10.3.2. Локальная шинаpci

В начале 1992 года на фирме Intelбыла организована группа, перед которой была поставлена задача разработать новую шину. В результате в июне 1992 года появилась шинаPCI(PeripheralComponentInterconnectbus), в апреле 1993 она была модернизирована. Ее создатели отказались от традиционной концепции, введя еще одну шину между МП и обычной шиной ВВ. Вместо того чтобы подключаться непосредственно к шине процессора, чувствительной к подобным вмешательствам (о чем сказано выше), новый комплект ИС (чипсет) позволял создавать новую архитектуру шинIBMPC. Первые компьютеры с шинойPCIпоявились в середине 1993 года, и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров классаhighend.

Новая локальная шина существенно превосходила своих предшественниц по функциональным возможностям, производительности, надежности. Наличие чипсета делает шину PCIпроцессорно-независимой, что позволяет ее использовать с платформами не только наIntel-подобных процессорах. Это является очевидным преимуществом с точки зрения производителей плат расширения (адаптеров), которые стараются избегать разных версий одной и той же платы. Кроме того, наличие чипсета позволяет шинеPCIработать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней со своими запросами. Это даёт возможность процессору работать с данными, находящимися во внешнем кэш, в то время как по шинеPCIможет происходить обмен между ПУ и ОП в режиме ПДП (DMA).

Первоначально в IBMPCиспользовалась только версия 2.0 шиныPCI, поддерживаемая чипсетами малой интеграции (5-6 микросхем) типаNeptunилиSaturn. Однако с появлением чипсетов большей интеграции типаIntel430 (Triton),Intel440,Intel810 вIBMPCстала использоваться новая версия шиныPCI-2.1, которая вскоре была заменена версиейPCI-2.2 (например, чипсетIntel815). Эта версия используется и в настоящее время (чипсетыIntel850,Intel860,VIAKT266 для процессоровAMDи др.). Версии 2.0, 2.1 и 2.2 имеют обратную совместимость на тактовой частоте 33 МГц. Основные возможности шиныPCIследующие:

• Синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными. Для уменьшения числа линий шины и контактов слота (а следовательно, и стоимости) используется мультиплексирование ША и ШД, т.е. для передачи адресов и данных используются одни и те же линии шины. Следует отметить, что 64-разрядная PCI, судя по всему, в обычных IBM PC пока не используется.

• Поддержка режима пакетных передач (linear burst), позволяющего не расходовать время шины на установку адреса каждого элемента данных при обмене блоком информации. Адрес автоматически модифицируется чипсетом для каждого последующего элемента данных. Это существенно повышает производительность шины при обмене ядра ЭВМ с видеосистемами и жесткими дисками большими блоками информации.

• Тактовая частота шины 33 МГц или 66 МГц (только для версий выше 2.0). Это позволяет обеспечить следующие максимальные пропускные способности шины с использованием пакетного режима:

• 132 Мбайт/с при 32-бита/33 МГц;

• 264 Мбайт/с при 32-бита/66 МГц;

• 264 Мбайт/с при 64-бита/33 МГц;

• 528 Мбайт/с при 64-бита/66 МГц.

• Работа на тактовой частоте 66 МГц возможна, если все адаптеры шины поддерживают эту частоту.

• Поддержка внешнего кэш с обратной и сквозной записью (write back и write through).

• Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

• Полная поддержка режима multiply bus master, при котором на шине одновременно могут работать, например, несколько контроллеров жестких дисков.

• Установка запросов прерывания осуществляется по уровню (а не по фронту, как в шинах ISA и VLB), что делает систему прерывания более надежной и позволяет использовать одну линию прерывания для обслуживания нескольких ПУ.

• Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной плате (например, видео + звук + и т.д.).

• Шина позволяет устанавливать до четырех слотов расширения, конструкция которых существенно отличается от конструкции слотов шины ISA (EISA). Для увеличения числа подключаемых устройств (необходимость в этом возникает обычно в мощных серверных платформах) предусмотрено использование двух и более шин PCI, соединяемых одноранговыми мостами (peer-to-peer bridge). Следует отметить, что с разработкой нового поколения чипсетов (например, Intel 850, Intel 845, Intel 815, VIA KT 266 и др.) число слотов расширения, устанавливаемых на одной шине PCI, увеличилось до 5-6.

• Шина PCI имеет версии с питанием 5 В и 3.3 В. Разъемы для плат с питанием 5 В и 3.3 В различаются расположением ключей. Существуют и универсальные платы с переключаемым напряжением питания. Тактовая частота 66 МГц поддерживается только логикой питания 3.3 В.

• Наличие в устройстве шины PCI таймера, используемого для определения максимального интервала времени, в течение которого устройство может занимать шину при передаче блока информации.

