Организация вычислительных систем и сетей

Модификация адресов

Рассмотренные методы адресации обеспечивают адресацию переменных и констант. При решении ряда задач на ЭВМ необходимо выполнять некоторые участки программ многократно (цикличность вычислительного процесса) над различными операндами, расположенными упорядоченно в массивах ОП. Поскольку операнды, обрабатываемые при повторениях цикла, имеют разные адреса, то каждый цикл в программе можно представить виде последовательности команд, отличающихся адресными частями. Однако при таком подходе программа решения задачи оказывается слишком длинной и ее составление чрезмерно трудоемким.

Программирование вычислительных циклов существенно упрощается, если после каждого цикла обеспечить автоматическое изменение в соответствующих командах их адресных частей. Процедура изменения адреса в командах называется модификацией адреса. Модификация адресов команд основана на возможности выполнения над кодами команд или их частями арифметических и логических операций. В качестве операндов в командах вычислительного цикла могут фигурировать элементы массивов называемые переменными с индексами. Элемент массива представляется базовым адресом Аб и индекса i, указывающего, на сколько единиц должен быть изменен адрес команды перед ее выполнением.

Программный способ модификации адресов в команде значительно замедляет процесс обработки переменных с индексом и требует для этих целен большой емкости оперативной памяти. В связи с этим в современных ЭВМ для модификации адресов используют аппаратные средства. В этом случае адрес в команде (рис. 6.5) представляется двумя полями.

В поле В указывается базовый адрес массива Аб оперативной памяти. Поле Х называется индексом. Если Х=0, то адрес Аб не модифицируется, т.е. является исполнительным Аисп. Значение Х<>0 определяет адрес ячейки памяти индексов, в которой хранится индекс i. Модификация адреса сводится к вычислению исполнительного адреса Аисп=Аб+(Х), где (X) -- содержимое ячейки Х индексной памяти.

В качестве индексной памяти используют в процессоре так называемые индексные регистры СОЗУ. Суммирование производится или АЛБ процессора, пли в специальном сумматоре обработки адресов, что несколько только увеличивает объем процессора.

Относительная адресация

При динамическом распределении памяти базовые адреса массивов изменяются в процессе выполнения программы, в результате адреса не могут быть зафиксированы в программе. Для обеспечения динамического распределения памяти используют способ относительной адресации. Относительный адрес (рис. 6.6, а) состоит из двух полей: В, указывающего базовый адрес Аб массива D, представляющего собой относительный адрес Аотн. Поле D принято называть смещением D операнда относительно начала массива.

Исполнительный адрес вычисляется по формуле Аисп= (В)+D. Для хранения базовых адресов в целях повышения быстродействия ЭВМ используют также так называемые базовые регистры СОЗУ.

При формировании Аисп (рис. 6.6, а) на суммирование в SМ затрачивается некоторое время. В целях уменьшения этого времени используют так называемый метод совмещения. В этом случае в базовом регистре В (рис. 6.6, б) содержатся старшие разряды, а в поле С) записывают младшие разряды исполнительного адреса Аисп, которые выдаются непосредственно в регистр адреса оперативной памяти (РгАОП). При совмещении, очевидно, базовый адрес Аб не может принимать значение адреса любой ячейки ОП, а только тех адресов, которые содержат в младших разрядах нули, соответствующие количеству разрядов поля D.

В универсальных ЭВМ используют совместно относительную адресацию и модификацию адресов (рис. 6.7). В этом случае Аисп вычисляется по формуле Аисп=(В)+(X)+D, где (В) -- базовый адрес Аб (содержимое ячейки В), (X) -- индекс i (содержимое ячейки X); D -- смещение операнда (относительный адрес).

