Локальная шина (Local bus)

Все описанные ранее шины имеют общий недостаток — сравнительно низкую пропускную способность. Это связано с тем, что шины разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики шин улучшались в основном "экстенсивно", за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

• создание нового поколения процессоров типа Intel 80486, работающих на частотах до 66 MHz;
• увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров;
• разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).

Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus). Рисунки наглядно демонстрируют различие между обычной архитектурой и архитектурой с локальной шиной.

Локальная шина не заменяла собой прежние стандарты, а дополняла их. Основными шинами в компьютере по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись один или несколько слотов локальной шины. Первоначально эти слоты использовались почти исключительно для установки видеоадаптеров, при этом к 1992 году было разработано несколько несовместимых между собой вариантов локальных шин, исключительные права на которые принадлежали фирмам-изготовителям. Естественно, такая неразбериха сдерживала распространение локальных шин, поэтому VESA (Video Electronic Standard Association) — ассоциация, представляющая более 100 компаний — предложила в августе 1992 года свою спецификацию локальной шины.

Локальная шина VESA (VL-bus)

Основные характеристики VL-bus таковы.

• Поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разработана для использования в однопроцессорных системах, при этом в спецификации предусмотрена возможность поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridge chip).
• Максимально число bus master — 3 (не включая контроллер шины). При необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего числа masterов.
• Несмотря на то, что изначально шина была разработана для поддержки видеоконтроллеров, возможна поддержка и других устройств (например, контроллеров жесткого диска).
• Стандарт допускает работу шины на частоте до 66 MHz, однако электрические характеристики разъема VL-bus ограничивают ее до 50 MHz (это ограничение, естественно, не относится к интегрированным в материнскую плату устройствам).
• Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных поддерживает и 16-разрядный обмен. В спецификацию заложена возможность 64-разрядного обмена.
• Поддержка DMA обеспечивается только для bus masters. Шина не поддерживает специальных "инициаторов" DMA.
• Максимальная теоретическая пропускная способность шины — 160 МВ/сек (при частоте шины 50 MHz), стандартная — 107 МВ/сек при частоте 33 MHz.
• Поддерживается пакетный режим обмена (для материнских плат 80486, поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификации типа и скорости процессора, сигнал Burst Last (BLAST#) используется для активизации этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается в 0.
• Шина использует 58-контактный разъем МСА. Максимально поддерживается 3 слота (на некоторых 50-мегагерцовых шинах возможна установка только 1 слота).
• Слот VL-bus устанавливается в линию за слотами ISA/EISA/MCA, поэтому VL-платам доступны все линии этих шин.
• Поддерживается как интегрированный кэш процессора, так и кэш на материнской плате.
• Напряжение питания — 5 В. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3 В поддерживаются при условии, что они могут работать с уровнем входного сигнала 5 В.

Шина VL-bus явилась огромным шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то, что она позволяла создавать карты, работающие с существующими чипсетами и не содержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В результате VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие.

• Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин Pentium и Pentium Pro/Pentium II.
• Ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus — не больше 50 MHz. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2-66 частота шины будет 33 MHz).
• Схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определенных параметрах нагрузки каждой линии шины. По мнению Intel, установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и к повреждению системы.
• Ограничение количества плат. Это ограничение вытекает также из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.

Несмотря на существующие недостатки, VL-bus была несомненным лидером на рынке, так как позволяла устранить узкое место сразу в двух подсистемах — видеоподсистеме и подсистеме обмена с жестким диском. Однако лидерство было недолгим, поскольку корпорация Intel разработала свою новинку — шину PCI. По мнению компании, VL-bus базировалась на технологиях 11-летней давности и являлась всего лишь "заплаткой", компромиссом между производителями. Правда, VESA заявляла, что обе шины могут "уживаться" совместно в одной системе. Intel соглашалась, что такое соседство возможно, но задавала встречный убийственный вопрос: "А зачем?". Справедливости ради, надо сказать, что PCI действительно была избавлена от большинства недостатков, присущих VL-bus.

