|
|
|
|
Устройства,
подключаемые к шине, разделяются на два
основных типа: bus masters и bus slaves. Bus masters
- это устройства, способные управлять
работой шины, то есть инициировать запись/чтение
и т. п. Bus slaves - соответственно, устройства,
которые могут только отвечать на запросы.
Есть еще intelligent slaves, но их рассматривать
не будем. Важнейшей
характеристикой шины является ее
разрядность, которая определяет количество
данных, передаваемых по шине одновременно (за
один такт). Понятно, что чем больше
разрядность шины, тем больше ее
производительность, хотя, правда, это и не
всегда так, так как количество передаваемой
в секунду информации зависит еще и от
собственно ее частоты. По назначению шины
можно разделить на три категории: ·
Шина данных ·
Адресная шина ·
Шина управления Шина
данных По
этой шине происходит обмен данными между
процессором, картами расширения и памятью.
Особую роль здесь играет так называемый DMA-контроллер
(Direct Memoy Access), через который происходит
управление транспортировкой данных, минуя
процессор. Такой способ хорош тем, что
освобождает ресурсы CPU для других нужд.
Разрядность шины данных может составлять 8
бит, 16 бит, 32 бит и так далее. Адресная
шина Данные,
которые в большом количестве кочуют по шине
через материнскую плату, должны, в конце
концов, сделать где-нибудь помежкточную
остановку. Местом для этой остановки
являются отдельные ячейки памяти. Каждая
ячейка должна иметь свой адрес.
Следовательно, объем памяти, который может
адресовать процессор, зависит от
разрядности адресной шины. Его можно
вычислить по формуле: Объем
адресуемой памяти = 2n, где n - число
линий в адресной шине. Процессор
8088, например, имел в своем распоряжении 20
адресных линий и, таким образом, мог
адресовать всего 1 Mb памяти (220=1048576). В
компьютерах на базе процессора 80286 адресная
шина была уже 24-разрядной, а процессоры 80486
имеют уже 32-разрядную шину, которая
позволяет адресовать 4 им гигабайта памяти. Шина
управления Конечно
же, незачем просто транспортировать данные
по шине и располагать их в памяти, если
непонятно, куда их нужно переслать и какое
устройство в них нуждается. Разрешение этой
проблемы на себя шина контроллера,
называемая также системной шиной, или шиной
управления. В
качестве конечных пунктов системной шины
можно рассматривать слоты расширения,
интегрированные на материнскую плату
контроллеры и прочее. Все эти устройства
соединены между собой шиной управления.
Логично предположить, что от ее
производительности во многом зависит
производительность всей системы, и чем
больше тактовая частота и разрядность этой
шины, тем лучше. Внешний вид слотов
расширения, которые установлены на
материнской плате, зависит именно от типа
шины управления. Понятно, что, например,
разъемы 32-разрядной системной шины будут
отличаться от разъемов 16-разрядной шины. Шины
ISA и EISA
Шина
ISA была первой стандартизированной
системной шиной (ISA означает Industry Standart
Architecture) и долгие годы являлась стандартом
в области РС. И даже сегодня разъемы этой
шины можно встретить на некоторых
системных платах. 8-разрядная
шина
Родоначальником
в семействе шин ISA была появившаяся в 1981
году 8-разрядная шина (8 bit ISA Bus), которую
можно встретить в компьютерах ХТ-генерации.
8-разрядная шина имеет 62 линии, контакты
которых можно найти на ее слотах. Они
включают 8 линий данных, 20 линий адреса, 6
линий запроса прерываний. Шина
функционирует на частоте 4.77 MHz. 8-разрядная
шина ISA - самая медленная из всех системных
шин (пропускная способность составляет
всего 1.2 Mb в секунду), поэтому она уже давным-давно
устарела и поэтому сегодня нигде не
используется, ну разве что о-о-очень редко (например,
некоторые карточки FM-тюнера могут 8-разрядный
ISA-интерфейс, так как там шина используется
только для управления, а не для передачи
собственно данных, и скорость ее работы
является некритичной). 16-разрядная
шина
Дальнейшим
развитием ISA стала 16-разрядная шина, также
иногда называемая AT-Bus, которая впервые
начала использоваться в 1984 году. Если вы
посмотрите на ее слоты (извините,
пожалуйста, за плохое качество рисунка), то
увидите, что они состоят из двух частей, из
которых одна (большая) полностью копирует 8-разрядный
слот. Дополнительная же часть содержит 36
контактов (дополнительные 8 линий данных, 4
линии адреса и 5 линий IRQ плюс контакт для
нового сигнала SBHE). На этом основании
короткие 8-разрядные платы можно
устанавливать в разъемы новой шины (сделать
это наоборот, конечно же, невозможно). Передача
байта данных по шине ISA происходит
следующим образом: сначала на адресной шине
выставляется адрес ячейки RAM или порта
устройства ввода/вывода, куда следует
передать байт, затем на линии данных
выставляется байт данных. Производится
задержка тактами ожидания и подается
сигнал на передачу байта (строб записи),
причем неизвестно, успели записаться
данные или нет. Поэтому тактова частота
шины выбрана 8.33 MHz, чтобы даже самые
медленные устройства гарантированно могли
произвести по шине обмен даными (командами).
