Глава 3. Цифровой логический уровень

устройства, связанные с шиной, должны подчиняться этим правилам, чтобы пла­ты, которые выпускаются третьими лицами, подходили к системной шине. Эти правила называются протоколом шины. Кроме того, должны существовать опре­деленные технические требования, чтобы платы от третьих производителей под­ходили к каркасу для печатных плат и имели разъемы, соответствующие материн­ской плате механически и с точки зрения мощностей, синхронизации и т. д.

Микросхема процессора

Рис. 3.32. Компьютерная система с несколькими шинами

Существует ряд широко используемых в компьютерном мире шин. Приведем несколько примеров: Omnibus (PDP-8), Unibus (PDP-11), IBM PC (PC/XT), ISA (PC/AT), EISA (80386), MicroChannel (PC/2), PCI (различные персональные ком­пьютеры), SCSI (различные персональные компьютеры и рабочие станции), Nubus (Macintosh), Universal Serial Bus (современные персональные компьютеры), FireWire (бытовая электроника), VME (оборудование в кабинетах физики) и Сатас (фи­зика высоких энергий). Может быть, все стало бы намного проще, если бы все шины, кроме одной, исчезли с поверхности Земли (или кроме двух). К сожалению, стан­дартизация в этой области кажется маловероятной, и уже вложено слишком много средств во все эти несовместимые системы.

Давайте начнем с того, как работают шины. Некоторые устройства, связанные с шиной, являются активными и могут инициировать передачу информации по шине, тогда как другие являются пассивными и ждут запросов. Активное устрой­ство называется задающим устройством, пассивное — подчиненным устройством. Когда центральный процессор требует от контроллера диска считать или записать блок информации, центральный процессор действует как задающее устройство, а контроллер диска — как подчиненное устройство. Контроллер диска может дей­ствовать как задающее устройство, когда он командует памяти принять слова, ко­торые считал с диска. Несколько типичных комбинаций задающего и подчинен­ного устройств указаны в табл. 3.3. Память ни при каких обстоятельствах не может быть задающим устройством.

Микросхемы процессоров и шины 181

Таблица 3.3. Примеры задающих и подчиненных устройств Задающее устройство Подчиненное устройство Пример

Центральный процессор Память Вызов команд и данных

Центральный процессор Устройство ввода-вывода Инициализация передачи данных

Центральный процессор Сопроцессор Передача команды от процессора

к сопроцессору

Устройство ввода-вывода Память ПДП (прямой доступ к памяти)

Сопроцессор Центральный процессор Вызов сопроцессором операндов из

центрального процессора

Двоичные сигналы, которые выдают устройства компьютера, часто недоста­точно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большин­ство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины, по существу являющуюся двоичным усилителем. Сходным образом большинство подчиненных устройств связаны с шиной прием­ником шины. Для устройств, которые могут быть и задающим, и подчиненным устройством, используется приемопередатчик шины. Эти микросхемы взаимо­действия с шиной часто являются устройствами с тремя состояниями, что дает им возможность отсоединяться, когда они не нужны. Иногда они подключаются через открытый коллектор, что дает сходный эффект. Когда одно или несколько устройств на открытом коллекторе требуют доступа к шине в одно и то же время, результатом является булева операция ИЛИ над всеми этими сигналами. Такое соглашение называется монтажным ИЛИ. В большинстве шин одни линии явля­ются устройствами с гремя состояниями, а другие, которым требуется свойство монтажного ИЛИ, — открытым коллектором.

Как и процессор, шина имеет адресные линии, информационные линии и ли­нии управления. Тем не менее между выводами процессора и сигналами шины может и не быть взаимно однозначного соответствия. Например, некоторые про­цессоры содержат три вывода, которые выдают сигнал чтения из памяти или запи­си в память, или чтения устройства ввода-вывода, или записи на устройство вво­да-вывода, или какой-либо другой операции. Обычная шина может содержать одну линию для чтения из памяти, вторую линию для записи в память, третью — для чтения устройства ввода-вывода, четвертую — для записи на устройство ввода-вы­вода и т. д. Микросхема-декодер должна тогда связывать данный процессор с та­кой шиной, чтобы преобразовывать 3-битный кодированный сигнал в отдельные сигналы, которые могут управлять линиями шины.

Разработка шин и принципы действия шин — это достаточно сложные вопро­сы, и по этому поводу написан ряд книг [128,135,136]. Принципиальными вопро­сами в разработке являются ширина шины, синхронизация шины, арбитраж шины и функционирование шины. Все эти параметры существенно влияют на скорость и пропускную способность шины. В следующих четырех разделах мы рассмотрим каждый из них.

182