Организация ввода-вывода

В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Например, процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, необходима связь процессора с устройствами ввода/вывода.

В современных ПК такой механизм можно разделить на несколько уровней:

Системные и локальные шины;

Шины ввода/вывода.

BIOS (Basic Input/Output System) - основная система ввода/вывода, зашитая в ПЗУ (отсюда название ROM BIOS). Она представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между DOS и аппаратурой. BIOS получает управление при включении и сбросе системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода/вывода, настраивает Chipset платы и зaгpужaeт внешнюю операционную систему. При работе под DOS, Windows BIOS управляет основными устройствами, при работе под OS/2, UNIX, WinNT BIOS практически не используется, выполняя лишь начальную проверку и настройку.

Обычно на системной плате установлено только ПЗУ с системным (Main, System) BIOS, отвечающим за саму плату и контроллеры FDD, HDD, портов и клавиатуры; в системный BIOS практически всегда входит System Setup - программа настройки системы. Видеоадаптеры и контроллеры HDD с интерфейсом SТ- 506 (MFM) и SCSI имеют собственные BIOS в отдельных ПЗУ; их также могут иметь и другие платы - интеллектуальные контроллеры дисков и портов, сетевые карты и т.п.

Одним из простейших механизмов, позволяющих организовать взаимодействие различных подсистем, является единственная центральная шина , к которой подсоединяются все подсистемы. Доступ к такой шине разделяется между всеми подсистемами. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность. Поскольку такая шина является единственным местом подсоединения для разных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же периферийные устройства можно даже применять в разных вычислительных системах, использующих однотипную шину. Стоимость такой организации получается достаточно низкой, поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины, разделяемый множеством устройств.

Главным недостатком организации с единственной шиной является то, что шина создает узкое горло, ограничивая, возможно, максимальную пропускную способность ввода/вывода. Если весь поток ввода/вывода должен проходить через центральную шину, такое ограничение пропускной способности весьма реально. В коммерческих системах, где ввод/вывод осуществляется очень часто, а также в суперкомпьютерах, где необходимые скорости ввода/вывода очень высоки из-за высокой производительности процессора, одним из главных вопросов разработки является создание системы нескольких шин, способной удовлетворить все запросы.

Одна из причин больших трудностей, возникающих при разработке шин, заключается в том, что максимальная скорость шины главным образом лимитируется физическими факторами: длиной шины и количеством подсоединяемых устройств (и, следовательно, нагрузкой на шину). Эти физические ограничения не позволяют произвольно ускорять шины. Требования быстродействия (малой задержки) системы ввода/вывода и высокой пропускной способности являются противоречивыми. В современных крупных системах используется целый комплекс взаимосвязанных шин, каждая из которых обеспечивает упрощение взаимодействия различных подсистем, высокую пропускную способность, избыточность (для увеличения отказоустойчивости) и эффективность.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. На этапе разработки системы, для шины процессор-память заранее известны все типы и параметры устройств, которые должны соединяться между собой, в то время как разработчик шины ввода/вывода должен иметь дело с устройствами, различающимися по задержке и пропускной способности.

Как уже было отмечено, с целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной . Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин в персональных компьютерах на основе локальной шины. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.

Рассмотрим типичную транзакцию на шине. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных. Шинные транзакции обычно определяются характером взаимодействия с памятью: транзакция типа "Чтение" передает данные из памяти (либо в ЦП, либо в устройство ввода/вывода), транзакция типа "Запись" записывает данные в память. В транзакции типа "Чтение" по шине сначала посылается в память адрес вместе с соответствующими сигналами управления, индицирующими чтение. Память отвечает, возвращая на шину данные с соответствующими сигналами управления. Транзакция типа "Запись" требует, чтобы ЦП или устройство в/в послало в память адрес и данные и не ожидает возврата данных. Обычно ЦП вынужден простаивать во время интервала между посылкой адреса и получением данных при выполнении чтения, но часто он не ожидает завершения операции при записи данных в память.