Пропускная способность при этом составила
5.3 Mb/s. Необходимость
повышения производительности наряду с
обеспечением совместимости привела к
дальнейшему развитию шины ISA. Поэтому в
сентябре 1988 года Compaq, Epson, Hewllett-Packard, NEC, Wyse,
Zenith, Olivetti, AST Research и Tandy представили 32-разрядное
расширение шины с полной обратной
совместимостью, которое получило название
EISA (Extended ISA). Основные характеристики
нового интерфейса были следующими: ·
Слот EISA полностью совместим со
слотом ISA. Как и в случае 16-разрядного
расширения, новые возможности
обеспечивались путем добавления новых
линий. Поскольку дальше удлинять разъем ISA
было некуда, разработчики нашли
оригинальное решение: новые контакты были
размещены между контактами шины ISA и не были
доведены до края разъема. Специальная
система выступов на разъеме и щелей в cоответствующих
местах на EISA-картах позволяла им (картам)
глубже заходить в разъем и подсоединяться к
новым контактам. На "первом этаже" (верхнем)
этой двухэтажной конструкции находятся
контакты уже известной ISA, в то время как на
"втором этаже" (нижнем) находятся новые
выводы EISA. По этой причине в слоты EISA могут
вставляться и ISA-карточки (последние не
будут полностью входить в разъем, так как
они не имеют прорези) ·
EISA является 32-разрядной шиной, что в
сочетании с 8.33 MHz'ами дает пропускную
способность в 33 Mb/s ·
32-разрядная адресация памяти
позволяла адресовать до 4 Gb памяти (как и в
расширении ISA, новые адресные линии были без
задержки) ·
Автонастройка плат расширения, а
также возможность их конфигурации не с
помощью DIP-переключателей, а программно ·
Поддержка возможности задания
уровня двухуровневого (edge-triggered)
прерывания, что позволяло нескольким
устройствам использовать одно прерывание,
как и в случае многоуровневого (level-triggered)
прерывания ·
Поддержка multiply bus master ·
Шина EISA предоставляет большие
преимущества при использовании кэш-памяти Как
видно из изложенного описания, для
потребностей того времени этого было
вполне достаточно. Шина
MCA
В
1987 году компания IBM прекратила выпуск серии
РС/АТ и начала производство линии PS/2. Одним
из главных отличий нового поколения
персональных компьютеров была новая
системная шина MCA (Micro Channel Architecture). Эта
шина не обладала обратной совместимостью с
ISA, но зато содержала ряд передовых для
своего времени решений: ·
8/16/32-разрядная передача данных ·
Пропускная способность составила 20
Mb/s при частоте 10 MHz и максимальной
пропускной способности 160 Mb/s (!), то есть
больше, чем у 32-разрядной PCI ·
Поддержка нескольких bus master. Любое
устройство, подключенное к шине, может
получить право на ее исключительное
использование для передачи или приема
данных с другого соединенного с ней
устройства. Такое устройство, по сути,
представляет собой специализированный
процессор, который может осуществлять
обмен данными по шине независимо от
основного процессора. Работу устройств
арбитр шины (CACP - Central Arbitration Control Point). При
распределении функций управления шиной
арбитр исходит из уровня приоритета,
которым обладает то или иное устройство или
операция. Всего таких уровней четыре (в
порядке убывания): o
Регенерация системной памяти o
Прямой доступ к памяти (DMA) o
Платы адаптеров o
Процессор ·
Если устройству необходим контроль
над шиной, оно сообщает об этом арбитру. При
первой возможности (после обработки
запросов с более высокими приоритетами)
арбитр передает ему управление шиной. Вне
системы приоритетов обслуживают только
немаскируемые прерывания (NMI - Non-Maskable
Interrupts), при возникновении которых
управление немедленно передается
процессору ·
11-уровневые прерывания (11-level triggered
interrupts) вместо двухуровневых (trigger-edged)
у ISA позволяли делить (share) прерывания
между устройствами, что в свою очередь
позволило излечить одну из болезней первых
PC - нехватку линий IRQ ·
24 или 32 адресных линии позволяли
адресовать до 4 GB памяти ·
Автоматическое конфигурирование
устройств существенно упростило установку
новых плат. У компьютеров с шиной MCA нет
никаких перемычек или переключателей - ни
на системной плате, ни на платах расширения.
