лее тонким и гибким). Максимальная длина кабеля для низкоскоростных устройств - 5 м.
Хост узнает о подключении или отключении устройства из сообщения от концентратора (эта процедура называется опросом шины - bus enumeration). Затем хост присваивает устройству уникальный адрес USB (1:127). После отключения устройства от шины USB его адрес становится доступным для других устройств.
Хост опрашивает все устройства и выдает им разрешения на передачу данных (рассылая для этого пакет-маркер - Token Packet). Таким образом, устройства лишены возможности непосредственного обмена данными - все данные проходят через хост. Это условие сильно мешало внедрению интерфейса USB на рынок портативных устройств. В результате в конце 2001 года было принято дополнение к стандарту USB 2.0 - спецификация USB OTG (On-The-Go), предназначенная для соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к хосту (например, цифровая камера и фотопринтер). Устройство, поддерживающее USB OTG, способно частично выполнять функции хоста и распознавать, когда оно подключено к полноценному хосту (на основе ПК), а когда - к другому периферийному устройству.
2.4.6. Интерфейс IEEE 1394 - FireWire
Группой компаний при активном участии Apple была разработана технология последовательной высокоскоростной шины, предназначенной для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. В 1995 эта технология была стандартизована IEEE (стандарт IEEE 1394). Компания Apple продвигает этот стандарт под торговой маркой FireWire, а компания Sony - под торговой маркой i-Link.
Интерфейс IEEE 1394 представляет собой дуплексную, последовательную, общую шину для периферийных устройств. Она предназначена для подключения компьютеров к таким бытовым электронным приборам, как записывающая и воспроизводящая видео- и аудиоаппаратура, а также используется в качестве интерфейса дисковых накопителей.
Первоначальный стандарт (1394a) поддерживает скорости передачи данных 100 Мбит/с, 200 Мбит/с и 400 Мбит/с. Последующие усовершенствования стандарта (1394b) обеспечивают поддержку скорости передачи данных 800 и 1600
Мбит/с (FireWire-800, FireWire-1600).
Устройства, которые передают данные на разных скоростях, могут быть одновременно подключены к кабелю (поскольку пары обменивающихся данными
65
устройств используют для этого одну и ту же скорость). Рекомендуемая максимальная длина кабеля между устройствами составляет 4,5 м. К кабелю общей длиной до 72 м может быть одновременно подключено до 63 устройств, называемых узлами (nodes). Для увеличения числа шин вплоть до максимального значения (1023) могут быть использованы мосты.
Каждое устройство обладает 64-разрядным адресом:
6 бит - идентификационный номер устройства на шине,
10 бит - идентификационный номер шины,
48 бит - используются для адресации памяти (каждое устройство может адресовать до 256 Тбайт памяти).
Шина предполагает наличие корневого узла, выполняющего некоторые функции управления. Корневой узел может быть выбран автоматически во время инициализации шины, либо его атрибут может быть принудительно присвоен конкретному узлу (скорее всего, ПК). Некорневые узлы являются или ветвями (если они поддерживают более чем одно активное соединение), или листьями (если они поддерживают только одно активное соединение).
Как правило, устройства имеют по 1-3 порта, причем одно устройство может быть включено в любое другое (с учетом ограничений на то, что между любыми двумя устройствами может быть не более 16 пролетов и они не могут быть соединены петлей). Допускается подключение в "горячем" режиме, поэтому устройства могут подключаться и отключаться в любой момент. При подключении устройств адреса назначаются автоматически, поэтому присваивать их вручную не придется.
IEEE 1394 поддерживает два режима передачи данных (каждый из которых использует пакеты переменной длины).
Асинхронная передача используется для пересылки данных по конкретному адресу с подтверждением приема и обнаружением ошибок. Трафик, который не требует очень высоких скоростей передачи данных и не чувствителен ко времени доставки, вполне подходит для данного режима (например, для передачи некоторой управляющей информации).
Изохронная передача предполагает пересылку данных через равные промежутки времени, причем подтверждения приема не используются. Этот режим предназначен для пересылки оцифрованной видео- и аудиоинформации.
66
Пакеты данных пересылаются порциям, которые имеют размер, кратный 32 битам, и называются квадлетами (guadlets). При этом пакеты начинаются, по меньшей мере, с двух квадлетов заголовка, после чего следует переменное число квадлетов полезной информации. Для заголовка и полезных данных контрольные суммы (CRC) указываются отдельно. Длина заголовков асинхронных пакетов составляет, как минимум, 4 квадлета. У изохронных пакетов может быть заголовок длиной 2 квадлета, поскольку единственным необходимым при этом адресом является номер канала.
IEEE 1394 выделяет следующие функции устройств:
Хозяин цикла (cycle master) - выполняется корневым узлом, имеет наивысший приоритет доступа к шине, обеспечивает общую синхронизацию остальных устройств на шине, а также изохронных сеансов передачи данных.
Диспетчер шины (bus manager) управляет питанием шины и выполняет некоторые функции оптимизации.
Диспетчер изохронных ресурсов (isochronous resource manager) распределяет временные интервалы среди узлов, собирающихся стать передатчи-
ками (talkers).
Все функции диспетчеризации могут выполняться одним и тем же либо различными устройствами. Хозяин цикла посылает синхронизирующее сообщение о начале цикла через каждые 125 мкс (как правило). Теоретически 80% цикла (100 мкс) резервируется для изохронного трафика, а остальная часть становится доступной для асинхронного трафика.