Разработка шины связана с реализацией ряда дополнительных возможностей. Решение о выборе той или иной возможности зависит от целевых параметров стоимости и производительности. Первые три возможности являются очевидными: раздельные линии адреса и данных, более широкие (имеющие большую разрядность) шины данных и режим групповых пересылок (пересылки нескольких слов) дают увеличение производительности за счет увеличения стоимости.

Главное устройство шины - это устройство, которое может инициировать транзакции чтения или записи. ЦП, например, всегда является главным устройством шины. Шина имеет несколько главных устройств, если имеется несколько ЦП или когда устройства ввода/вывода могут инициировать транзакции на шине. Если имеется несколько таких устройств, то требуется схема арбитража, чтобы решить, кто следующий захватит шину. Арбитраж часто основан либо на схеме с фиксированным приоритетом, либо на более "справедливой" схеме, которая случайным образом выбирает, какое главное устройство захватит шину.

В настоящее время используются два типа шин, отличающиеся способом коммутации: шины с коммутацией цепей (circuit-switched bus) и шины с коммутацией пакетов (packet-switched bus), получившие свои названия по аналогии со способами коммутации в сетях передачи данных. Шина с коммутацией пакетов при наличии нескольких главных устройств шины обеспечивает значительно большую пропускную способность по сравнению с шиной с коммутацией цепей за счет разделения транзакции на две логические части: запроса шины и ответа. Такая методика получила название "расщепления" транзакций (split transaction). (В некоторых системах такая возможность называется шиной соединения/разъединения (connect/disconnect) или конвейерной шиной (pipelined bus). Транзакция чтения разбивается на транзакцию запроса чтения, которая содержит адрес, и транзакцию ответа памяти, которая содержит данные. Каждая транзакция теперь должна быть помечена (тегирована) соответствующим образом, чтобы ЦП и память могли сообщить что есть что.

Шина с коммутацией цепей не делает расщепления транзакций, любая транзакция на ней есть неделимая операция. Главное устройство запрашивает шину, после арбитража помещает на нее адрес и блокирует шину до окончания обслуживания запроса. Большая часть этого времени обслуживания при этом тратится не на выполнение операций на шине (например, на задержку выборки из памяти). Таким образом, в шинах с коммутацией цепей это время просто теряется. Расщепленные транзакции делают шину доступной для других главных устройств пока память читает слово по запрошенному адресу. Это, правда, также означает, что ЦП должен бороться за шину для посылки данных, а память должна бороться за шину, чтобы вернуть данные. Таким образом, шина с расщеплением транзакций имеет более высокую пропускную способность, но обычно она имеет и большую задержку, чем шина, которая захватывается на все время выполнения транзакции. Транзакция называется расщепленной, поскольку произвольное количество других пакетов или транзакций могут использовать шину между запросом и ответом.

Последний вопрос связан с выбором типа синхронизации и определяет является ли шина синхронной или асинхронной. Если шина синхронная, то она включает сигналы синхронизации, которые передаются по линиям управления шины, и фиксированный протокол, определяющий расположение сигналов адреса и данных относительно сигналов синхронизации. Поскольку практически никакой дополнительной логики не требуется для того, чтобы решить, что делать в следующий момент времени, эти шины могут быть и быстрыми, и дешевыми. Однако они имеют два главных недостатка. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Обычно шины процессор-память синхронные.

Асинхронная шина, с другой стороны, не тактируется. Вместо этого обычно используется старт-стопный режим передачи и протокол "рукопожатия" (handshaking) между источником и приемником данных на шине. Эта схема позволяет гораздо проще приспособить широкое разнообразие устройств и удлинить шину без беспокойства о перекосе сигналов синхронизации и о системе синхронизации. Если может использоваться синхронная шина, то она обычно быстрее, чем асинхронная, из-за отсутствия накладных расходов на синхронизацию шины для каждой транзакции. Выбор типа шины (синхронной или асинхронной) определяет не только пропускную способность, но также непосредственно влияет на емкость системы ввода/вывода в терминах физического расстояния и количества устройств, которые могут быть подсоединены к шине. Асинхронные шины по мере изменения технологии лучше масштабируются. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.