6.4 Организация виртуальной памяти

Обычно при решении задач на ЭВМ только часть информации размещается во внутренней памяти, а остальная хранится во внешней памяти. Таким образом, программист имеет дело с многоуровневой памятью и, планируя процесс решения задачи, включает в программу операции, вызывающие обмен информацией между различными ЗУ. Даже при наличии систем автоматизации программирования и хорошо организованных систем управления данными программирование задач для ЭВМ с многоуровневой памятью отличается сложностью и требует от исполнителей высокой квалификации. Особенно сложны процедуры обмена информацией между уровнями памяти, необходимые для организации мультипрограммной работы ЭВМ в режиме разделения времени. В связи с этим. в современных ЭВМ осуществляется автоматическое (не предусмотренное программой) планирование передач информации в многоуровневой памяти, основанное на построении виртуальной (фиктивной, кажущейся) одноуровневой памяти.

Под виртуальной памятью понимается совокупность ячеек всех ОЗУ и ВЗУ, имеющих сквозную нумерацию 0, 1, 2, ..., (Q-1). Программирование процессов решения задач производится в терминах математических (виртуальных) адресов 0.1,2,..., (Q-1). При этом команды ссылаются на математические адреса в предположении, что слово, идентифицированное любым математическим адресом, является доступным для процессора. Таким образом, для программиста создается одноуровневая память емкостью Q слов. В физическом отношении виртуальная память -- это совокупность оперативных и внешних ЗУ, охваченных средствами преобразования математических адресов в физические (действительные) адреса ячеек и автоматизации перемещения информации между устройствами памяти.

6.4.1 Страничная адресация памяти

Процессы преобразования адресов и перемещения информации наиболее просто реализуются при страничной адресации памяти. Метод страничной адресации состоит в том, что виртуальная память (множество адресов) разделяется на страницы емкостью соседних адресов. Так, к странице с адресом 0 относятся адреса 0, 1, 2, ... , к странице с адресом и так далее. В результате адрес слова будет состоять из двух полей Р, указывающих адрес страницы, и А -- адрес слова в странице Р (рис. 6.8, а).

Если физическую память разделить, а сегменты, состоящие из соседних ячеек, то физические адреса в пределах одной виртуальной страницы по структуре будут полностью совпадать с математическими адресами (рис. 6.8, б), где S - адрес сегмента, а А - адрес слова (ячейки) в сегменте S. Размер страниц составляет 512-1024 слова, но в некоторых случаях возникает необходимость в использовании страниц размером 32--128 слов.

В процессе решения задачи страницы перемещаются между ОЗУ и ВЗУ. Если вычислительный процесс распределяется на страницу Р, то она вызывается в ОЗУ. Когда надобность в информации, размещенной на странице Р, отпадает, то она удаляется из ОЗУ в виртуальную память, освобождая место для других страниц. В результате перемещения граница Р может быть помещена на любом сегменте S ОП.

Текущее состояние памяти ЭВМ характеризуется таблицей страниц. Отдельной странице виртуальной памяти Pi (i=1, 2, ..., Q-1) соответствует одна строка таблицы, в которой указываются параметры страницы Рi: Si -- адрес сегмента ОЗУ, в котором размещается страница Рi, иначе говоря, физический адрес страницы Pi; di - признак доступности страницы: при di=1 страница Pi, хранится в ОЗУ и недоступна для центрального процессора.

В таблице страниц также указываются параметры, определяющие страницу, которую надо удалить из ОЗУ (на рис 6.9 эти параметры не показаны) вследствие относительной низкой вероятности ее использования. Таблица страниц размещается в ОЗУ и в любое время доступна ЦП. Как видно из рис. 6.9, 2048 страниц виртуальной памяти могут размещается в 128 сегментах ОЗУ и на магнитных дисках НМД1 и НМД2 емкостью 960 страниц каждый.

Каждой странице Рi (i=0, 1, 2, . . ., 2047) виртуальной памяти соответствует свой сегмент, адрес которого определен в таблице страниц, и, следовательно, каждому слову присвоен свой физический адрес.

Операционная система (ОС) обеспечивает преобразование математических адресов в физические адреса.

6.4.2 Сегментация памяти

Другой подход к организации памяти опирается на тот факт, что программы обычно разделяются на отдельные области-сегменты. Каждый сегмент представляет собой отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программ и расположенную в адресном пространстве пользователя. Сегменты создаются пользователями, которые могут обращаться к ним по символическому имени. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля.

