/вывода.

Операции на шине назавыются транзакциями. Основные виды – транзакции чтения и транзакции записи или транзакции ввода и транзакции вывода. Шинная транзакция состоит из двух частей: посылка адреса и прием (или посылка) данных.

Связанные с шиной устройства должны подчиняться определённым правилам, которые называют протоколами шины. Некоторые устройства, связанные с шиной, являются активными и могут инициировать передачу информации по шине, а другие – пассивными и ждут запросов. Активное устройство называют задающим (bus master), пассивное – подчинённым (bus slave). Процессор является задающим устройством, если он требует от контроллера считать или записать информацию. В этом случае контроллер является пассивным устройством. Контроллер становится задающим устройством, если он командует приёмом слов в память, ранее считанных им с диска.

Механизм, обеспечивающий как связь, так и взаимодействие устройств компьютера, реализуется с помощью унифицированной совокупности средств связи – интерфейсов, которые требуют стандартизации, распространяемой на форматы передаваемых данных, команды, наборы шин, алгоритмы, сигналы и т. д. Интерфейс – это совокупность унифицированных шин для передачи информации, электрических схем, управляющих прохождением сигналов по шинам и алгоритмов, управляющих обменом информации.

Интерфейсы подразделяют на односвязные и многосвязные. Односвязные интерфейсы используют единственную центральную шину – магистраль, к которой подсоединяются все устройства на основе принципа разделения времени. Так как несколько устройств могут одновременно стать ведущими и пытаться захватить шину, то магистраль должна использоваться в режиме разделения времени. Ведущие устройства снабжаются приоритетом использования магистрали.

Подобная организация имеет два основных преимущества:

• низкая стоимость,

• универсальность.

Поскольку такая шина является единственным местом подсоединения для разных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены в систему. Стоимость такой организации получается достаточно низкой, поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины, разделяемый множеством устройств. Главным недостатком организации с единственной шиной является то, что шина создает узкое место, ограничивая максимальную пропускную способность ввода/вывода.

В коммерческих системах, где ввод/вывод осуществляется очень часто, а также в суперкомпьютерах, где необходимые скорости ввода/вывода очень высоки из-за высокой производительности процессора, одним из главных вопросов связи устройств является создание системы нескольких шин, способной удовлетворить все запросы. Использование для связи устройств в компьютере нескольких независимых систем шин характерно для многосвязных интерфейсов.

Для всех видов передачи информации используется стандартная совокупность сигналов и общие временные диаграммы. Так как устройства имеют разные характеристики по быстродействию, то они подключаются к шинам через соответствующие контроллеры. Характеристики интерфейса со стороны периферийного устройства должны быть согласованы с характеристиками этого устройства. В соответствии с типом устройства надо использовать специализированный интерфейсный кристалл, на котором реализованы аппаратные средства интерфейса. Поскольку внешние сигналы периферийных устройств могут отличаться, то для унификации интерфейсного кристалла эти отличия реализуются программным путем. Такой интерфейс принято называть программируемым. Отличия определяются с помощью записи значений соответствующих битовых комбинаций в предусмотренные для этого регистры интерфейсного кристалла.