25

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

” Гомельский Государственный университет

имени Франциска Скорины”

Кафедра вычислительной математики и информатики

Системные шины

Выполнила: студентка группы М-52

Комендантова Е. В.

Принял: Орлов В.В.

Гомель 2006

Шина ПК - это канал (магистраль), который связывает между собой процессор - ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных устройств ввода-вывода. При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях совместимых компьютеров. Основной функцией системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине так же осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами.

Системную шину условно можно разделить на шину данных, адресную и шину управления. Если важнейшей характеристикой двух первых шин является разрядность, то применительно к третьей говорят о количестве линий аппаратных прерываний IRQ и линий требования внешними устройствами прямого доступа к памяти DMA.

Передачей информации по системной шине управляет одно из подключённых устройств или специально выделенный для этого узел, называемый арбитром шины.

Архитектура системной шины той или иной модели системной платы зависит от производителя и определяется типом платформы ПК (типом центрального процессора), применяемым набором микросхем chipset и количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к данной системной плате. Устройства, подключенные к шине, делятся на две основных категории - bus masters и bus slaves. Bus masters - это устройства, способные управлять работой шины, т.е инициировать запись/чтение и т.д. Bus slaves - соответственно, устройства, которые могут только отвечать на запросы. Важнейшие характеристики шин: частоты (как правило измеряется в мегагерцах), разрядность (в битах), скорость (в мегабайтах в секунду или в мегабитах в секунду).

Часто используется в качестве критерия сравнения возможностей шин различной архитектуры максимальная пропускная способность шины. Её можно рассчитать, умножив её рабочую частоту на количество байт, передающихся в одном такте (ширину полосы пропускания). Таким образом теоретически скорость обмена по шине ISA может достигать 16 Мбайт/с , по шине EISA - 33 Мбайт/с , а по шине PCI - 533 Мбайт/с .

Например, системная шина процессора Pentium имеет частоту 66,67 Мгц и ширину полосы пропускания 8 байт. Поэтому максимальная пропускная способность шины Pentium, т.е. PCI составляет 66,67х8 или 533 Мбайт/с . Если процессор имеет тактовую частоту выше частоты системной шины и/или способен исполнять несколько инструкций в одном такте, он может полностью использовать пропускную способность шины. Это приводит к задержкам, существенно снижающим производительность операций. Увеличение пропускной способности требует увеличения либо тактовой частоты, либо ширины полосы пропускания шины.

Наиболее распространены три основных стандарта системной шины IBM-совместимых: ISA, EISA, MCA.

Шина ISA (Industrial Standard Architecture)

Компания IBM в 1981 представила новую шину для использования в компьютерах серии PC/XT. Шина была крайне проста по дизайну, содержала 53 сигнальных линии и 8 линий питания и представляла собой синхронную 8-битную шину с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания, изменяя состояние линии соответствующего IRQ с 0 на 1 или обратно. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Кроме того, шина не поддерживала дополнительных bus masters, и единственными устройствами, управляющими шиной, были процессор и контроллер DMA на материнской плате.

62-контактный слот (см. таблицу 1) включал

- 8 линий данных,

- 20 линий адреса (А0-А19),

- 6 линий запроса прерываний (IRQ2-IRQ7).

Таким образом, объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт, и при частоте шины 4.77 МГц пропускная способность достигала 1.2 Мбайта/сек.

Недостатки шины, вытекающие из простоты конструкции, очевидны. Поэтому для использования в компьютерах IBM-AT ('Advanced Technology') в 1984 году была представлена новая версия шины, впоследствии названной ISA. Сохраняя совместимость со старыми 8-битными платами расширения, новая версия шины обладала рядом существенных преимуществ, как то:

добавление 8 линий данных позволило вести 16-битный обмен данными;

добавление 4 линий адреса позволило увеличить максимальный размер адресуемой памяти до 16 Мb;

были добавлены 5 дополнительных trigger-edged линий IRQ;

была реализована частичная поддержка дополнительных bus masters;

частота шины была увеличена до 8 MHz;

пропускная способность достигла 5.3 МВ/сек.

Реализация bus mastering не была особенно удачной, поскольку, например, запрос на освобождение шины ('Bus hang-off') к текущему bus master обрабатывался несколько тактов, к тому же каждый master должен был периодически освобождать шину, чтобы дать возможность провести обновление памяти (memory refresh), или сам проводить обновление. Для обеспечения обратной совместимости с 8-битными платами большинстиво новых возможностей было реализовано путем добавления новых линий. Так как АТ был построен на основе процессора Intel 80286, который был существенно быстрее, чем 8088, пришлось добавить генератор состояний ожидания (wait-state generator). Для обхода этого генератора используется свободная линия (контакт В8 NOWS-'No Wait State') исходной 8-битной шины. При установке этой линии в 0 такты ожидания пропускаются. Использование в качестве NOWS линии исходной шины позволяло разработчикам делать как 16-битные, так и 8-битные "быстрые" платы.