Обычно в подобных системах обмен информацией между пользователями строится на базе сегментов. Поэтому сегменты являются отдельными логическими единицами информации, которые необходимо защищать, и именно на этом уровне вводятся различные режимы доступа к сегментам. Можно выделить два основных типа сегментов: программные сегменты и сегменты данных (сегменты стека являются частным случаем сегментов данных). Поскольку общие программы должны обладать свойством повторной входимости, то из программных сегментов допускается только выборка команд и чтение констант. Запись в программные сегменты может рассматриваться как незаконная и запрещаться системой. Выборка команд из сегментов данных также может считаться незаконной и любой сегмент данных может быть защищен от обращений по записи или по чтению.

Для реализации сегментации было предложено несколько схем, которые отличаются деталями реализации, но основаны на одних и тех же принципах.

В системах с сегментацией памяти каждое слово в адресном пространстве пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер сегмента, а младшие - как номер слова внутри сегмента. Наряду с сегментацией может также использоваться страничная организация памяти. В этом случае виртуальный адрес слова состоит из трех частей: старшие разряды адреса определяют номер сегмента, средние - номер страницы внутри сегмента, а младшие - номер слова внутри страницы.

Как и в случае страничной организации, необходимо обеспечить преобразование виртуального адреса в реальный физический адрес основной памяти. С этой целью для каждого пользователя операционная система должна сформировать таблицу сегментов. Каждый элемент таблицы сегментов содержит описатель (дескриптор) сегмента (поля базы, границы и индикаторов режима доступа). При отсутствии страничной организации поле базы определяет адрес начала сегмента в основной памяти, а граница - длину сегмента. При наличии страничной организации поле базы определяет адрес начала таблицы страниц данного сегмента, а граница - число страниц в сегменте. Поле индикаторов режима доступа представляет собой некоторую комбинацию признаков блокировки чтения, записи и выполнения.

Таблицы сегментов различных пользователей операционная система хранит в основной памяти. Для определения расположения таблицы сегментов выполняющейся программы используется специальный регистр защиты, который загружается операционной системой перед началом ее выполнения. Этот регистр содержит дескриптор таблицы сегментов (базу и границу), причем база содержит адрес начала таблицы сегментов выполняющейся программы, а граница - длину этой таблицы сегментов. Разряды номера сегмента виртуального адреса используются в качестве индекса для поиска в таблице сегментов. Таким образом, наличие базово-граничных пар в дескрипторе таблицы сегментов и элементах таблицы сегментов предотвращает возможность обращения программы пользователя к таблицам сегментов и страниц, с которыми она не связана. Наличие в элементах таблицы сегментов индикаторов режима доступа позволяет осуществить необходимый режим доступа к сегменту со стороны данной программы. Для повышения эффективности схемы используется ассоциативная кэш-память.

Отметим, что в описанной схеме сегментации таблица сегментов с индикаторами доступа предоставляет всем программам, являющимся частями некоторой задачи, одинаковые возможности доступа, т. е. она определяет единственную область (домен) защиты. Однако для создания защищенных подсистем в рамках одной задачи для того, чтобы изменять возможности доступа, когда точка выполнения переходит через различные программы, управляющие ее решением, необходимо связать с каждой задачей множество доменов защиты. Реализация защищенных подсистем требует разработки некоторых специальных аппаратных средств. Рассмотрение таких систем, которые включают в себя кольцевые схемы защиты, а также различного рода мандатные схемы защиты, выходит за рамки данного пособия.

7. 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:

BIOS;

Системные и локальные шины;

Шины ввода/вывода.

7.1 BIOS

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.

7.2 Системные и локальные шины

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

7.3.1 Шина AGP

Шина персонального компьютера (PC) постоянно терпит множество изменений в связи с повышаемыми к ней требованиями.