Вместо использования адресов портов ввода-вывода,
зашитых в железо, центральный процессор
назначает их при старте системы, базируюсь
на информации, считанной из ROM карты ·
Асинхронный протокол передачи
данных снижал вероятность возникновения
конфликтов и помех между устройствами,
подключенными к шине. ·
16-разрядные (основные слоты, которые
устанавливается во все компьютеры с шиной
МСА) ·
32-разрядные (устанавливаются на
компьютерах с шиной МСА и процессором 386DX и
выше. Так же, как и в ISA, являются только
расширением основного слота, но, поскольку
разрабатывались одновременно с шиной,
конструкция получилась более логичной) ·
16 и 32-разрядные с дополнениями для
плат памяти (устанавливаются в некоторых
компьютерах с шиной МСА, например, PS/2
моделей 70 и 80, имеют 8 дополнительных
контактов для работы с платами расширения
памяти, расположенных в самом начале
разъема, обращенном к задней стенке
компьютера, перед основными контактами) ·
16 и 32-разрядные с дополнениями для
видеоадаптеров (предназначены для
увеличения быстродействия видеосистемы.
Обычно в компьютере с шиной МСА установлен
один такой слот. 10 дополнительных контактов
также расположены в начале разъема и
позволяют плате видеоадаптера получить
доступ к встроенной в системную плату схеме
VGA). Local
Bus
Все
описанные ранее шины (за исключением MCA)
имеют общий недостаток - сравнительно
низкую пропускную способность. Это связано
с тем, что шины разрабатывались в расчете на
медленные процессоры. В дальнейшем
быстродействие последнего 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
внешних частотах до 66 MHz ·
Увеличение емкости жестких дисков и
создание более быстрых контроллеров ·
Разработка и активное продвижение
на рынок графических интерфейсов
пользователя (типа Windows) привели к созданию
новых графических адаптеров,
поддерживающих более высокое разрешение и
большее количество цветов (VGA и SVGA), что
привело к нехватке пропускной способности
имеющихся шин (MCA, как уже говорилось, не в
счет) Выход
из создавшегося положения 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. И
в августе 1992 года ассоциация Video Electronic Standard
Association (VESA) - ассоциация, представляющая
более ста компаний - предложила
использовать в компьютерах на базе
процессоров Intel-80486 подобную архитектуру,
называемой теперь шиной VESA (она же VL-Bus, она
же Local Bus). Иначе говоря шина VESA является
продолжением той магистрали, по которой
микропроцессор обменивается с оперативной
памятью. Поэтому она оказалась очень
дешевой в реализации, и в 1993-1994 годах VL-Bus
получила широчайшее распространение на
компьютерах с процессором 80486 и его
модификациях.