Обычно количество и типы устройств ввода/вывода в вычислительных системах не фиксируются, что позволяет пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода/вывода компьютера может рассматриваться как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода/вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода/вывода работать независимо. Появление стандартов определяется разными обстоятельствами.

Иногда широкое распространение и популярность конкретных машин становятся причиной того, что их шина ввода/вывода становится стандартом де факто. Примерами таких шин могут служить PDP-11 Unibus и IBM PC-AT Bus. Иногда стандарты появляются также в результате определенных достижений по стандартизации в некотором секторе рынка устройств ввода/вывода. Интеллектуальный периферийный интерфейс (IPI - Intelligent Peripheral Interface) и Ethernet являются примерами стандартов, появившихся в результате кооперации производителей. Успех того или иного стандарта в значительной степени определяется его принятием такими организациями как ANSI (Национальный институт по стандартизации США) или IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике). Иногда стандарт шины может быть прямо разработан одним из комитетов по стандартизации: примером такого стандарта шины является FutureBus.

Одной из популярных шин персональных компьютеров была системная шина, XT- Bus - шина архитектуры XT - первая в семействе IBM PC. Относительно проста, поддерживает обмен 8-разрядными данными внутри 20-разрядного (1 Мб) адресного пространства (обозначается как "разрядность 8/20"), работает на частоте 4.77 МГц. Совместное использование линий IRQ в общем случае невозможно. Конструктивно оформлена в 62-контактних разъемах.

ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - основная шина на компьютерах типа PC АТ (другое название - АТ-Bus). Является расширением XT-Bus, разрядность - 16/24 (16 Мб), тактовая частота - 8 МГц, предельная пропускная способность -5.55 Мб/с. Разделение IRQ также невозможно. Возможна нестандартная организация Bus Mastering, но для этого нужен запрограммированный 16-разрядный канал DMA. Конструктивно выполнено в виде 62-контактного разъема XT-Bus с прилегающим к нему 36-контактным разъемом расширения.

EISA (Enhanced ISA - расширенная ISA) - функциональное и конструктивное расширение ISA. Внешне разъемы имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов. Разрядность - 32/32 (адресное пространство - 4 Гб), работает также на частоте 8 МГц. Предельная пропускная способность - 32 Мб/с. Поддерживает Bus Mastering - режим управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств у шине, позволяет автоматически настраивать параметры устройств, возможно разделение каналов IRQ и DMA.

Bus Mastering - cпособностъ внешнего устройства самостоятельно, без участия процессора, управлять шиной (пересылать данные, выдавать команды и сигналы управления). На время обмена устройство захватывает шину и становится главным, или ведущим (master) устройством. Такой подход обычно используется для освобождения процессора от операций пересылки команд и/или данных между двумя устройствами на одной нише. Частным случаем Bus Mastering является режим DMA, который осуществляет только внепроцессорную пересылку данных; в классической архитектуре PC этим занимается контроллер DMA, общий для всех устройств. Каждое же Bus Mastering-устройство имеет собственный подобный контроллер, что позволяет избавиться от проблем с распределением DMA- каналов и преодолеть ограничения стандартного DMA- контроллера (16- разрядность, способность адресовать только первые 16 Мб ОЗУ, низкое быстродействие и т.п.).

МСA (Micro (Сhannel Architecture - микроканальная архитектура) - шинакомпьютеров PS/2 фирмы IBM. Не совместима ни с одной другой, разрядность - 32/32, (базовая - 8/24, остальные - в качестве расширений). Поддерживает Bus Mastering, имеет арбитраж и автоматическую конфигурацию, синхронная (жестко фиксирована длительность цикла обмена), предельная пропускная способность - 40 Мб/с. Конструктивно выглядит, как 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 МСА во многом параллельны, появление EISA было обусловлено собственностью IBM на архнтектуру МCА.

