3. Шины обмена информацией в эвм

Для обмена данными между устройствами процессор использует различные шины, состоящие из каналов связи, соединяющих блоки ЭВМ. Системная шина обычно включает в себя шины данных, адреса и управления, и обеспечивает ввод/вывод (I/O) информации. Так как ЭВМ состоит из узлов с различным быстродействием, то обмен между устройствами происходит по шинам с разными характеристиками и назначением. Наиболее быстродействующей является системная шина процессора, которая связывает его с внешним кэш и контроллером памяти/шины. Обмен данными по этой шине происходит с наибольшей частотой (например, для 66,6Гц), при которой надежно работают элементы внешнего кэш и схема контроллера памяти. Под управлением процессора его шина переключается через контроллер для обмена информацией с ОЗУ или локальной шиной, как показано на рис. 5.6. Основное ОЗУ обычно строится на более дешевых микросхемах памяти с большей емкостью, но меньшим быстродействием, чем внешний кэш. Локальная шина взаимодействует через адаптеры также с медленными устройствами (контроллеры гибких и жестких дисков, звуковые платы), поэтому скорость обмена процессора через контроллер с основным ОЗУ и локальной шиной замедляется. Для повышения быстродействия ЭВМ при свободной шине процессора внешний кэш заполняется данными из основного ОЗУ. Или по каналам основное ОЗУ, используя режим DMA (канал прямого доступа), заполняется данными от различных устройств через локальную шину.

Компьютеры с локальной шиной PCI, подключаемой к шине процессора через ИС “моста”, появились в 1993 г. Иногда шину PCI называют "антресольной", т.к. она кроме шины процессора реализует дополнительный уровень обмена данными с частотой 33,3 или 66,6 МГц и разрядностью 32 или 64. Скорость обмена в данном случае может достигать 33 МГц x 64 бит = 264 Мб/с. Преимуществом второго уровня является то, что шина PCI работает параллельно с шиной процессора, используя DMA-канал при доступе к основному ОЗУ.

К основной шине PCI через разъемы (слоты) могут подсоединяться дополнительные платы. Так, на материнской плате INTEL 430VXPCI/EIDE с МПPentiumи чипсетомi430VX[22] имеется 4 слота расширения с режимом PnP, за которыми зарезервированы 4 сигнала прерывания INT (A, B, C, D). С помощью этих сигналов подключаемые устройства осуществляют обмен информацией с блоками ЭВМ используя шину PCI. Примером таких устройств могут быть устройства обработки телевизионных изображений, графические адаптеры с видеопамятью до 2Мб и более, мультимедийные и другие устройства, требующие обмена информацией со скоростью нескольких десятков Мб/с.

Внешний кэш

Рис. 5.6. Структура ЭВМ на базе Pentium

Через интерфейс шины расширения к PCI-шине подсоединяется обычно "медленная" 32/16-разрядная системная шина EISA или ISA (8,33МГц). К этой шине подключаются последовательные порты обмена информацией COM1 и COM2. Обычно порт COM1 используется для подключения "мыши". Последовательным портам COM1/COM2 ставятся в соответствие адреса 3F8h/2F8h и линии прерываний 4/3 контроллера прерываний 8259. Стандарт последовательного порта RS-232C [8,4] использует асинхронный приемопередатчик ИС 16550А, осуществляющий преобразование 16-разрядного параллельного кода в последовательный и наоборот. Компьютеры могут обмениваться информацией с помощью последовательных портов используя кабель или модем. К шине EISA также подключается параллельный порт LPT1, через который с помощью программ-драйверов осуществляется вывод текстовой и графической информации на принтер. Также на системной плате имеются слоты расширения (до четырех) ISA/EISA, к которым могут подсоединяться дополнительные устройства через соответствующие адаптеры. Основные внешние носители информации НЖМД и CD-ROM подключаются к локальной шине SCSI через соответствующий адаптер или к шине EISA через разъемы EIDE на материнской плате – посредством 40-жильных ленточных кабелей. Обычно НЖМД, с которого осуществляется загрузка DOS, является первым (Master), а CD-ROM – вторым устройством EIDE (Slave), которое подсоединяется ко второму разъему. Кроме адаптера к шине SCSI может подключаться до семи устройств, которым присваиваются номера (SCSI ID). В большинстве компьютеров можно устанавливать до четырех основных адаптеров, а общее число устройств (НЖМД, CD-ROM, сканер и др.) достигает 28.