Новый слот содержал 4 новых адресных линии (LA20-LA23) и копии трех младших адресных линий (LA17-LA19). Необходимость в таком дублировании возникла из-за того, что адресные линии ХТ были линиями с задержкой (latched lines), и эти задержки приводили к снижению быстродействия периферийных устройств. Использование дублирующего набора адресных линий позволяло 16-битной карте в начале цикла определить, что к ней обращаются, и послать сигнал о том, что она может осуществлять 16-битный обмен. На самом деле, это ключевой момент в обеспечении обратной совместимости. Если процессор пытается осуществить 16-битный доступ к плате, он сможет это сделать только в том случае, если получит от нее соответствующий отклик IO16. В противном случае чипсет инициирует вместо одного 16-битного цикла два 8-битных. И все бы было хорошо, но адресных линий без задержки всего 7, поэтому платы, использующие диапазон адресов меньший, чем 128Кбайт, не могли определить, находится ли переданный адрес в их диапазоне адресов, и, соответственно, послать отклик IO16. Таким образом, многие платы, в том числе платы EMS, не могли использовать 16-битный обмен.

Несмотря на отсутствие официального стандарта и технических "изюминок" шина ISA превосходила потребности среднего пользователя образца 1984 года, а "засилье" IBM AT на рынке массовых компьютеров привело к тому, что производители плат расширения и клонов AT приняли ISA за стандарт. Такая популярность шины привела к тому, что слоты ISA до сих пор присутствуют на всех системных платах, и платы ISA до сих производятся. Правда, Microsoft в спецификации PC99 предусматривает отказ от ISA, но, как говорится, до этого нужно еще дожить.

Таблица 2. Назначение контактов разъема 16-разрядной шины ISA.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture)

Шина EISA явилась "асимметричным ответом" производителей клонов РС на попытку IBM поставить рынок под свой контроль. В сентябре 1988 года Compaq, поддержанный "бандой девяти" - Wyse, AST Research, Tandy, собственно Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson - представил 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. Основные характеристики новой шины были следующими:

32-разрядная передача данных;

максимальная пропускная способность - 33 МВ/сек;

32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до 4 GB (как и в расширении ISA, новые адресные линии были без задержки);

поддержка multiply bus master;

возможность задания уровня двухуровневого (edge-triggered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в случае многоуровневого (level-triggered) прерывания);

автонастройка плат расширения;

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 EISA-картах позволяла им глубже заходить в разъем и подсоединяться к новым контактам. (Правда, утверждают, что при большом желании можно запихнуть и ISA-карту так, чтобы она замкнула EISA-контакты).Появились две новых сигнальных линии - EX32 и EX16, которые определяли, что bus slave поддерживает соответственно 32- и 16-разрядный цикл EISA. Если ни один из этих сигналов не был получен в начале цикла шины, выполнялся цикл ISA.

Важной особенностью шины являлась возможность для любого bus master обращаться к любому устройству памяти или периферийному устройству, даже если они имели разные разряды шины. Говоря о полной обратной совместимости с ISA, следует отметить, что ISA-карты, естественно, не поддерживали разделение прерываний, даже будучи вставленными в EISA-коннектор. Что касается поддержки multiply bus master, то она представляла собой улучшенную и дополненную версию таковой для ISA. Также присутствовали четыре уровня приоритета:

1. схемы обновления памяти;

2. DMA;

3. процессор;

4. адаптеры шины

и арбитр шины EISA - периферийный контроллер (ISP - Integrated System Peripheral) - "следил за порядком". Кроме этого, наличествовало еще одно устройство - Intel's Bus Master Interface Chip (BMIC), которое следило за тем, чтобы master "не засиживался" на шине. Через определенное количество тактов master "снимался" с шины и генерировалось немаскируемое прерывание.

MCA против EISA

Сразу же после выхода шины EISA началась "шинная война", причем это была не столько война между архитектурами (они обе ушли в прошлое), сколько война за контроль IBM над рынком персональных компьютеров. И эту войну корпорация с треском проиграла. Да, архитектура MCA по заложенным техническим решениям и перспективам развития выглядела предпочтительнее. Но, как ни странно, именно это оказалось вторым фактором, который ее сгубил.

Таблица 3. Сравнительная характеристика шин EISA и MCA.

Площадь поверхности карты EISA в 1.65 раза больше. А если еще учесть, что адаптер EISA мог потреблять более чем в 2 раза больше мощности, чем адаптер MCA, становится ясно, что делать периферию под EISA было и проще и дешевле.