VLВ (VESA Local Bus - локальная шина стандарта VESA) - 32-разрядное (дополнение к шине ISA. Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116- контактный, как у МСА) при разъеме ISA. Разрядность - 32/32, тактовая частота - 25..50 МГц, предельная скорость обмена - 130 Мб/с. Электрически 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 MГц - три, 40 МГц - два, и при 50 МГц - одно, причем желательно - интегрированное в системную плату.

РCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних компонент) - развитие VLB в сторону EISA/MCA. He совместима ни с какими другими, разрядность - 32/32 (расширенный вариант - 64/64), тактовая частота -до 33 МГц (PCI 2.1 - до 66 МГц), 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), поддержка Bus Mastering и автоконфигурации. 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 5В, 3.3 В и универсальные; первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем.

Cуществует также расширение MediaBus, введенное фирмой ASUSTek -дополнительный разъем содержит сигналы шины ISA.

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 - 16/26 (адресное пространство - 64 Мб), поддерживает автоконфигурацию, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив - миниатюрный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

7.3. Шины ввода/вывода

Современные вычислительные системы характеризуются:

□ стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внеш­них устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высо­ким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

□ появлением программ, требующих выполнения большого количества интер­фейсных операций (к примеру программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих од­новременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной рабо­ты пользователœей, поскольку компьютеры стали подолгу ʼʼзадумыватьсяʼʼ. Разра­ботчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шинœе 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 т. д.

Сейчас существуют три базовых стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP.

Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стан­дартов видеоэлектроники (VESA - торговая марка Video Electronics Standards Association) и в связи с этим часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже - с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных - 32 бита͵ для адреса - 30, реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с, теоретически достижимая - 132 Мбайт/с (в версии 2 - 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

□ ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

□ жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

□ малое количество подключаемых устройств - к шинœе VLB может подклю­чаться только 4 устройства;

□ отсутствует арбитраж шины - бывают конфликты между подключаемы­ми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединœение внешних компонен­тов) - самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Разработана в 1993 году фирмой Intel. Шина PCI являет­ся намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 уст­ройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI - 33 МГц, разряд­ность - 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расшире­ния до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-бито­вом варианте - 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способ­ность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров.

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секции по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интер­фейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате име­ется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. 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 шинœе PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является незави­симой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, загрузка шины процессора существенно снижается. К примеру, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 5.8.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - интер­фейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей

Глава 5. Микропроцессоры и системные платы

выход непосредственно на системную память. Разработана шина на базе стандар­та PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передают­ся 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьми­кратного умножения AGP8x - 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шинœе AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для уде­шевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Рис. 5.8. Конфигурация системы с шиной PCI

Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основ­ной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в сис­темной памяти, но перед использованием копируются в локальную память кар­ты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Гра­фические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосред­ственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в данном режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адре­са фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видео-адаптер.
Размещено на реф.рф
Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 5.9.

Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы

Рис. 5.9. Конфигурация системы с шиной AGP

Все сказанное выше в отношении шин обобщается в табл. 5.4. Таблица 5.4. Основные характеристики шин

Локальные шины - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Локальные шины" 2017, 2018.

Шины ISA, MCA и EISA имеют один общий недостаток - сравнительно низкое быстродействие. Описанные в следующих разделах четыре типа шин являются локальными. К основным типам локальных шин, используемых в ПК, относятся следующие.

• VL-Bus (локальная шина VESA)

Это ограничение существовало еще во времена первых PC, в которых шина ввода-вывода работала с той же скоростью, что и шина процессора. Быстродействие шины процессора возрастало, а характеристики шин ввода-вывода улучшались в основном за счет увеличения их разрядности. Ограничивать быстродействие шин приходилось потому, что большинство произведенных плат адаптеров не могли работать при повышенных скоростях обмена данными.

Некоторым пользователям не дает покоя мысль о том, что компьютер работает медленнее, чем может. Однако быстродействие шины ввода-вывода в большинстве случаев не играет роли. Например, при работе с клавиатурой или мышью высокое быстродействие не требуется, поскольку в этой ситуации производительность компьютера определяется самим пользователем. Оно действительно необходимо только в подсистемах, где важна высокая скорость обмена данными, например в графических и дисковых контроллерах.

