Лекция_5. Стандарты шин ввода-вывода

XT-Bus. Одной из популярных шин персональных компьютеров была системная шина IBM PC/XT, обеспечивавшая передачу 8 бит данных. Кроме того, эта шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа к памяти (DMA). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. При этом системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4.77 МГц. Таким образом, теоретическая скорость передачи данных могла достигать немногим более 4 Мбайт/с.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в персональных компьютерах IBM PC/AT на базе процессора i286. Эта системная шина отличалась наличием второго, 36-контактного дополнительного разъема для соответствующих плат расширения. За счет этого количество адресных линий было увеличено на 4, а данных - на 8, что позволило передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено до 15, а каналов прямого доступа - до 7. Системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины. Шина ISA позволяет синхронизировать работу процессора и шины с разными тактовыми частотами. Она работает на частоте 8 МГц, что соответствует максимальной скорости передачи 16 Мбайт/с.

С появлением процессоров i386, i486 и Pentium шина ISA перестала удовлетворять потребности периферийного оборудования. Новая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных (в том числе и в режиме DMA), улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шины ISA могут работать на шине EISA.

ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus, произносится как ай-сэй) — 8-ми или 16-ти разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах, хотя встречаются ATX-платы с AGP 4x, 6 PCI и одним (или двумя) портами ISA. Но пока её ещё можно встретить в старых AT-компьютерах, а также в промышленных компьютерах.

Шина EISA (Enhanced ISA - расширенная ISA)предусматривает централизованное управление доступом к шине за счет наличия специального устройства - арбитра шины. Bus Mastering - режим управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине, позволяет автоматически настраивать параметры устройств, возможно разделение каналов IRQ и DMA. Шина EISA тактируется частотой около 8 МГц и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с (при обмене 32-разрядными словами ~ около 20 МБ/с).

EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture) — шина для IBM-совместимых компьютеров. Была анонсирована в конце 1988 группой производителей IBM-совместимых компьютеров в ответ на введение фирмой IBM закрытой шины MCA в компьютерах серии PS/2.

EISA расширяет распространённую шину ISA до 32 разрядов и позволяет подключать к шине более одного ЦПУ. Адресное пространство, по сравнению с ISA, увеличено до 4 ГБ. Кроме того, шина поддерживает bus mastering. EISA является надмножеством ISA, поэтому, в отличие от MCA, к ней можно подключать старые платы, предназначенные для работы с 8- и 16- разрядными версиями ISA: имеется как электрическая, так и механическая совместимость.

Хотя шина EISA менее совершенна, чем MCA, она была принята многими производителями, так как шина MCA являлась закрытой и все права на неё принадлежали IBM. В конце концов, даже компания IBM выпустила несколько машин, которые использовали шину EISA. Использование шины EISA было дорогостоящим (хотя и дешевле MCA), так что EISA не получила распространения в персональных компьютерах. Однако, она получила распространение в серверах, так как была приспособлена для задач, требующих большой пропускной способности шины (например, обмен с НЖМД и работа в сети). Большинство выпущенных EISA карт были либо контроллерами шины SCSI либо сетевыми контроллерами. EISA нашла применение в некоторых компьютерах, не использовавших x86-совместимые процессоры:

• серия серверов AlphaServer на базе процессоров Alpha;

• рабочие станции HP 9000-D на базе процессоров PA-RISC;

• рабочие станции SGI Indigo2 и MIPS Magnum на базе процессоров с архитектурой MIPS.

