ЭВМ лекции

•Изолированные шины

Сходство процессов обмена процессор – память и процессор – регистры

УВВ позволяет использовать в обоих случаях одни и те же проводники ША и ШД. Это приводит к структуре с изолированными шинами. Адресные пространства ячеек памяти и регистров УВВ, как и при использовании предыдущей структуры, могут перекрываться, т.е. они изолированы. Для того чтобы занять шины для обмена с памятью, процессор выдает сигналы

READ/WRITE, а для обмена с ПУ – INPUT/OUTPUT.

По сравнению с предыдущей структурой число проводников ОМ (как и модуля МП) уменьшилось, но исчезла принципиальная возможность вести параллельный обмен с памятью и ПУ.

•Изолированные шины и мультиплексирование ША и ШД

В этом случае ША и ШД совмещены. Вследствие этого передача адресов и данных идет в разные моменты времени. Адресные пространства ячеек памяти и регистров УВВ изолированы.

По сравнению с предыдущими структурами уменьшилось число проводников общей магистрали и выводов модуля МП, но адреса и данные могут передаваться только в неперекрывающиеся моменты времени. Это затрудняет

возможность конвейеризации процесса выполнения команд и удлиняет цикл обмена процессор – память.

211

•Общие шины

Вданном случае команды ввода/вывода (INPUT/OUTPUT) вообще исключены, что упрощает структуру модуля МП и общей магистрали, хотя

количество проводников примерно соответствует структуре с изолированными шинами. Ячейки памяти и регистры УВВ лежат в общем адресном пространстве,

идля обращения к ним используются одни и те же команды.

Вряде случаев это является преимуществом, однако при возникновении

определенных сбоев в работе ПУ и их некорректной обработки со стороны операционной системы возможны "зависания" вычислительного процесса.

• Общие шины и мультиплексирование ША и ШД

Шина адреса/данных

ПРОЦЕС

СОР

Шина управления

Современные МП, практически все, имеют команды ввода/вывода, т.е. дают возможность организовать структуру с изолированными шинами. При этом все они допускают обращение к регистрам УВВ как к ячейкам памяти, т.е. позволяют реализовать структуру с общими шинами.

В ЭВМ магистрально-модульной архитектуры наличие единого ресурса (магистрали) позволяет вести обмен между устройствами только в не перекрывающиеся моменты времени: в каждый момент времени существует только один канал связи между двумя устройствами – «передатчиком» и «приемником».

212

Обмен между модулями ЭВМ включает в себя запись в ОЗУ, считывание из ОЗУ, запись в регистры обслуживания периферийных устройств, считывание из регистров периферийных устройств, прямой доступ к памяти, и другие модификации указанных операций. Синхронизация операций обмена может осуществляться фронтами, уровнями синхроимпульсов магистрали или отсутствовать.

Цикл шины (магистрали) – это совокупность служебных операций блоков передатчика и приемника, необходимых для реализации конкретной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ. Для конкретной ОМ существуют различные циклы шины, которые носят соответствующие названия по типам реализуемых процедур обмена. Это шинный цикл чтения регистра порта, шинный цикл чтения ячейки памяти, шинный цикл записи в ячейку памяти и т. д.

Длительность цикла шины (магистрали) – это интервал времени,

необходимый для реализации конкретной однократной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ.

Выделяют 4 основных типа протоколов обмена, каждый из которых

определяет тип ОМ используемой в конкретной ЭВМ и особенности ее внутренней структуры:

-синхронный цикл (синхронные магистрали);

-асинхронный цикл (асинхронные магистрали);

-замкнутый цикл (замкнутые магистрали);

-разомкнутый цикл (разомкнутые магистрали).

Синхронные магистрали имеют строгую привязку всех операций по реализации цикла обмена к фронтам или уровням синхроимпульсов магистрали.

Основным преимуществом синхронных магистралей является наличие более простой логики управляющих устройств блоков и обеспечение наивысшей пропускной способности при обмене. Основным недостатком синхронных магистралей является то, что они требуют комплексную синхронизацию блоков ОМ, дополнительное оборудование и программное обеспечение, а также примерно одинаковое быстродействие всех устройств магистрали.

213

Асинхронные магистрали. Отличительной чертой магистралей этого типа является отсутствие какой-либо синхронизации операций по реализации цикла обмена, т.е. ГТИ отсутствует.

Основным преимуществом асинхронных магистралей является то, что они

обладают повышенной гибкостью и позволяют связывать в единую систему устройства ЭВМ, имеющие различное быстродействие. Это свойство оказывается очень важным при построении открытых управляющих систем, например систем АСУТП. Основной недостаток асинхронных магистралей – в ограниченной пропускной способности при обмене данными. Кроме того, возникает

потребность в дополнительных линиях для передачи управляющих сигналов в частности сигнала стробирования.

Сигнал стробирования (строб) – специальный сигнал, поступающий из

передатчика по отдельной линии с некоторой фиксированной задержкой относительно момента выставления данных на линиях ОМ, и указывающий приемнику момент считывания информации. При передаче информации по параллельной магистрали всегда существует проблема, связанная с моментом ее считывания. Эта проблема является следствием некоторой электрической асимметрии выходных каскадов ОМ передатчика и линий ОМ, вызванной технологическими причинами. Указанная асимметрия приводит к разбросу времени установления сигналов на различных линиях ОМ. На синхронных

магистралях эта проблема решается за счет введения некоторой задержки операции считывания относительно соответствующего синхроимпульса ОМ. На

асинхронных магистралях момент считывания информации указывается сигналам стробирования.