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) ·
Максимальное количество bus master - 3 (не
включая контроллер шины). При необходимости
возможна установка нескольких подсистем
для поддержки большего числа master'ов ·
Несмотря на то, что изначально шина
была разработана для работы с
видеоконтроллерами, возможна поддержка и
других устройств (например, контроллерa
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 master'ов. Шина не поддерживает
специальных инициаторов DMA ·
Максимальная теоретическая
пропускная способность шины - 160 Мb/s (при
частоте шины 50 MHz), а стандартная - 107 Мb/s 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 ·
Слот VL-bus устанавливается в линию за
слотами ISA/EISA/MCA, поэтому VL-платам доступны
все линии этих шин ·
Поддерживается как интегрированный
в процессор кэш, так и кэш на материнской
плате ·
Напряжение питания 5 V. Устройства с
уровнем выходного сигнала 3.3 V
поддерживаются при условии, что они могут
работать с уровнем входного сигнала 5 V. Появление
локальной шины было огромным шагом вперед
во всей компьютерной индустрии, так как она
смогла устранить сразу два узких места в
системе: низкие скорости обмена данными с
графической картой и жестким диском. Однако
скоро выяснилось, что VESA - это ничуть не
более, чем сиюминутное решение. Это связано
с большим перечнем серьезных недостатков,
присущих шине, а именно: ·
Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus
жестко привязана к шине процессора 80486,
которая отличается от шин CPU Pentium и
процессоров следующих поколений ·
Ограниченное быстродействие. Как
уже было сказано, реальная частота VL-bus не
может составлять больше 50 MHz. Причем при
использовании процессоров с множителем
частоты шина использует основную частоту (так,
для 486DX2/66 частота шины будет 33 MHz). Впрочем,
для начала-середины 90-х годов скорости было
вполне достаточно, однако уже через
несколько лет ее могло бы и не хватить ·
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 Шина
PCI
Едва
карта VLB успела закрепиться на рынке, как в
июне 1992 года фирма Intel изготовила новую шину
- шину PCI (Peripheral Component Interconnect). Именно этот
"периферийный соединительный компонент"
находится в большинстве современных
компьютеров, де-факто стал стандартом для
шинной индустрии нашего времени. Разработчики
шины поставили своей целью создать
принципиально новый интерфейс, который бы
не являлся усовершенствованиями других
технологий (как, например EISA), не зависел от
платформы (то есть мог работать с будущими
поколениями процессоров), имел высокую
производительность и был дешев в
производстве. Благодаря отказу от
использования шины процессора шина PCI
оказалась не только процессоронезависимой,
но и могла работать самостоятельно, не
обращаясь к последней с запросами. Например,
процессор может работать с памятью, в то
время как по шине PCI передаются данные.
Основополагающим принципом шины PCI
является применение так называемых мостов (Bridges),
которые осуществляют связь шины с другими
компонентами системы (например, PCI to ISA Bridge).
Другой особенностью является реализация
так называемых принципов Bus Master и Bus Slave.
Например, карта PCI-Master может как считывать
данные из оперативной памяти, так и
записывать их туда без обращения к
процессору. Карта PCI-Slave (например,
графический контроллер) может только
считывать данные.
Особенности
шины PCI: ·
Синхронный 32-х или 64-х разрядный
обмен данными (правда, насколько мне
известно, 64-разрядная шина в настоящее
время используется только в Alpha-системах и
серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в
принципе, за ней будущее). При этом для
уменьшения числа контактов (и стоимости)
используется мультиплексирование, то есть
адрес и данные передаются по одним и тем же
линиям ·
Шина поддерживает метод передачи
данных, называемый linear burst (метод
линейных пакетов). Этот метод предполагает,
что пакет информации считывается (или
записывается) одним куском, то есть адрес
автоматически увеличивается для
следующего байта. Естественным образом при
этом увеличивается скорость передачи
собственно данных за счет уменьшения числа
передаваемых адресов ·
В шине PCI используется совершенно
отличный от ISA способ передачи данных. Этот
способ, называемый способом рукопожатия (handshake),
заключается в том, что в системе
определяется два устройства: передающее (Iniciator)
и приемное (Target). Когда передающее
устройство готово к передаче, оно
выставляет данные на линии данных и
сопровождает их соответствующим сигналом (Iniciator
Ready), при этом приемное устройство
записывает их (данные) в свои регистры и
подает сигнал Target Ready, подтверждая
запись данных и готовность к приему
следующих. Установка всех сигналов
производится строго в соответствии с
тактовыми импульсами шины ·
Относительная независимость
отдельных компонентов системы. В
соответствии с концепцией PCI передачей
пакета данных управляет не CPU, а мост,
включенный между ним и шиной PCI (Host Bridge Cashe/DRAM
Controller). Процессор может продолжать работу
и тогда, когда происходит обмен данными с RAM.
То же происходит и при обмене данными между
двумя другими компонентами системы ·
Низкая нагрузка на процессор. Эта
особенность вытекает из предыдущей ·
Частота работы шины 33 MHz или 66 MHz
позволяет обеспечить широкий диапазон
пропускных способностей (с использованием
пакетного режима): o
132 МВ/сек при 32-bit/33 MHz o
264 MB/сек при 32-bit/66 MHz o
264 MB/сек при 64-bit/33 MHz o
528 МВ/сек при 64-bit/66 MHz ·
При этом для работы шины на частоте
66 MHz необходимо, чтобы все периферийные
устройства работали на этой частоте ·
Поскольку шина процессора и шина
расширения PCI соединены с помощью главного
моста (Host Bridge), то последняя может
работать с CPU последующих поколений ·
Полная поддержка multiply bus master (например,
несколько контроллеров жестких дисков
могут одновременно работать на шине) ·
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для
5 и 3.3V плат различаются расположением
ключей ·
Поддержка write-back
и write-through
кэша ·
PCI приспособлена для распознавания
аппаратных средств и анализа конфигурации
системы в соответствии со стандартом
Plug&Play, разработанным корпорацией Intel.
