Учебники 80389

Рассмотрим подробнее первых два типа интерфейсов. Современные системы включают два типа шин:

•системная шина, соединяющая процессор с ОЗУ и кэш-памятью 2- го уровня;

•множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с различными периферийными устройствами. Последние соединяются с системной шиной посредством моста, встроенного в набор микросхем (chipset), который поддерживает функционирование процессора (рис. 6.1).

вывода

Рис. 6.1. Системные интерфейсы и интерфейсные ввода - вывода

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разделена на две:

•первичная шина (FSB, Frontside bus), связывающая процессор с ОЗУ и ОЗУ с периферийными устройствами;

•вторичная шина (BSB, Backside bus) для связи с кэш-памятью. Использование двойной независимой шины повышает производи-

тельность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует отметить, что используемая в настоящее время для описания интерфейсов терминология не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора», или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняяшина», «хост-шина» иопятьже— «локальнаяшина».

6.2. Внутренние интерфейсы

Интерфейсы, характеристики которых приводятся в табл. 6.1, а конфигурация разъемов - на рис. 6.2, относятся к внутренним интерфейсам.

Шина ISA (Industry Standard Architecture) — стандартные шины

XT (8 бит) и AT (16 бит). Шина XT имеет:

•8-битовую шину данных;

•20-битовую шину адреса, что позволяет адресоваться к 220 = 1 Мбайт памяти;

•3 канала прямого доступа к памяти (DMA);

•тактовую частоту 8 МГц;

121

•пропускную способность 4 Мбайт/с;

•62-контактный разъем.

Из архитектурных особенностей шины укажем, что шина XT поддерживает централизованный метод арбитража, для чего в ней имеются общие линии запроса и ответа. Для обеспечения арбитража всем устройствам присваивается фиксированный уровень приоритета. Шина снабжена пятью линиями запроса на прерывания от различных устройств ПЭВМ к центральному процессору для привлечения его внимания. Каждая линия имеет фиксированный приоритет. Запускпроцедурыпрерыванияпроизводитсяпофронтусигнала

В настоящее время XT практически не применяется.

В компьютерах AT шина расширена до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне как самая распространенная шина для периферийных адаптеров. Шина AT имеет:

•16-битовую шину данных;

•24-битовую шину адреса, что позволяет адресоваться к 16 Мбайт памяти;

•8 каналов прямого доступа (DMA);

•тактовуючастоту 8/16 МГц;

•пропускную способность 8(16)Мбайт/с; Максимальная скорость передачи данных составляет (8 МГц х 16 бит = 128 Мбит/с, 128

Рис. 6.2. Разъемы шин ISA,

122

Мбит/с / 2 (передача данных требует от 2 до 8 тактов) = 64 Мбит/с = 8 Мбайт/с).

Все перечисленные ресурсы системной шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Это подразумевает, что каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA. Области адресов для чтения не должны пересекаться. «Подсматривать» не ему адресованные операции записи не возбраняется.

Для шины ISA выпускаются два типа плат расширения — 16- и 8- разрядные платы. Шина ISA до сих пор используется в компьютерах i286, i386 и в части i486, а также в более современных в сочетании с шиной PCI.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture). Появилась в 1988 г. в качестве альтернативного варианта шины МСА и представляет собой дальнейшее развитие шины ISA. Главное преимущество по сравнению с МСА - совместимость с ISA и соответственно возможность использования многочисленных плат адаптеров, разработанных для ISA.

Основные характеристики:

•32-разрядная шина данных;

•32-разрядная шина адреса, что позволяет адресоваться к 4 Гбайт памяти;

•восемь каналов прямого доступа (DMA);

•частота работы 8,33 МГц;

•пропускная способность - 33,3 Мбит/с.

Поддерживает режим автоматического конфигурирования Plug & Play. Шина позволяет однозначно определять устройства, подключенные к каждому из разъемных соединителей расширения. Специальные коды плат расширения считываются ПЭВМ во время ее загрузки. Используется «географический» принцип адресации устройств, когда магистральные линии системной шины дополнены индивидуальными (радиальными) линиями связи от каждого разъема расширения. Режим автоконфигурации устанавливается автоматически для плат EISA во время инициации.

При создании EISA использован ряд технических новшеств, позволивших существенно улучшить характеристики шины, в частности шина поддерживает программно-конфигурируемые адаптеры, позволяющие автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем.

В шине применен режим Burst Mode - скоростной режим пересылки пакетов данных, что существенно повышает производительность шины. Активное устройство, подсоединенное к шине (bus master), может использовать два режима передачи данных — стандартный и пакетный. Стандартный режим передачи требует, чтобы управляющее и управляемое устройства обменивались соответствующими сигналами управления для записи или чтения 16или 32-разрядных чисел. В пакетном режиме данный обмен выполняется лишь в начале передачи. Для обеспечения пакетного режима в шине EISA использованы специальные символы управления.