Так ускоренный графический порт (AGP) это расширение шины PCI, чье назначение обработка больших массивов данных 3D графики. Intel разрабатывала AGP, для решения двух проблем перед внедрением 3D графики на PCI. Во-первых, 3D графика требуется как можно больше памяти информации текстурных карт (texture maps) и z-буфера (z- buffer). Чем больше текстурных карт доступно для 3D приложений, тем лучше выглядит конечный результат. При нормальных обстоятельствах z- буфер, который содержит информацию относящуюся к представлению глубины изображения, использует ту же память как и текстуры. Этот конфликт передоставляет разработчикам 3D множество вариантов для выбора оптимального решения, которое они привязывают к большой значимости памяти для текстур и z-буфера, и результаты напрямую влияют на качество выводимого изображения.

Разработчики PC имели ранее возможность использовать системную память для хранения информации о текстурах и z-буфера, но ограничение в таком подходе, была передача такой информации через шину PCI. Производительность графической подсистемы и системной памяти ограничиваются физическими характеристиками шины PCI (рис.7.1, а). Кроме того, ширина полосы пропускания PCI, или ее емкость, не достаточна для обработки графики в режиме реального времени. Чтобы решить эти проблемы Intel разработала AGP.

Если определить кратко, что такое AGP, то это - прямое соединение между графической подсистемой и системной памятью (рис.7.1, б). Это решение позволяет обеспечить значительно лучшие показатели передачи данных, чем при передаче через шину PCI, и явно разрабатывалось, чтобы удовлетворить требованиям вывода 3D графики в режиме реального времени. AGP позволит более эффективно использовать память страничного буфера (frame buffer), тем самым увеличивая производительность 2D графики также, как увеличивая скорость прохождения потока данных 3D графики через систему.

Определение AGP, как вид прямого соединения между графической подсистемой и системной памятью, называется соединение point-to-point. В действительности, AGP соединяет графическую подсистему с блоком управления системной памятью, разделяя этот доступ к памяти с центральным процессором компьютера (CPU).

7.3.2 Шина USB

Шина USB предназначена для обеспечения обмена данными между компьютером (центральным процессором устройства) и подсоединенными к нему периферийными устройствами (ПУ) в условиях динамического (горячего) изменения конфигурации системы.

При проектировании новой шины особое внимание обращалось на следующие показатели:

* простоту изменения конфигурации системы;

* стоимость законченного решения при пропускной способности до 12 Мбит/с;

* возможность передачи потоков аудио- и сжатых видеоданных в реальном времени;

* обеспечение одновременной передачи разных типов данных;

* адаптацию к существующей инфраструктуре ПК и возможность быстрого включения интерфейса шины в представленное на рынке прикладное ПО;

* стимулирование разработки новых классов устройств, расширяющих возможности ПК.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

* высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) -12 Mb/s;

* максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m;

* низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s;

* максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена -Зт;

* максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127;

* возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

* отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;

* напряжение питания для периферийных устройств - 5 V;

* максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 х 500 mA=63.5 А).

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и жестких высокоскоростных дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение - расчленение. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джостики и т. д.

Сама шина - это многоуровневая иерархическая система. На физическом уровне топология шины представляет собой корневидную структуру (рис. 7.2) - многоуровневую звезду (в терминологии стандарта), при которой соединения могут формировать цепочки и звезды. Закольцовка соединений в системе не допускается (этому, в частности, препятствует разная конструкция разъемов входного и выходного портов шины USB).

В самой верхней части "корня" шины USB находится корневой концентратор, обеспечивающий связь периферии с компьютером (хостом). В текущей реализации стандарта допускается наличие только одного корневого концентратора, хотя и делается очень важная оговорка о возможности модернизации в будущем с целью поддержки нескольких корневых узлов в одной системе, что позволит, по мнению автора, создавать своего рода микросети в пределах, например, одного помещения. Уже практически готовы основные, системообразующие, решения и компоненты: концентраторы, мультиплексированная шина, программные и аппаратные средства ее поддержки.