Замкнутые магистрали – магистрали, в которых между передатчиком и приемником существует обратная связь. Приемник, после считывания информации с линий ОМ обязан каким-либо сигналом (квитанцией) известить передатчик о завершении цикла обмена. Для передачи квитанции используют либо линии ШД, либо специально выделенные линии. При использовании

корректирующих кодов квитанция может сообщить передатчику о возникшей ошибке. Существуют различные алгоритмы обмена по замкнутой магистрали,

214

однако в любом случае передатчик не начинает новый цикл обмена до получения квитанции. При отсутствии квитанции в течение некоторого тайм-аута возникает прерывание, и управление передается операционной системе. Это позволяет предотвратить ошибки в системе, возникающие за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Последнее особенно важно для аппаратуры промышленного применения, т.е. систем АСУ ТП.

Основным преимуществом замкнутых магистралей является повышенная надежность обмена по ОМ, что существенно повышает надежность вычислительной системы в целом. Основным недостатком замкнутых магистралей является то, что они требуют дополнительное оборудование для формирования и передачи квитанции. Кроме того, несколько увеличивается время цикла обмена из-за тайм-аута при ожидании квитанции.

Разомкнутые магистрали. Передатчик, выставив на линии ОМ подлежащую передаче информацию, больше «не заботится» о том, считана она приемником или нет. Предполагается, что информация обязательно считана приемником и возможна инициализация нового цикла обмена.

Основным преимуществом разомкнутых магистралей является простота аппаратного и программного обеспечения ОМ и меньшая стоимость. Кроме того, они имеют повышенную производительность при обмене. Основным недостатком разомкнутых магистралей является повышенная вероятность ошибок в системе, возникающих за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Это существенно ограничивает область применений разомкнутых магистралей.

Главное устройство шины – это устройство, которое может инициировать операции чтения или записи. ЦП всегда является главным устройством шины. Если шина имеет несколько главных устройств, то требуется схема арбитража, чтобы решить, кто следующий захватит шину.

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа: передавая идентификатор, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается

215

доминантный — считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом и передача откладывается до освобождения шины.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств,

локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Шины расширений

o Шина Multibus имеет две модификации: PC/XT bus (Persona) Computer eXtended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).

o Шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086,8088.

o Шина PC/AT bus -16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Используется с МП 80286. o Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 4-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных

216

высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК.

o Шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10). Улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК. сетевых серверах и рабочих станциях.

o Шина МСА (Micro Channel Architecture) -32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

o стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового

полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

o появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей. Разработчики интерфейсов пошли по пути

217

создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и

обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

Сейчас существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI

o Шина VLB (VESA Local Bus -локальная шина VESA) - разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.

o Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины - 32 бита, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с (теоретически достижимая -132 Мбайт/с). Недостатки шины:

§рассчитана на работу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

§жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

§малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;

§отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

o Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) - разработана в 1993 г. фирмой Intel. Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и

др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных, Шина PCI пока еще весьма дорогая. Разрядность PCI – 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте -263 Мбайт/с (реальная вдвое

218

ниже). Шина РСI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам

VLB, ISA и PCI).

Рис. 24.1. Конфигурация системы с шиной VLB

Рис. 24.2. Конфигурация системы с шиной PCI

Сравнительная характеристика различных системных шин

219

SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Интерфейс системной шины

Системная магистраль является узким местом ЭВМ, так как все устройства, подключенные к ней, конкурируют за возможность передавать свои данные по ее шинам.

Системная магистраль - это среда передачи сигналов управления, адресов, данных, к которой параллельно и одновременно может подключаться несколько компонентов вычислительной системы. Физически системная магистраль представляет собой параллельные проводники на материнской плате, которые называются линиями. Но это еще и алгоритмы, по которым передаются сигналы, правила интерпретации сигналов, дисциплины обслуживания запросов, специальные микросхемы, обеспечивающие эту работу. Весь этот комплекс образует понятие интерфейс системной магистрали или стандарт обмена.

Исторически все интерфейсы СМ ведут свою родословную от стандарта IBM MULTGBUS, для которого фирмой был разработан комплект микросхем (chipset). Этот стандарт мог обслуживать передачу 8- и 16-битовых данных, работать в мультипроцессорном режиме с несколькими ведущими устройствами. Понятие “ведущее/ведомое устройство” могло динамически переопределяться с помощью сигналов управления (например, контроллер ПДП в режиме программирования - ведомое устройство, а в активном режиме -ведущее). Для этого стандарта характерно наличие следующих линий: 20 линий адресов, 16 линий данных, 50 управляющих и служебных линий.

Для IBM PS-2 разработанстандарт Микроканал - МСА (Micro Channel Architecture) в 1987 г. В нем 24-разрядная шина адреса. Шина данных увеличена до 32 бит. Отказались от перемычек и переключателей, определяющих

220