EISA - дорогая, но оправдывающая себя архитектура, применяющаяся в многозадачных системах, на файл-серверах и везде, где требуется вы-

123

сокоэффективное расширение шины ввода-вывода. Перед шиной PCI у нее есть некоторое преимущество в количестве слотов, которое для одной шины PCI не превышает четырех, а у EISA может достигать восьми.

Шина MCA (MicroChannel Architecture). MCA - микроканальная архитектура - была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50. Шина МСА несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами.

Состав управляющих сигналов, протокол и архитектура ориентированы на асинхронное функционирование шины и процессора, что снимает проблемы согласования скоростей процессора и периферийных устройств.

Существует два варианта шины — 16- и 32-разрядный (имеются в виду биты данных). В обоих вариантах поддерживается технология Plug & Play (программное конфигурирование).

Основные характеристики:

•для 16-разрядной МСА:

6-разрядная шина данных;

24-разрядная шина адреса, что позволяет адресоваться к 16 Мбайт памяти;

частотаработы10 МГц(возможныидругиечастоты16 МГциболее);

пропускная способность - 16 Мбайт/с;

•для 32-разрядной МСА:

—32-разрядная шина данных;

—32-разряднаяшинаадреса, чтопозволяетадресоватьсяк4 Гбайтпамяти;

—частота работы - 10 МГц;

—пропускная способность -20 Мбайт/с (в литературе говорится о возможности достижения 40 Мбайт/с и выше.)

Основные преимущества шины МСА заключаются в следующем- 1.Микроканал позволяет эффективно, и автоматически конфигури-

ровать все устройства программным путем (в МСА PS/2 нет ни одного переключателя).

2.Шина МСА дает возможность реализовать многопользовательский и многозадачный режимы работы микропроцессора. Этому способствует схема арбитража САСР (Central Arbitration Control Point), с помощью кото-

рой различные устройства получают доступ к системной шине данных; если два и более устройства одновременно пытаются получить управление МСА, аппаратные средства МСА разрешают этот конфликт. Схема преодоления конфликтов децентрализована, с защитой от монополизации. Аппаратные средства дают возможность поддерживать до 16 «интеллектуальных» устройств, взаимодействующих по шине без всяких помех: до 8 микропроцессоров и 8 других устройств.

3.Повышенная по сравнению с шиной AT частота и разрядность обеспечиваютсравнительновысокуюпропускнуюспособность(до40 Мбайт/с).

4.Такие секции шины, как видеорасширения отображаемой памяти, а также аудиоканал, позволяют адаптерным платам соответственно: получать доступ к контроллеру VGA на системной плате; реализовывать специальный режим передачи данных Matched Memory; обмениваться аудиосигналами с системной платой.

124

5.Использование новых технологий монтажа и формата адаптерных плат, повышенная плотность размещения выводов микросхем и разъемов, существенно уменьшающих генерацию ПЭВМ электромагнитного излучения. Снижению помех прежде всего способствует размещение выводов в разъемах расширения и адаптерных платах: через каждые четыре вывода имеется вывод «земля» с обеих сторон разъема. Размещение выводов сдвинуто на противоположных сторонах разъема на два вывода, в результате чего каждый сигнальный вывод становится смежным с «землей». Более короткие проводники также обеспечивают снижение генерации помех.

При всей прогрессивности архитектуры (относительно ISA) шина МСА не пользуется популярностью из-за узости круга производителей МСА - устройств и полной их несовместимости с массовыми ISA-системами. Однако МСА еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обес- печениевысоконадежногопроизводительноговвода-вывода.

Локальные шины VLB и PCI. Попытки улучшить системные шины за счет создания шин МСА и EISA имели ограниченный успех и не решали кардинальным образом проблемы, связанной с необходимостью быстрой «прокачки» по шине больших объемов информации, что особенно важно для высококачественных графических задач.

При появлении новых высокопроизводительных процессоров сдерживание производительности всей системы из-за недостаточной пропускной способности шины стало особенно очевидным.

Для решения проблемы были разработаны так называемые локальные шины (рис. 6.3), при этом исторически первой появилась шина VLB (VESA Local Bus), а приблизительно год спустя - шина PCI.

Шина PCI Частота PCI

Рис. 6.3. Локальные шины

125

Основные предпосылки, заложенные при создании локальной шины сводятся к следующему. Локальные шины обеспечивают подключение периферии к скоростной шине собственно процессора (аналогично внешнему кэшу). При этом шина работает с частотой соответствующей тактовой частоте процессора. Передачей данных управляет не центральный процессор, а плата расширения (мост), который высвобождает микропроцессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройства: память, дисплей, дисковые накопители, при этом обслуживание сравнительно медленных устройств - мышь, модем, принтер и др. - производится системной шиной типаISA (EISA).