Шина MCA (Micro Channel Architecture - микроканальная архитектура) - шина компьютеров PS/2 фирмы IBM. Не совместима ни с одной другой, разрядность - 32/32, (базовая – 8(данные)/24(адрес), остальные - в качестве расширений). , тактируется частотой 10 МГц. Поддерживает Bus Mastering, имеет арбитраж и автоматическую конфигурацию, синхронная (жестко фиксирована длительность цикла обмена), предельная пропускная способность - 40 Мб/с. Конструктив - одно-трехсекционный разъем (такой же, как у VLB). Первая, основная, секция - 8-разрядная (90 контактов), вторая - 16-разрядное расширение (22 контакта), третья - 32-разрядное расширение (52 контакта). В основной секции предусмотрены линии для передачи звуковых сигналов. Дополнительно рядом с одним из разъемов может устанавливаться разъем видеорасширения (20 контактов). EISA и MCA во многом похожи, появление EISA было обусловлено собственностью IBM на архитектуру MCA.

PS/2 (Personal System) — серия персональных компьютеров компании IBM на процессорах Intel 286 и 386 серий, выпускавшаяся с апреля 1987 г. Основной рыночной задачей серии PS/2 было вытеснение с рынка персональных IBM-совместимых компьютеров других производителей. Главным способом достижения этой цели стало использование закрытых стандартов, в том числе шины MCA, не допускающих их использование сторонними разработчиками без дорогого лицензирования. Однако ожидания компании не оправдались — старые открытые технологии были усовершенствованы конкурентами IBM и оказались более живучими.

Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина стандарта VESA), предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association) - 32-разрядное дополнение к шине ISA, предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116-контактный, как у MCA) при разъеме ISA. Разрядность – 32(данные)/32(адрес), тактовая частота - 25..50 МГц, максимальная скорость передачи данных - 130 Мб/с (на практике 80 Мб/с), позволяет подключать до трех периферийных устройств, в качестве которых наряду с видеоадаптерами и дисковыми контроллерами могут выступать и сетевые адаптеры. Электрически шина выполнена в виде расширения локальной шины процессора - большинство входных и выходных сигналов процессора передаются непосредственно VLB-платам без промежуточной буферизации. Из-за этого возрастает нагрузка на выходные каскады процессора, ухудшается качество сигналов на локальной шине и снижается надежность обмена по ней. Поэтому VLB имеет жесткое ограничение на количество устанавливаемых устройств: при 33 МГц - три, 40 МГц - два, и при 50 МГц - одно, причем желательно - интегрированное в системную плату.

После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VL-bus версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/с.

Video Electronics Standards Association (VESA) — ассоциация стандартизации видео-электроники, основанная в поздних 80-х компанией NEC Home Electronics и восемью другими производителями видеоадаптеров. Первоначальной задачей ставилось создание стандарта SVGA (800x600 пикселей) для видеодисплеев. После этого, VESA продолжила создавать стандарты, в основном относящиеся к функционированию видео периферии в IBM-совместимых компьютерах

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних компонент) так же, как и шина VL-bus, поддерживает 32-битовый канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами. Не совместима ни с какими другими, разрядность – 32(данные)/32(адрес) (расширенный вариант - 64/64), тактовая частота - до 33 МГц (PCI 2.1 - до 66 МГц), максимальная пропускная способность - до 132 Мб/с (264 Мб/с для 32/32 на 66 МГц и 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц). Шина децентрализована, нет главного устройства, любое устройство может стать инициатором транзакции. Для выбора инициатора используется арбитраж с отдельно стоящей логикой арбитра. Арбитраж «скрытый», не отбирает времени — выбор нового инициатора происходит во время транзакции, исполняемой предыдущим инициатором. Транзакция состоит из 1 или 2 циклов адреса (2 цикла адреса используются для передачи 64-битных адресов, поддерживаются не всеми устройствами, дают поддержку DMA на памяти более 4 Гб) и одного или многих циклов данных. Транзакция со многими циклами данных называется «взрывной» (burst), понимается как чтение/запись подряд идущих адресов и даёт более высокую скорость — один цикл адреса на несколько, а не на каждый цикл данных, и отсутствие простоев (на «успокоение» проводников) между транзакциями. Специальные типы транзакций используются для обращений к конфигурационному пространству устройства. «Взрывная» транзакция может быть временно приостановлена обоими устройствами из-за отсутствия данных в буфере или его переполнения. Поддерживаются «расщеплённые» транзакции.