Проблема, связанная с быстродействием шины, стала актуальной в связи с распространением графических пользовательских интерфейсов (например, Windows). Ими обрабатываются такие большие массивы данных, что шина ввода-вывода становится самым узким местом системы. В конечном счете высокое быстродействие процессора с тактовой частотой 66 или даже 450 МГц оказывается совершенно бесполезным, поскольку данные по шине вводавывода передаются в несколько раз медленнее (тактовая частота - около 8 МГц).

Очевидное решение этой проблемы состоит в том, чтобы часть операций по обмену данными осуществлялась не через разъемы шины ввода-вывода, а через дополнительные быстродействующие разъемы. Наилучший подход к решению этой проблемы - расположить дополнительные разъемы ввода-вывода на самой быстродействующей шине, т.е. на шине процессора (это напоминает подключение внешней кэш-памяти). Соответствующая блок-схема представлена на рисунке нижеТакая конструкция получила название локальной шины, поскольку внешние устройства (платы адаптеров) теперь имеют доступ к шине процессора (т.е. ближайшей к нему шине). Конечно, разъемы локальной шины должны отличаться от слотов шины ввода-вывода, чтобы в них нельзя было вставить платы “медленных” адаптеров.

Интересно отметить, что первые 8- и 16-разрядные шины ISA имели архитектуру локальных шин. В этих системах в качестве основной использовалась шина процессора, и все устройства работали со скоростью процессора. Когда тактовая частота в системах ISA превысила 8 МГц, основная шина компьютера отделилась от шины процессора, которая уже не могла выполнять эти функции. Появившийся в 1992 году расширенный вариант шины ISA, который назывался VESA Local Bus (или VL-Bus), ознаменовал возврат к архитектуре локальных шин. В дальнейшем локальную шину VESA заменила шина PCI, а ее дополнением выступила шина AGP.

Примечание!

Для организации в компьютере локальной шины совсем не обязательно устанавливать слоты расширения: устройство, использующее локальную шину, можно смонтировать непосредственно на системной плате. В первых компьютерах с локальной шиной использовался именно такой подход.

Локальная шина не заменяет собой прежних стандартов, а дополняет их. Основными шинами компьютера, как и раньше, остаются ISA и EISA, но к ним добавляется один или несколько слотов локальной шины. При этом сохраняется совместимость со старыми платами расширения, а быстродействующие адаптеры устанавливаются в слоты локальной шины, при этом реализуются все их возможности. Таким образом, до настоящего момента наиболее распространенными являются разъемы AGP, PCI и ISA. Более старые платы порой оказываются совместимыми с новыми разъемами, однако все возможности локальных шин AGP и PCI позволяют задействовать только новые модели адаптеров. По мере уменьшения популярности шины ISA и смещения акцентов к интерфейсу LPC роль шины ISA постепенно снижается, а вместо нее используются другие шины.

Быстродействие графического интерфейса пользователя Windows или Linux (такого, как KDE или GNOME) значительно возросло после того, как на смену видеоадаптерам с интерфейсом ISA пришли адаптеры с интерфейсом PCI и AGP.

СПЕЦИФИКАЦИИ

ЛОКАЛЬНОЙ ШИНЫ

ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Узкое место современных

персональных компьютеров -

шина ввода-вывода. Две кон-

курирующие спецификации

предназначены для увеличе-

ния пропускной способности

шины ввода-вывода.

Всередине июня 1992г. корпорация Intel и ассоциация по стантартизации в области видеоэлектроники VESA (Video Electronic Standarts Association, Сан-Хосе, шт. Калифорния) предложили проекты спецификаций локальных шин, решающих задачу увеличения производительности персональных компьютеров за счет совершенствования подсистемы ввода-вывода данных.

Компания Intel представила свою спецификацию интерфейса PCI (Peripheral Component Interconnect), а ассоциация VESA - локальной шины VL-Bus. И фирма Intel, и ассоциация VESA надеются, что предлагаемые ими технические решения станут промышленным стандартом.