Локальная шина VL-Bus (VESA). Исторически появилась первой и была создана специально для лучшего микропроцессора того времени 480DX/2. В зависимости от используемого центрального процессора тактовая частота шины может составлять от 20 до 66 МГц.

Стандарт шины VL 1.0 поддерживает 32-разрядный тракт данных, но его могут использовать и 16-разрядные устройства. Стандарт 2.0 рассчитан на 64-битовую шину в соответствии с новыми процессорами. Спецификация 1.0 ограничена частотой 40 МГц, а 2.0 - 50 МГц. В спецификации 2.0 шина поддерживает до 10 устройств, 1.0 - только три. Устойчивая скорость передачи составляет до 106 Мбайт/с (для 64-разрядной шины - до 260 Мбайт/с). Несмотря на то, что шина была оптимизирована на процессоры семейства 86, она может работать и с другими процессорами, что делает ее потенциальным кандидатом для разработки смешанных платформ.

Интересная возможность шины заключается в том, что 64-битовое устройство в 32-битовом слоте может работать как 32-битовое, и наоборот, 32-битовое устройство может работать в 64-битовом слоте как 32-битовое.

Спецификация определяет два вида устройства VL-шины - целевые устройства (Local Bus Target - LBT) и активные устройства шины (Local Bus master - LBM). Активное устройство может инициировать передачу данных по шине и иметь собственный процессор. С другой стороны, целевые устройства отвечают на запросы, инициированные активными устройствами шины. СлотышиныVL располагаютсяврядсимеющейсяшинойISA, EISA илиМСА.

Шину VLB обычно использовали для подключения графического адаптера и контроллера дисков. Адаптеры локальных сетей для VLB практически не встречаются. Иногда встречаются системные платы, в описании которых указано, что они имеют встроенный графический и дисковый адаптер с шиной VLB, но самих слотов VLB нет. Это означает, что на плате установлены микросхемы указанных адаптеров, предназначенные для подключения к шине VLB. Такая неявная шина по производительности естественно не уступает шине с явными слотами. С точки зрения надежности и совместимости это даже лучше, поскольку проблемы совместимости карт и системных плат для шины VLB стоят особенно остро.

Локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus) - ши-

на соединения периферийных компонентов. Эта шина занимает особое место в современной архитектуре ПК (mezzanine bus), являясь мостом, между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или МСА. Эта шина разрабатывалась в расчете на Pentium-системы, но хорошо сочетается и

126

с 486 процессорами, а также с не-Интеловскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. Частота шины 20-33 МГц, PCI 2.1 допускает частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость - 132/264 Мбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц. Слот PCI достаточен для подключения адаптера (в отличие от VLB), на системной плате он может сосуществовать с любой из шин вводавывода и даже с VLB (хотя в этом и нет необходимости). Шина PCI является самой высокоскоростной шиной расширения современных ПК (не считая специализированного порта AGP).

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to- Peer Bridge одноранговый мост) используется для соединения двух шин PCI Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах, дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию Plug and Play. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьми битных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллерашиныPCI, расположеннымвегопространствеввода-вывода.

Всостав команд шины PCI введены сигналы для тестирования адаптеров поинтерфейсуJTAG. Насистемнойплатеэтисигналыневсегдазадействованы, номогутиорганизовыватьлогическуюцепочкутестируемыхадаптеров.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете не определено, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течение которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, Параметры которого задаются при конфигурировании устройств шины.

Вкаждом обмене участвуют два устройства — инициатор обмена (Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел, входящий в состав чипсета системной платы. Для согласования быстродействия устройствучастников обмена предусмотрены два сигнала готовности IRDY и TRDY. Для адреса и данных на шине используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированные линии С/ВЕ[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных.

Известны также более поздние разновидности — PCI-X и PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA — стандарт на шину блокнотных компьютеров. Она позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллерыдисковистримеров, SCSI-адаптеры, сетевыеадаптерыидр.

Базовый вариант адресует до 64 Мбайт памяти, разрядность 16 бит, час-

127

тота до 33 МГц. Прямой доступ DMA не поддерживается, конфигурирование адаптеровтолькопрограммное.

Различают четыре типа PCMCIA. Электрически идентичные, они отличаются по габаритам и совместимы снизу вверх (меньшие адаптеры вставляются в большие гнезда). Толщина адаптера типа 1 не более 3,3 мм, типа 2 - 5 мм, типа3 - 10,5 мм (НЖМД типа 3 имеет толщину 13 мм), типа 4 больше (нет стандарта).