Количество разъемов шины на одном сегменте ограничено четырьмя. Сегментов может быть несколько, они соединяются друг с другом посредством мостов (bridge). Сегменты могут объединяться в различные топологии (дерево, звезда и т.п.). Самая популярная шина в настоящее время, используется также на других компьютерах. Разъем похож на MCA/VLB, но чуть длиннее (124 контакта). 64-разрядный разъем имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом. Все разъемы и карты к ним делятся на поддерживающие уровни сигналов 5 В, 3.3 В и универсальные; первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем. При работе с процессорами i486 шина PCI дает примерно те же показатели производительности, что и шина VL-bus. Однако, в отличие от последней, шина PCI не зависит от процессора (шина VL-bus подключается непосредственно к процессору i486 и только к нему). Ее легко подключить к различным центральным процессорам. В их числе Pentium, Alpha, R4400 и PowerPC.

Шина AGP предназначена для улучшения работы видеоадаптеров, или точнее, 3D-акселераторов, требующих большие объемы видеопамяти для обработки и вывода изображения. Шина AGP была разработана для того, чтобы дать возможность хранить часть информации (текстуры) в дешевой системной памяти, и иметь к ней быстрый доступ, а не увеличивать количество дорогой памяти непосредственно на видеокарте. В отличие от PCI, шина AGP способна передавать два блока данных за один 66 MHz цикл (AGP 2x). В ней устранена мультиплексированность (нет коммутации одной из входных линий к единой выходной) линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям). Конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций. В результате пропускная способность шины составляет до 500 Мб/с (AGP 2.0 - 1Гб/с).

Сводная таблица по шинам применяемым в ПК

Bus Шина	Bus Frequency Частота шины (MHz)	Транзакций за такт	Width Ширина (данные/адрес) (bit)	Bandwidth Пропускная способность шины (MHz)	Data Transfer Rate Скорость передачи данных (MByte/sec)
XT-bus	4,77	1	8/20	4,77	4,77
ISA	8	1	16/24	8	16
EISA	8	1	32/32	8	32
MCA	10	1	32/32	10	40
VLB	25..50	1	32/32	25..50	200
PCI	33	1	32/32	33	133
AGP 1X	66	1	32	66	266
AGP 2X	66	2	32	133	512
AGP 4X	66	4	32	266	1024
AGP 8X (Pro)	66	8	32	533	2048

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association - ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) - внешняя шина компьютеров класса Notebook. Другое название модуля PCMCIA - PC Card. Предельно проста, разрядность – 16(данные)/26(адрес) (адресное пространство - 64 Мб), поддерживает автоконфигурацию, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив - миниатюрный 68-контактный разъем.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров SPARC одновременно используются несколько типов шин: SBus, MBus и XDBus, причем шина SBus применяется в качестве шины ввода/вывода, а MBus и XDBus - в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Шина SBus (известная также как стандарт IEEE-1496) имеет 32-битовую и 64-битовую реализацию, работает на частоте 20 и 25 МГц и имеет максимальную скорость передачи данных в 32-битовом режиме равную соответственно 80 или 100 Мбайт/с. Шина предусматривает режим групповой пересылки данных с максимальным размером пересылки до 128 байт. Она может работать в двух режимах передачи данных: режиме программируемого ввода/вывода и в режиме прямого доступа к виртуальной памяти (DVMA). Последний режим особенно эффективен при передаче больших блоков данных.

Шина MBus работает на тактовой частоте 50 МГц в синхронном режиме с мультиплексированием адреса и данных. Общее число сигналов шины равно 100, а разрядность шины данных составляет 64 бит. По шине передаются 36-битовые физические адреса. Шина обеспечивает протокол поддержания когерентного состояния кэш-памяти нескольких (до четырех) процессоров, имеет максимальную пропускную способность в 400 Мбайт/с, а типовая скорость передачи составляет 125 Мбайт/с. Отличительными свойствами шины MBus являются: возможность увеличения числа процессорных модулей, поддержка симметричной мультипроцессорной обработки, высокая пропускная способность при обмене с памятью и подсистемой ввода/вывода, открытые (непатентованные) спецификации интерфейсов.