Центром каждой звезды является узел (концентратор) шины USB, который обеспечивает набор двухточечных соединений с другими узлами и/или функциями, лежащими вниз по потоку (т. е. на большем удалении от компьютера). Узел состоит из двух функциональных элементов - повторителя, служащего для управления коммутацией потоков информации между входным и выходными портами узла, и контроллера, предназначенного для управления статусом (состоянием) узла и его портов

Функции шины USB - это возможности, которые формируют полезные свойства сети USB, например выход в линию ISDN, получение данных от джойстика или вывод сигнала на звуковые колонки. Понятие функции не эквивалентно определению устройства, поскольку последнее может реализовать сразу несколько функций. В этом случае оно называется составным и рассматривается системой как узел с несколькими постоянно подключенными однофункциональными устройствами. Подобное устройство должно содержать встроенный концентратор шины USB.

Все устройства и узлы шины USB могут иметь собственные источники питания или запитываться от вышестоящего узла USB. (Запитываемый от шины узел обеспечивает работу до четырех ПУ, а с собственным питанием - до семи и более.) Все эти устройства в соответствии со стандартом шины подразделяются на классы, которые образуют свою иерархию. Классами-родоначальниками являются узлы и функции. Введение классов устройств должно, по мнению создателей шины, способствовать стандартизации аналогичных по назначению периферийных устройств разных производителей. По мере необходимости разработчики смогут, кроме стандартных классов, определять новые классы ПУ.

Интерфейс между USB и компьютером называется хост-контроллером (host controller, НС), который реализуется комбинацией аппаратных средств и драйвера хост-контроллера (host controller driver, HCD). Хост-контроллер отвечает за выполнение следующих операций:

* обнаружение подключения/отключения устройств;

* потоки управляющей информации между хостом и ПУ;

* управление потоками данных по шине, в частности выполнение протокола шины;

* сбор информации о статусе и активности ПУ-системы, а также формирование отчетов о состоянии системы USB;

* выделение ПУ определенных лимитов энергоресурсов системы (особенно актуально

для мобильных систем).

Хост-контроллер USB активно взаимодействует с различными службами операционной системы. Например, при наличии в ОС службы управления энергоресурсами АРМ (advanced power management) ПО USB перехватывает и выполняет запросы этой службы на приостановку функционирования и восстановление рабочего состояния конкретных устройств.

Прикладной интерфейс USB содержит драйверы стандартных классов устройств для данной ОС. Здесь используются обращения к специфическим службам ОС, в частности РпР для Windows 95. Разработчики нестандартного оборудования должны включать свои драйверы в этот уровень ПО шины USB.

Еще один важный компонент верхнего уровня ПО шины - система конфигурирования шины и идентификации ПУ, поставляемая разработчиком ОС или независимыми производителями ПО. Эта система управляет всеми узлами сети, в том числе корневым концентратором, и является частью службы управления энергопотреблением компьютерной системы.

Ключевым элементом ПО USB является драйвер USBD, поставляемый, как сказано в стандарте шины, разработчиком ОС. На него ложится вся диспетчеризация активности на шине. Драйвер транслирует запросы ввода/вывода клиентского ПО в вызовы HCD. Например, USBD на основании данных запроса на подключение нового ПУ (число конечных точек в устройстве, допустимые типы и объемы передач данных и т. д.) дает отказ или удовлетворяет запрос, исходя из свободных ресурсов шины.

USBD опирается на драйвер хост-контроллера, скрывающий особенности аппаратных решений USB от вышележащего ПО. Драйвер хост-контроллера отслеживает выполнение текущих запросов на доступ к шине и обеспечивает бездефицитное выделение имеющихся ресурсов шины. Драйвер хост-контроллера также поставляется разработчиком ОС и содержит в настоящее время два аппаратных интерфейса: UHCI (universal host controller interface) и OHCI (open host controller interface).

Как и в любой сложной многоуровневой системе, использующей общий коммуникационный канал, передача потоков информации между хостом и ПУ по шине USB требует взаимодействия многих программных и аппаратных компонентов, каждый из которых имеет свою сферу ответственности. Это придает особое значение протоколу обмена между элементами системы.