Все PCMCIA устройства имеют минимальное энергопотребление. Ведется работа по улучшению и расширению упомянутого базового стандарта, так в литературе говорится о 32-разрядной реализации, в которой производитсямультиплексирование имеющихся 16 аппаратных линий данных.

AGP (Accelerated graphics port). Несмотря на разрядность и ско-

рость шины PCI, оставалась проблема, которая превышала ее возможности, - передачу графической информации. Повышение разрешающей способности и цветности мониторов привело к необходимости повышения скорости передачи до 250 Мбит/с, в то время как пиковая пропускная способность PCI составляла до 132 Мбит/с.

Фирмой Intel было предложено решение в виде AGP - Accelerated graphics port (порт ускоренного графического вывода, рис. 6.4).

Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с четырьмя источни-

ками информации (Quadro port acceleration):

•процессор (кэш-память 2-го уровня);

•оперативная память;

•графическая карта AGP;

•шина PCI.

Процессор Pentium

Ядро проКэш L2 цессора

528 Мбит/с

Рис. 6.4. Схема взаимодействия элементов с использованием AGP

AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB). При тактовой частоте 66 МГц, например, это в 2 раза выше, чем скорость PCI, и позволяет достичь пиковой пропускной способности в 264 Мбит/с. В графических картах, специально спроектированных для AGP, передача происходит как по переднему, так и по заднему фронту тактовых импульсов

128

ЦП, что позволяет при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до 528 Мбит/с (это называется «2-х графика»). В дальнейшем была выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику», или четырехкратную передачу данных за один такт ЦП.

6.3. Интерфейсы периферийных устройств.

IDE (Integrated Device Electronics) - интерфейс устройств со встроен-

ным контроллером (рис. 6.5). При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контроллера от диска существенно повышается быстродействие. Сигналыинтерфейсасокращенныйнаборбуферизированныхсигналов.

Рис. 6.5. Интерфейс Enhanced IDE (EIDE)

Проблема накопитель-компьютер состоит из трех частей. Компьютер должен взаимодействовать с контроллером (и наоборот), контроллер должен оперировать данными, и контроллер должен взаимодействовать с дисковым накопителем (и наоборот).

До недавнего времени проблема рассматривалась со всех трех сторон, что заставляло производителей накопителей выполнять всю работу. Большая часть «интеллекта» для управления передачей данных между компьютером и дисковым накопителем была сосредоточена на плате контроллера и компьютера.

В результате при установке нового или замене старого накопителя требовалось обеспечить полную совместимость контроллера с новым жестким диском. Контроллеры IDE существенно изменили ситуацию, так как в этом стандарте значительно большую роль стал играть контроллер на плате дисковода, поэтому фактический интерфейс между накопителем и компьютером стал относительно простым. Благодаря этому упрощается электроника внутри компьютера и предоставляется большая гибкость в проектировании электроники для дисковых накопителей.

Интерфейс имеет скорость передачи порядка 1,5-3 Мбайт/с. Имеются определенные проблемы при работе с дисками емкости более 528 Мбайт, которые решаются с помощью специальных драйверов.

Наиболее распространенной модификаций интерфейса IDE является

129

2

40

Рис. 6.6. Параллельный разъем (шлейф) ATA / IDE

IDE-адаптер часто встраивается в системную плату. К настоящему времени разработаны усовершенствованные адаптеры с улучшенными характеристиками.

ATAPI (Package Interface), ATA-2 — расширение, позволяющее подключать до четырех устройств, включая CD-ROM и стример. EIDE (Enhanced IDE) — расширенный адаптер для шин PCI и VLB, позволяющий подключать до четырех устройств (рис.6.5), в том числе CD-ROM и стримеры с максимальной скоростью 11,1 Мбайт/с, объем диска до 8 Гбайт.

FAST ATA и FAST-ATA-2 — скоростные интерфейсы, обеспечивающие скорость передачи соответственного 13,3 и 16,6 Мбайт/с и доступ к 8- Гбайтному диску (табл. 6.2).

Таблица 6.2. Характеристики IDE/ATA интерфейсов

SCSI (Small Computer System Interface), произносится «скази» — ин-

терфейс системного уровня, стандартизованный ANSI, в отличие от интерфейсных портов (COM, LPT, IR; MIDI) представляет собой шину: сигнальные выводы множества устройств-абонентов соединяются друг с другом.

Интерфейс позволяет подключать до семи устройств (рис. 6.7) с контроллерами: дисковые накопители, CD-ROM и т. п. Любое устройство может инициировать обмен с другим целевым (Target) устройством. Режим обмена может быть асинхронным или более производительным синхронным с согласованием скоро-

130