Клавиатура на 101/105 клавиш обычно подключается в компьютере непосредственно через свой микроконтроллер (ИС 8048) к универсальному периферийному интерфейсу (ИС 8042), установленному на системной плате, который выдает прерывание IRQ1 микропроцессору через порт I/O с адресом 60h. Через порты 60, 61, 64h процессор осуществляет обмен данными с клавиатурой.

Для совместного использования программ, данных и электронной почты компьютеры могут быть объединены в локальную сеть. В сети один или несколько компьютеров выполняют функции ведущих (файл-серверы) – они хранят основной объем информации (базы данных, программы) на накопителях большой емкости (20Гб и более). Остальные компьютеры в сети называются рабочими станциями. Сети могут иметь различную конфигурацию. Связь между компьютерами на небольшие расстояния осуществляется с помощью коаксиальных кабелей, которые через разъемы подключаются к сетевым адаптерам, установленным через слоты на PCI-шине. Плата сетевого адаптера "прослушивает" все сигналы на линии и выбирает сообщения, предназначенные ей. При необходимости адаптер передает свою информацию файл-серверу, когда появляются паузы в передаче информации.

В качестве новых шин на материнских платах с процессором Pentium I/II/III/4 используется шина AGP, которая была создана фирмой Intel на базе стандарта 64-разрядной шины PCI R2.1 для уменьшения количества дорогой памяти непосредственно на видеокарте и быстрого доступа к дешевой системной памяти. Шина AGP имеет единственный AGP-порт. Шина AGP работает значительно быстрее шины PCI за счет увеличения рабочей частоты и разрядности. Новые видеоадаптеры на AGP шине позволяют существенно увеличить обработку 2D и 3D графики за счет большой пропускной способности шины, составляющей 500Мб/с. Шина AGP по сравнению с PCI имеет особенности:

- шина способна передавать два блока (AGP 2x) или четыре блока (AGP 4x) данных за один 66 МГц цикл;

- устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

- конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP 1.0. имеет два основных режима работы: Execute и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием (execute) копируются в локальную память карты. Таким образом, AGP действует в качестве "тыловой структуры", обеспечивающей своевременную передачу текстур из ОЗУ в локальную память. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4Кб, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо предусмотреть механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса 4 килобайтных блоков в системной памяти. Эта задача выполняется с использованием специальной таблицы GART, расположенной в памяти.

В 1998 г. спецификация шины AGP получила дальнейшее развитие (Revision 2.0). В результате появилась возможность осуществлять 4 транзакции (пересылки блока данных) за один 66-мегагерцовый такт (AGP 4x), что соответствует пропускной способности шины 1Гб/с. Основные узлы компьютера, которые располагаются на материнской плате с процессором PentiumII/IIIи с шинами AGP, PCI иISA, показаны на рис. 5.7.

- интерфейс IDE (ATA-3) с контроллером Ultra DMA со скоростью обмена 33,3; 66,6 или 100Мб/с без участия МП;

- универсальная последовательная шина USB, подключаемая к шине EISA для обслуживания одновременно нескольких периферийных устройств (клавиатуры, мыши, CD-ROM, принтеров и модемов) через один или два разъема со скоростью обмена 12 Мб/с;

- последовательный скоростной интерфейс IEEE 1394, подключенный к PCI через плату расширения FireWire для обмена с цифровыми видеокамерами и устройствами со скоростью до 400 Мб/с.

Рис. 5.7. Организация компьютера с процессором PentiumII/III