Спецификация шины PCI определяет три типа
ресурсов: два обычных (диапазон памяти и
диапазон ввода/вывода, как их называет
компания Microsoft) и configuration space -
конфигурационное пространство. Оно состоит
из трех регионов: o
Заголовка, независимого от
устройства (device-independent header region) o
Региона, определяемого типом
устройства (header-type region) o
региона, определяемого
пользователем (user-defined region) ·
Спецификация шины позволяет
комбинировать до восьми функций на одной
карте (например, видео+звук и прочее) ·
Шина позволяет устанавливать до 4
слотов расширения, однако возможно
использование моста PCI to PCI для увеличения
их количества ·
PCI-устройства оборудованы таймером,
который используется для определения
максимального промежутка времени, в
течении которого устройство может занимать
шину ·
При разработке шины в ее
архитектуру были заложены передовые
технические решения, позволяющие
использовать шину в будущем и
модернизировать ее Шина
AGP
Получившая
в последнее время большое распространение
3D-графика, а также все возрастающая
нагрузка на PCI со стороны разных там жестких
дисков, сетевых карт и других
высокоскоростных устройств привели к тому,
что пропускной способности локальной шины
для удовлетворения всех этих требований
начало явно недоставать. Казалось бы, вот
вам простейшее решение: переходите на 66-мегагерцовую
64-разрядную шину PCI, так нет же. Intel на базе
того же стандарта PCI R2.1 разрабатывает новую
шину - AGP (1.0, затем 2.0), которая отличается от
своего родителя в следующем: ·
Шина способна передавать два блока
данных за один 66 MHz цикл (AGP 2x) ·
Устранена мультиплексированность
линий адреса и данных (напомню, что в PCI для
удешевления конструкции адрес и данные
передавались по одним и тем же линиям) ·
дальнейшая конвейеризация операций
чтения/записи, по мнению разработчиков,
позволяет устранить влияние задержек в
модулях памяти на скорость выполнения этих
операций В
результате пропускная способность шины
была оценена в 500 МВ/сек, и предназначалась
она для того, чтобы графические карты могли
хранить необходимые им данные (текстуры) не
только в своей дорогой локальной памяти,
установленной на борту, но и в дешевой
системной памяти компьютера. При этом они (карты)
могли иметь меньший объем этой самой
локальной памяти и, соответственно, дешевле
стоить.
Принципиально
AGP - это вторая магистраль PCI, которая
соединена с другими компонентами системы
специальным мультимедиа-мостом (Multimedia Bridge). Парадокс
в том, что видеокарты (точнее, их
производители) все-таки предпочитают иметь
больше памяти, и почти никто не хранит
текстуры в оперативной памяти. Во первых,
пока еще (но только пока) в современных
приложениях не используются такие
грандиозные по размеру текстуры, которые
требовали бы чересчур много памяти. Во
вторых, видеопамять быстро дешевеет и ее
увеличение не сильно сказывается на
стоимости видеокарты (сейчас карта с 64 Mb
стоит почти столько же, как всего год-полтора
назад стоила похожая карта с 32 Mb памяти).
Хотя главная причина, очевидно, в том, что
системная RAM имеет куда меньшее
быстродействие, чем локальная видеопамять,
и использовать все то, что может
предоставить AGP, было бы вряд ли рационально,
пусть даже от этого уменьшилась цена
видеоадаптера. Тем не менее, все
современные видеоккарты имеют интерфейс AGP,
потому что, во первых, даже если не
использовать прокачку текстур между
системной памятью и видеоадаптером, при
большой нагрузке на шину PCI со стороны
периферии данные от различных устройств (например,
процессора или платы видеомонтажа) могут не
успевать поступать в видеокарту настолько
быстро, насколько это нужно, и, во-вторых,
бурно развивающиеся технологии 3D-графики
скоро могут привести к тому, что текстуры
перестанут помещаться в локальную
видеопамять (если, конечно, в системе
установлена не самая наворочанная
видеоплата с большим объемом RAM). Да и потом,
если учесть мощности современных CPU, шина PCI
со своими 132 мегабайтами в секунду
смотрится плоховато даже для простого
обмена данными видеоконтроллера с
центральным процессором и другими
компонентами системы, так что появление в
свое время AGP было действительно
востребовано, а сейчас без этого интерфейса
просто невозможно представить современный
персональный компьютер. |
|
|