Кроме того, в "шинной войне", как и везде, присутствует "рука Intel". В стремлении освободить рынок для новых процессоров 80386 и 80486, Intel выпускал EISA-чипсеты, не поддерживающие 286 процессор, в то время, как шина MCA прекрасно работала и на компьютерах с 286. Таким образом, перспективная разработка IBM так и осталась перспективной разработкой, но и шина EISA не стала хитом: к тому времени, когда потребности компьютеров среднего уровня переросли возможности шины ISA, разработчики перешли, минуя EISA, к локальной шине.

Шина MCA (Micro Channel Architecture)

Host-bus

Архитектуры процессоров, персональных компьютеров, материнских плат и системных шин, специализированные микросхемы поддержки и стандарты шин VLB и PCI продолжают развиваться. Уже предложены улучшенные варианты данных стандартов, обеспечивающих дальнейшее увеличение пропускной способности указанных локальных шин и, соответственно, увеличение производительности ПК. При этом развитие подсистем ПК направлено как на универсализацию некоторых элементов, так и на специализацию других. С целью увеличения производительности и функциональных возможностей ПК при снижении себестоимости происходит как объединение отдельных подсистем, так и их разделение. Это касается и архитектуры шин ПК.

Поколение процессоров Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, PentiumII имеют более высокие внешние частоты по сравнению с процессорами 486. Для наиболее распространенных вариантов процессоров 486 внешняя частота не превышает следующих значений: для процессоров 486 фирмы Intel -- 33 МГц, для процессоров 486 фирмы AMD -- 40 МГц.

Частотные параметры процессоров Pentium.

Итак, появились процессоры с повышенной внешней частотой. Это привело к необходимости пересмотра некоторых концепций архитектурного развития персональных компьютеров, в частности, структуры и топологии материнских плат, а также места и значения ранее разработанных локальных шин. Локальная шина PCI, прочно утвердившаяся в компьютерах с процессорами Pentium и Pentium Pro, в настоящее время стандартизована и функционирует, как правило, на частоте 33 МГц. Эффективная работа шины PCI обеспечивается соответствующими специализированными наборами микросхем -- chipset. Эта шина успешно используется для связи с контроллерами мониторов, жестких дисков, локальных сетей, использующих высокоскоростные протоколы, и т. д. Однако для реализации скоростных возможностей Pentium потребовалось введение в архитектуру ПК с процессором Pentium еще одной шины в дополнение к шинам PCI и ISA. Данная дополнительная шина, названная в специальной технической литературе хост-шиной(host-bus), предназначена для скоростной передачи данных (64 разряда) и сигналов управления между процессором, ОЗУ и внешней кэш-памятью (L2). Кроме того, данная шина обеспечивает связь с интегрированным на материнской плате контроллером шины PCI. Часто эту шину называют шиной процессора. Таким образом, с появлением хост-шины образовалась определенная иерархия шин в ПК: хост-шина (50/60/66 МГц), шина PCI (25/30/33 МГц), шина ISA (8 МГц). Это обеспечивает максимальную реализацию значительных потенциальных возможностей современных электронных компонентов и достижение высокой производительности компьютеров. Повышенная частота и разрядность передаваемых данных для процессора, ОЗУ, кэш-памяти (L2) и контроллера PCI позволили существенно увеличить скорость работы данных устройств и общую производительность современного ПК с процессором Pentium.

При выборе процессора для ПК целесообразно учитывать не только внутреннюю частоту процессора Pentium, но и внешнюю -- частоту шины. Данная частота влияет на пропускную способность шины и, соответственно, на общую производительность компьютера. Необходимо учитывать, что снижение производительности компьютера за счет уменьшения внешней частоты процессора и шины может быть более значительным, чем рост общей производительности за счет увеличения внутренней частоты процессора. Например, внутренняя частота для процессора Pentium-120, конечно, выше, чем у Pentium-100. Однако внешняя частота у процессора Pentium-120 (60 МГц) ниже, чему Pentium-100 (66 МГц). Соответственно, ниже частота хост-шины. А это значит, что с уменьшением частоты шины уменьшается скорость передачи данных между процессором, ОЗУ и кэш-памятью.

Dual Independent Bus

Дальнейшее повышение производительности процессоров и ПК достигнуто внедрением архитектуры шины DIB (Dual Independent Bus -- двойная независимая шина). Эта шина решает проблему ограничения пропускной способности шины между процессором и памятью. DIB увеличивает пропускную способность шины в 3 раза по сравнению с обычным решением.