Спецификации не совместимы друг с другом и будут, по всей видимости, вести борьбу за симпатии разработчиков. Некоторые обозреватели отмечают, что промышленность, воз-можно, ждет некоторое повторение "войны шин", разразившееся несколько лет назад между шинами EISA и MCA.

Локальная шина предназначена для обеспечения непосредственного доступа процессора к переферийным устройствам (например, графическим или сетевым адаптерам), минуя арбитраж, предусмотренный в шинах ISA, EISA или MCA. Теоретически 32-разрядная локальная шина может обеспечить передачу и прием данных от переферийных устройств на максимальной скорости ЦП 386 или 486.

Шина PCI разработана корпорацией Intel с целью предоставить изготовителям комплексного оборудования и системных плат стандартный способ подключения к системной плате ПК дополнительных схем, обеспечивающие максимальные скоростные характеристики системы. Например, при помощи находящейся на системной плате локальной шины фирма-изготовитель может подключить к компьютеру сетевой интерфейс или графический адаптер.

Шина VL-Bus Ассоциации VESA призвана играть роль стандартного аппаратного интерфейса, позволяющего устанавливать адаптеры независимых фирм непосредственно в гнезда системной платы, а так-же размещать на системной плате дополнительные компоненты.

УСТРАНЕНИЕ УЗКИХ МЕСТ

По мере того, как растет быстродействие микропроцессоров, узким местом становится шина ввода-вывода, что отрицательно сказывается на общих скоростных характеристиках системы. Производительность современных настольных ПК обычно сдерживается низкой скоростью обработки графических изображений и доступа к дисковым накопителям. Пропускную способность ЛВС определяют сетевой график, протокол обмена и время доступа к накопителям.

В настоящее время функции ввода-вывода в ПК реализуются при помощи стандартных шин расширения ISA, EISA или MCA. Эффективную пропускную способность этих машин можно повысить только с помощью дополнительных интеллектуальных средств и встроенных специализированных процессоров.

Сегодня от стандартных шин расширения никто не собирается отказываться, однако вполне очевидно, что можно получить существенный выигрыш в быстродействии за счет подключения графических адаптеров, сетевых контроллеров, дисковых накопителей и контроллеров интерфейса SCSI к локальной шине, которая является каналом непосредственного обмена данными с ЦП.

Некоторые изготовители комплексного оборудования и печатных плат уже анонсировали изделия, содержащие оригинальные локальные шины, однако развитие этого направления до сих пор сдерживается отсутствием стандартного интерфейса. Такое положение вещей для потребителя означает высокую стоимость подобных систем и ограниченные возможности выбора.

ШИНА VL-BUS

АССОЦИАЦИИ VESA

Спецификации шины VL-Bus - это по существу стандарт аппаратного интерфейса. Как утверждает Рон Маккейб, председатель подкомитета по разработке шины VL-Bus ассоциации VESA, эта спецификация регламентирует требования к архитектуре и физическим компонентам интерфейса с ЦП.

Через локалную шину центральный процессор

компьютера получает непосредственный

доступ к периферийным устройствам.

В выработке проекта спецификации VL-Bus принимали учатие 40 компаний. По словам официальных представителей VESA, окончательный вариант должен был быть готов предположительно в 1994г. Первоначально эта шина применялась для построения сетевых серверов, систем обработки изображений и multimedia.

Шина VL-Bus обладает высокой пропускной способностью свыше 130 Мбайт/с. Специалисты ассоциации VESA утверждают, что в зависимости от типа переферийного устройства ожидаемое повышение быстродействия составит от 50 до 600%. Шина VL-Bus расчитана на работу на частоте до 66 Мгц. На частоте 33 Мгц она позволяет без тактов ожидания выполнять операции записи и с одним тактом ожидания операции чтения, а на частоте 66 Мгц - операции записи и чтения с одним тактом ожидания. Имеется режим захвата шины, при котором устройство берет на себя управление системными ресурсами без участия ЦП.