ЦП

Контроллер памяти/шины

ОЗУ

КЭШ

КПУ

КПУ

КПУ

AGP-устройства

SCSI. Существует три стандарта SCSI:

SE (англ. single-ended) - асимметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник.

LVD (англ. low-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам - витой паре. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников. Используемое напряжение при передаче сигналов ±1,8 В.

HVD (англ. high-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приемопередатчиками.

Первый стандарт SCSI имеет 50-контактный неэкранированный разъем для внутрисистемных соединений и аналогичный экранированный разъем типа Centronics (Alternative 2) для внешних подключений. Передача сигналов осуществляется 50 контактным кабелем типа - A-50 на 8 разрядной (битной) шине. 

Но надо иметь ввиду, что до появления SCSI, имевшего 50-контактный разъём, и даже одновременно с ним был более старый SCSI, имевший 25-контактный разъём, почти такой, как разъём LPT (например, в теперь уже почти вышедшем из употребления сканере Mustek 1200 FS есть одновременно три разъёма: OPTION на 26 контактов, SCSI на 25 контактов, SCSI на 50 контактов).

В стандарте SCSI-2 для 8 битной шины предусматривался кабель, который как и в SCSI-1 поддерживал 50-контактными разъемами с уменьшенным шагом выводов (Alternative 1). Разъемы типа Centronics (Alternative 2) в SCSI-2 построены по 8 и 16 битной шине. Передача информации осуществляется по 68-контактным кабелям типа - A-68 и P-68 (Wide). Для 32 битной версии шины был предусмотрен другой тип кабеля, который должен был параллельно подключаться одновременно с предусмотренным по предыдущему стандарту в одно устройство. Однако кабель не получил широкого признания и из стандарта SCSI-3 исключен.

В стандарте SCSI-3 кабели A-68 и P-68 поддерживались экранированными, либо неэкранированными разъемами. Кабели в SCSI-3 снабжены фиксаторами-защелками, а не проволочными кольцами, как разъемы Centronics. Начиная с этой версии SCSI в массивах накопителей используется 80-контактный разъем, называемый Alternative 4. Накопители с таким разъемом поддерживают "горячее" подключение устройств, т.е. устройства SCSI можно подключать и отключать при включенном питании.

Основные реализации SCSI (в хронологическом порядке):

Обзор интерфейсов SCSI
Наименование	Разрядность шины	Частота шины	Пропускная способность	Максимальная длина кабеля	Максимальное количество устройств
SCSI	8 бит	5 МГц	5 МБайт/сек	6 м (25 м с HVD)	8
Fast SCSI	8 бит	10 МГц	10 МБайт/сек	3 м (25 м с HVD)	8
Wide SCSI	16 бит	10 МГц	20 МБайт/сек	3 м (25 м с HVD)	16
Ultra SCSI	8 бит	20 МГц	20 МБайт/сек	1,5—3 м (25 м с HVD)	4—8
Ultra Wide SCSI	16 бит	20 МГц	40 МБайт/сек	1,5—3 м (25 м с HVD)	4—16
Ultra2 SCSI	8 бит	40 МГц	40 МБайт/сек	12 м (25 м с HVD)	8
Ultra2 Wide SCSI	16 бит	40 МГц	80 МБайт/сек	12 м (25 м с HVD)	16
Ultra3 SCSI	16 бит	40 МГц DDR	160 МБайт/сек	12 м	16
Ultra-320 SCSI	16 бит	80 МГц DDR	320 МБайт/сек	12 м	16
Ultra-640 SCSI	16 бит	160 МГц DDR	640 МБайт/сек		16