В шине USB используется мультиплексирование передаваемых данных с временным уплотнением (time division multiplexing, TDM). Основу логической модели передачи данных составляют пакеты. Размер пакета переменный, он зависит от многих факторов. Хост-контроллер объединяет пакеты в кадры, длительность которых 0,001 с. Порядок следования пакетов в кадре определяется драйвером хост-контроллера, однако для каждого получателя информации (логического канала передачи данных) гарантируется сохранение последовательности поступления данных.

Системное ПО шины и специальные протоколы обмена скрывают от клиентского ПО (прикладных программ) сложность централизованного управления маркерным доступом к совместно используемым ресурсам шины USB, сводя его к системе двухточечных связей. Этим USB отличается от таких шин, как PCI, EISA, PCMCIA, где клиентское ПО напрямую работает с адресатом.

7.3.3 Шины IDE и SCSI

Одними из наиболее популярных шин ввода-вывода в настоящее время являются шины IDE и SCSI.

Под термином IDE (Integrated Drive Electronics - электpоника, встpоенная в пpивод)), или ATA (AT Attachment - подключаемый к AT) понимается пpостой и недоpогой интеpфейс для PC AT. Все функции по упpавлению накопителем обеспечивает встpоенный контpоллеp, а 40-пpоводной соединительный кабель является фактически упpощенным сегментом 16-pазpядной магистpали AT-Bus (ISA). Пpостейший адаптеp IDE содеpжит только адpесный дешифpатоp - все остальные сигналы заводятся пpямо на pазъем ISA. Адаптеpы IDE обычно не содеpжат собственного BIOS - все функции поддеpжки IDE встpоены в системный BIOS PC AT. Однако интеллектуальные или кэшиpующие контpоллеpы могут иметь собственный BIOS, подменяющий часть или все функции системного.

Основной pежим pаботы устpойств IDE - пpогpаммный обмен (PIO) под упpавлением центpального пpоцессоpа, однако все совpеменные винчестеpы EIDE поддеpживают обмен в pежиме DMA, а большинство контpоллеpов - pежим Bus Mastering.

Под термином SCSI - Small Computer System Interface (Интерфейс малых вычислительных систем) обычно понимается набор стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов США (ANSI) и определяющих механизм реализации магистрали передачи данных между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. На сегодняшний день приняты два стандарта (SCSI-1 и SCSI-2). Стандарт SCSI-3 находится в процессе доработки.

Начальный стандарт 1986 года, известный теперь под названием SCSI-1, определял рабочие спецификации протокола шины, набор команд и электрические параметры. В 1992 году этот стандарт был пересмотрен с целью устранения недостатков первоначальной спецификации (особенно в части синхронного режима передачи данных) и добавления новых возможностей повышения производительности, таких как "быстрый режим" (fast mode), "широкий режим" (wide mode) и помеченные очереди. Этот пересмотренный стандарт получил название SCSI-2 и в настоящее время используется большинством поставщиков вычислительных систем.

Первоначально SCSI предназначался для использования в небольших дешевых системах и поэтому был ориентирован на достижение хороших результатов при низкой стоимости. Характерной его чертой является простота, особенно в части обеспечения гибкости конфигурирования периферийных устройств без изменения организации основного процессора. Главной особенностью подсистемы SCSI является размещение в периферийном оборудовании интеллектуального контроллера.

Для достижения требуемого высокого уровня независимости от типов периферийных устройств в операционной системе основной машины, устройства SCSI представляются имеющими очень простую архитектуру. Например, геометрия дискового накопителя представляется в виде линейной последовательности одинаковых блоков, хотя в действительности любой диск имеет более сложную многомерную геометрию, содержащую поверхности, цилиндры, дорожки, характеристики плотности, таблицу дефектных блоков и множество других деталей. В этом случае само устройство или его контроллер несут ответственность за преобразование упрощенной SCSI модели в данные для реального устройства.