Для подключения к данному интерфейсу применяется 6-контактный соединитель. Используемый при этом кабель имеет круглую форму и содержит:
экранированную витую пару А (ТРА), в которой используется симметричное, разностное напряжение (для обеспечения требуемой помехоустойчивости), а данные передаются в обоих направлениях с помощью схемы кодирования;
экранированную витую пару В (ТРВ), пересылающую стробирующий сигнал, который изменяет состояние всякий раз, когда два последовательных разряда данных (на другой паре) одинаковы (т.н. кодирование данных со стробированием - data-strobe encoding), и гарантирует изменение состояния в паре для передачи данных либо стробирующих сигналов по фронту каждого разряда;
67
провода, обеспечивающие питание небольших устройств. При этом по проводу VP подается напряжение 8-40 В, обеспечивающее нагрузку до 1,5 А, а провод VG заземлен;
общий экран, который изолирован от экранов пар и прикреплен к корпусам соединителей.
В IEEE 1394b допускается применять также простые UTP-кабели 5-й категории, но только на скоростях до 100 Мбит/с. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптоволокна (пластмассового - для длины до 50 метров, и стеклянного - для длины до 100 метров).
2.4.7. Сопроцессоры
Сопроцессор - это специализированная интегральная схема, которая работает в содружестве с ЦП, но менее универсальна. В отличие от ЦП, сопроцессор не имеет счетчика команд. Сопроцессор предназначен для выполнения специфического набора функций, например: выполнение операций с вещественными числами - математический сопроцессор, подготовка графических изображений и трехмерных сцен - графический сопроцессор, цифровая обработка сигналов - сигнальный сопроцессор и др.
Использование сопроцессоров с различной функциональностью позволяет решать проблемы широкого круга:
обработка экономической информации;
моделирование;
графические преобразования;
промышленное управление;
системы числового управления;
роботы;
навигация;
сбор данных и др.
Кэш-память
Кэш-память представляет собой быстродействующее ЗУ, размещенное на одном кристалле с ЦП или внешнее по отношению к ЦП. Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью. Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к оперативной памяти.
68
Если ЦП обратился к какому-либо объекту оперативной памяти, то с высокой вероятностью он вскоре снова обратится к этому объекту. Примером этой ситуации может быть код или данные в циклах.
Для согласования содержимого кэш-памяти и оперативной памяти используют три метода записи:
Сквозная запись (write through) - одновременно с кэш-памятью обновляется оперативная память.
Буферизованная сквозная запись (buffered write through) - информация задерживается в кэш-буфере перед записью в оперативную память и переписывается в оперативную память в те циклы, когда ЦП к ней не обращается.
Обратная запись (write back) - используется бит изменения в поле тега, и строка переписывается в оперативную память только в том случае, если бит изменения равен 1.
В структуре кэш-памяти выделяют два типа блоков данных:
память отображения данных (собственно сами данные, дублированные из оперативной памяти);
память тегов (признаки, указывающие на расположение кэшированных данных в оперативной памяти).
Пространство памяти отображения данных в кэше разбивается на строки - блоки фиксированной длины (например, 32, 64 или 128 байт). Каждая строка кэша может содержать непрерывный выровненный блок байт из оперативной памяти. Какой именно блок оперативной памяти отображен на данную строку кэша, определяется тегом строки и алгоритмом отображения. По алгоритмам отображения оперативной памяти в кэш выделяют три типа кэш-памяти:
полностью ассоциативный кэш;
кэш прямого отображения;
множественный ассоциативный кэш.
Для полностью ассоциативного кэша характерно, что кэш-контроллер может поместить любой блок оперативной памяти в любую строку кэш-памяти.
В этом случае физический адрес разбивается на две части: смещение в блоке (строке кэша) и номер блока. При помещении блока в кэш номер блока сохраняется в теге соответствующей строки. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, кэш-промах будет обнаружен только после сравнения тегов всех строк с номером блока.
69
Одно из основных достоинств данного способа отображения - хорошая утилизация оперативной памяти, т.к. нет ограничений на то, какой блок может быть отображен на ту или иную строку кэш-памяти. К недостаткам следует отнести сложную аппаратную реализацию этого способа, требующую большого количества компонент схемотехники (в основном компараторов), что приводит к увеличению времени доступа к такому кэшу и увеличению его стоимости.
Кэш прямого отображения (или одновходовый ассоциативный кэш). В этом случае адрес памяти (номер блока) однозначно определяет строку кэша, в которую будет помещен данный блок. Физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер строки кэша и тег. Тот или иной блок будет всегда помещаться в строго определенную строку кэша, при необходимости заменяя собой хранящийся там другой блок. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, для определения удачного обращения или кэш-промаха достаточно проверить тег лишь одной строки.
Очевидными преимуществами данного алгоритма являются простота и дешевизна реализации. К недостаткам следует отнести низкую эффективность такого кэша из-за вероятных частых перезагрузок строк. Например, при обращении к каждой 64-й ячейке памяти в системе кэш-контроллер будет вынужден постоянно перегружать одну и ту же строку кэш-памяти, совершенно не задействовав остальные.
Множественный ассоциативный кэш (или частично-ассоциативный кэш). Это компромиссный вариант между первыми двумя алгоритмами.
70