Установка дискового контроллера с интерфейсом SCSI и шиной VL-Bus в сетевой сервер может повысить скоростные характеристики сети на 15% благодаря увеличению скорости обмена с накопителями. Это происходит за счет уменьшения вероятностей столкновений и повторных попыток передачи данных. Реальная скорость передачи информации по линии не изменится, но уменьшение вероятности ожидания означает, что сеть способна на более интенсивную нагрузку и более эфективно реагирует на события. Один из ключевых элементов, отличающих спецификацию VL-Bus от спецификации PCI компании Intel, - наличие стандартного разьема. Конструкция разьемов аналогична конструкции соеденителей шины MCI. К шине через разьемы можно подключать до трех плат.

Недостатком шины VL-Bus является сложность схемной реализации и необходимость разработки новых наборов интегральных схем. Изготовителям системных плат и комплексного оборудования приходется проектировать новые изделия в соответствии с новой спецификацией. Это, однако, не требует переработки программного обеспечения.

Ассоциации VESA удается привлеч достаточное число изготовителей комплексного оборудования и переферийных устройств. Наборы интегральных схем появились в конце 1992г., а изделия для конечного пользователя - в 1993г.

Сейчас спецификация расширяется - вводится режим обмена 64-разрядными данными и существуют ИС преобразователь (для связи ЦП и переферийного устройства), благодаря чему шина VL-Bus совместима с шиной PCI компании Intel.

ЛОКАЛЬНАЯ ШИНА PCI

КОМПАНИИ INTEL

По случайному совпадению компания Intel анонсировала свою спецификацию шины PCI тоже в июне 1992г. на выставке PC Expo.

Локальная шина компании Intel - типичная внутренняя шина, которая позволяет изготовителям комплексного оборудования устанавливать компоненты непосредственно на системную плату, минуя шину ЦП-память. Спецификация требует, чтобы сопряжение ЦП и подключаемого переферийного устройства проводилось с помощью так называемой мостовой (Bridge) интегральной схемы.

Такое решение, как указывает Майкл Бейли, менеджер по маркетингу средств PCI компании Intel, обеспечивает необходимую для ввода-вывода пропускную способность и в то же время не задерживает работу ЦП. Процессор при этом может работать с основной памятью на полной скорости.

Специалисты компании Intel говорят, что PCI - это мультиплексная 32-разрядная шина, предусматривающая расширение до 64-х разрядов. Шина способна работать в синхронном режиме на частотах до 33 Мгц. Для 32-разрядного варианта шины пропускная способность составляет 132 Мбайт/c.

При обмене данными ЦП получает непосредственный доступ к подключенным к шине PCI устройствам, которые могут распологаться в адресном пространстве памяти или в пространстве устройства ввода-вывода. В режиме захвата шины главные абоненты шины PCI получают прямой доступ к основной памяти. Мостовая интегральная схема тоже может обеспечивать факультативные функции буферизации и централизованного арбитража шины.

Тип соеденителя для печатных плат спецификации PCI в явном виде не определен, однако компания Intel заявляет, что при разработке этой спецификации она ориентировалась на конкретный тип разьема. В будущем в спецификацию планируется включить требования к средствам управления мощьностью потребления для машин с батарейным питанием и схемам управления напряжением питания для низковольтных микросхем.

КТО ПЕРВЫЙ?

По мнению промышленных опозревателей, с технической точки зрения шины VL-Bus и PCI различаются незначительно. Они обеспечивают сравнимые скорости передачи данных, одинаковую разрядность передаваемой информации, прямой доступ к памяти при задержках 1 или 0,5 такта.

Реальный успех шины будет определятся и определяется тем, насколько удачно построены драйверы обмена данными и задействован режим прямого доступа к памяти.

"Шина VL-Bus выходит вперед" - говорит Джон Педди, издатель и редактор бюллетеня The PC Graphics Report. Причина проста: Эта шина не какая-то фантазия, она уже существует. Главный довод в пользу спецификации ассоциации VESA состоит в том, что соеденитель для шины уже выбран.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Computer Sources, August 1994 (Magazine)

2. PS Magazine, N1 1995

3. Мир ПК, N3,5 1994