Стандарт SCSI-2 определяет в частности различные режимы: Wide SCSI, Fast SCSI и Fast-and-Wide SCSI. Стандарт SCSI-1 определяет построение периферийной шины на основе 50-жильного экранированного кабеля, описывает методы адресации и электрические характеристики сигналов. Шина данных SCSI-1 имеет разрядность 8 бит, а максимальная скорость передачи составляет 5 Мбайт/сек. Fast SCSI сохраняет 8-битовую шину данных и тем самым может использовать те же самые физические кабели, что и SCSI-1. Он отличается только тем, что допускает передачи со скоростью 10 Мбайт/сек в синхронном режиме. Wide SCSI удваивает либо учетверяет разрядность шины данных (либо 16, либо 32 бит), допуская соответственно передачи со скоростью либо 10, либо 20 Мбайт/сек. В комбинации Fast-and-Wide SCSI возможно достижение скоростей передачи 20 и 40 Мбайт/сек соответственно.

Однако поскольку в обычном 50-жильном кабеле просто не хватает жил, комитет SCSI решил расширить спецификацию вторым 66-жильным кабелем (так называемый B-кабель). B-кабель имеет дополнительные линии данных и ряд других сигнальных линий, позволяющие реализовать режим Fast-and-Wide.

В реализации режима Wide SCSI предложена также расширенная адресация, допускающая подсоединение к шине до 16 устройств (вместо стандартных восьми). Это значительно увеличивает гибкость подсистемы SCSI, правда приводит к появлению дополнительных проблем, связанных с эффективностью ее использования.

Реализация режимов Wide-SCSI и Fast-and-Wide SCSI до 1994 года редко использовалась, поскольку эффективность их применения не была достаточно высокой. Однако широкое распространение дисковых массивов и дисковых накопителей со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту делают эту технологию весьма актуальной.

8. Периферийные устройства

Как правило, периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором). В табл. 8.1. представлены основные устройства ввода/вывода, применяемые в современных компьютерах, а также указаны примерные скорости обмена данными, обеспечиваемые этими устройствами.

Таблица 8.1.

Примеры устройств ввода/вывода

Мы рассмотрим наиболее быстрые из этих устройств: магнитные и магнитооптические диски.

8.1 Магнитные и магнитооптические диски

Сначала рассмотрим основную терминологию, применяемую при описании магнитных дисков и контроллеров, а затем приведем типовые характеристики нескольких современных дисковых подсистем.

Дисковый накопитель обычно состоит из набора пластин, представляющих собой металлические диски, покрытые магнитным материалом и соединенные между собой при помощи центрального шпинделя. Для записи данных используются обе поверхности пластины. В современных дисковых накопителях используется от 4 до 9 пластин. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту). Каждая пластина содержит набор концентрических записываемых дорожек. Обычно дорожки делятся на блоки данных объемом 512 байт, иногда называемые секторами. Количество блоков, записываемых на одну дорожку зависит от физических размеров пластины и плотности записи.

Данные записываются или считываются с пластин с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность. Линейный двигатель представляет собой электро-механическое устройство, которое позиционирует головку над заданной дорожкой. Обычно головки крепятся на кронштейнах, которые приводятся в движение каретками. Цилиндр - это набор дорожек, соответствующих одному положению каретки. Накопитель на магнитных дисках (НМД) представляет собой набор пластин, магнитных головок, кареток, линейных двигателей плюс воздухонепроницаемый корпус. Дисковым устройством называется НМД с относящимися к нему электронными схемами.

Производительность диска является функцией времени обслуживания, которое включает в себя три основных компонента: время доступа, время ожидания и время передачи данных. Время доступа - это время, необходимое для позиционирования головок на соответствующую дорожку, содержащую искомые данные. Оно является функцией затрат на начальные действия по ускорению головки диска (порядка 6 мс), а также функцией числа дорожек, которые необходимо пересечь на пути к искомой дорожке. Характерные средние времена поиска - время, необходимое для перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками, лежат в диапазоне 10-20 мс. Время перехода с дорожки на дорожку меньше 10 мс и обычно составляет 2 мс.