Рассматривая возможности шины PCI, необходимо иметь в виду, что чипсет является не просто согласующим элементом между различными шинамиPC. Он основное связующее звено между всеми компонентами системной платы. Набор решаемых им задач очень обширен и во многом определяет характеристики конкретной модели компьютера, поэтому рассмотрение функциональных возможностейPCI-архитектуры в отрыве от функций чипсета весьма затруднительно. Так, например, возможность выполнения обмена данными между процессором и ОП одновременно с обменом между другими устройствами шиныPCI(concurrentPCItransferring), предусмотренная в спецификации шины, реализована не во всех типах чипсетов.

В общем случае чипсет можно разделить на две функциональные части. Одна часть чипсета обеспечивает взаимодействие шины PCIс локальной системной шиной (т.е. с шиной процессора и шиной памяти). Эту часть принято называтьглавным мостом(host bridge). Вторая часть обеспечивает взаимодействие шиныPCIс ШРISAи ряд других функций. Эту функциональную часть чипсета принято называтьмостом PIIX (PCI, IDE, ISA Xcelerator bridge).Такому функциональному делению соответствует и разделение набора задач, решаемых чипсетом.

В функции главного моста входит решение следующих задач:

• Обслуживание управляющих и конфигурационных сигналов процессора.

• Мультиплексирование адреса и формирование управляющих сигналов ди­намической памяти (ОП), связь шины данных памяти с локальной шиной.

• Формирование управляющих сигналов внешнего кэш, сравнение его тегов с текущим адресом обращения на локальной шине (т.е. выполнение функций контроллера кэш-памяти).

• Обеспечение когерентности (согласования) данных в обоих уровнях кэш-памяти и ОП при обращении как со стороны процессора, так и контроллеров устройств шины PCI.

• Связь мультиплексированной шины адреса и данных шины PCIс шиной процессора и шиной ОП.

• Формирование управляющих сигналов шины PCI, арбитраж контроллеров устройств шины (т.е. выполнение функций арбитра шиныPCI).

• Поддержка магистрального интерфейса AGP(AcceleratedGraphicPort), предназначенного для подключения мощных графических адаптеров.

Мост PIIXтакже является многофункциональным устройством и решает следующие задачи:

• Организацию моста между шинами PCIиISA,EISA,MCAс согласованием частот синхронизации этих шин.

• Реализацию высокопроизводительного (обычно двухканального) интерфейса IDE, подключенного к шинеPCI.

• Реализацию стандартных системных средств ВВ – двух контроллеров прерываний, двух контроллеров ПДП, трехканального системного таймера, канала управления динамиком, логики немаскируемого прерывания.

• Коммутацию линий запросов прерывания шин PCIиISA, а также встроенной периферии на линии запросов контроллеров прерываний, управление их чувствительностью (по перепаду или уровню), обслуживание прерывания от сопроцессора.

• Коммутацию каналов ПДП.

• Поддержку режимов энергосбережения.

• Реализацию моста с внутренней шиной X-Bus, используемой для подключения микросхем контроллера клавиатуры,BIOS,CMOSRTC, контроллеров гибких дисков и интерфейсных портов.

• Реализацию контроллера магистрали USB.

Микросхемы чипсета при инициализации во время начального тестирования (POST) программируются по многим параметрам, основная часть которых находится вBIOS. Таким образом, системные платы, выполненные даже на одном и том же чипсете, могут иметь различные производительности и диапазоны поддерживаемых устанавливаемых компонентов (процессоров,DRAM, кэш). Соответственно и шиныPCI, реализованные в различных моделях РС (особенно у разных производителей), могут несколько отличаться по своим функциональным возможностям.

Очень упрощенная структура шин IBMРС (с учетом функций чипсета) при наличии шиныPCIпредставлена на рис. 10.3.

Обозначенные на схеме интерфейсы для подключения высокоскоростных ПУ (AGP,SCSI,IEEE1394,IDE,USB) в настоящем разделе не рассматриваются. Отметим только, что многие модели современныхIBMPCимеют еще ряд других (не обозначены на схеме) специализированных интерфейсов для подключения разнообразных типов ПУ.

Для устройств промышленного назначения в начале 1995 года был принят стандарт CompactPCI, разработанный на основе версииPCI2.1. ШиныCompactPCIиPCIимеют электрическую совместимость и одинаковые протоколы обмена по шине, хотя и имеют некоторые отличия в механизме автоконфигурации системы. В отличие от стандартаPCIстандартCompactPCIпозволяет устанавливать на одной шине до восьми слотов расширения, конструкция которых существенно отличается от конструкции слотовPCIи предназначена для работы компьютера в тяжелых условиях – пыль, вибрация, влажность и т.д.

В заключение следует отметить, что появление шины PCIположило начало полному вытеснению из РС фирмыIBM, в общем-то, устаревшей ШРISA. В настоящее время шинаISAоказалась практически вытесненной из архитектурыIBMPCи все ее функции выполняет шинаPCI, которая из локальной превратилась в основную ШР современныхIBMPC.

В качестве дополнения к материалу настоящего раздела ниже приводится сокращенный вариант статьи из интернет-издания "InternetZone", 2001 г. –http://www.izcity.com/.