Архитектура DIB состоит из двух шин: шины кэш-памяти 2-гo уровня (L2)и системной шины между процессором и основной памятью. Пропускная способность шины, связывающей процессор Pentium II и кэш L2, масштабируется в зависимости от частоты процессора. Так, шина кэш-памяти процессора версии 266 МГц работает с частотой 133 МГц, то есть в 2 раза быстрее, чем кэш L2 с фиксированной частотой 66 МГц процессора Pentium. С ростом внутренней частоты процессора увеличивается и разница.

Шина между процессором и ОЗУ еще более повышает производительность за счет поддержки одновременно выполняемых параллельных транзакций, в отличие от процессоров предыдущих поколений, в которых использовались одиночные последовательные транзакции.

EV-6

Одной из главных сенсаций Microprocessor Forum'98 стало заявление компании Advanced Micro Devices (AMD). По словам основателя и исполнительного директора компании Джерри Сандерса, новый процессор К7 будет выпушен в 1999 году в картридже, физически совместимом (то есть, имеющем такое же количество и расположение контактов) с патентованным разъемом Slot 1 компании Intel. При этом новый разъем компании AMD (рабочее название - Slot A) не будет электрически совместим со Slot 1, то есть AMD не собирается нарушать патенты Intel. В качестве системной шины К7 будет использовать шину ввода/вывода процессора Alpha 21264 (внутреннее название EV-6) компании Digital Equipment.

Техника

Что же представляет собой эта шина? Если Intel еще только подняла частоту системной шины для процессоров серии Р6 до 100 MHz, EV-6 уже сейчас работает на частоте 333 MHz, что обеспечивает ей пропускную способность 2.6 GBps. По этому показателю EV-6 более чем в три раза превосходит 100-мегагерцовые шины Socket 7 и Р6. Кроме того, хотя спецификация EV-6 не определяет специальной шины для обмена с кэшем L2, разработчики могут добавлять ее при необходимости - так, например, "верхние" модели процессора Digital 21264 имеют 128-разрядную дополнительную шину, что в два раза "шире", чем у Pentium II.

Возникает резонный вопрос: как удалось заставить EV-6 работать на такой частоте, если переход даже с 66 MHz на 100MHz сопряжен с громадными техническими сложностями. Дело в том, что EV-6, в общем-то, не является шиной в привычном понимании этого слова. На системной шине Socket 7 "висит" собственно процессор (или процессоры в многопроцессорных системах), кэш L2, системная память, шина PCI и, если она присутствует в системе, шина AGP. Архитектура Р6 отличается только тем, что с системной шины "сняли" кэш L2, выделив для него специальную 64-разрядную шину. EV-6 же представляет собой просто 64-битный канал обмена между процессором и чипсетом. Каждый процессор в многопроцессорной системе должен иметь свою шину EV-6. Обмен с системной памятью, PCI и AGP осуществляется чипсетом, причем каждая шина может работать на своей частоте.

Преимущества EV-6, в общем-то, очевидны. Поскольку главным "узким местом" современных процессоров является обмен с системной памятью, повышенная пропускная способность позволит уменьшить время простоя процессора при заполнении линии кэша. Кроме того, "излишек" пропускной способности можно, например, использовать в High-end системах, применяя 128-разрядную шину обмена с системной памятью. Недостатки этой архитектуры также лежат на поверхности: разработка чипсетов становится более сложной и дорогостоящей, особенно для многопроцессорных систем .

Политика

Intel расширяет свое присутствие в секторе персональных компьютеров начального уровня - традиционной вотчине AMD. Анонсированный Covington, представляющий собой Pentium II без кэша L2, предназначен для компьютеров стоимостью до $1000. С другой стороны, после того, как в 1996 году AMD проиграла судебный процесс, в ходе которого пыталась оспорить право собственности компании Intel на архитектуру P6, в печати начали появляться предположения, что AMD не готова к дальнейшей конкуренции с Intel и не может предложить альтернативы Slot1. Своим заявлением Джерри Сандерс, по-видимому, стремиться опровергнуть эти утверждения и "перевести борьбу на половину поля соперника" - на рынок систем верхнего уровня.

Экономика

Для того, чтобы любая, даже самая великая идея в области компьютерной техники воплотилась в жизнь, она должна завоевать рынок. Простое перечисление безвременно погибших идей и изобретений займет больше страницы. Хрестоматийный пример - архитектура MicroChannel компании IBM. Какие же перспективы у EV-6? С одной стороны, практически полная физическая идентичность разъемов Slot1 и Slot A (за исключением, возможно, другого расположения "ключей" во избежание повреждения материнских плат при неправильной установке К7 вместо Pentium II и наоборот) облегчает жизнь производителям материнских плат - достаточно заменить чипсет и сделать минимальные изменения в разводке. Компания Digital, в свою очередь, получает прекрасную возможность сделать Alpha-системы общедоступными. Поскольку для установки процессора 21164 на материнскую плату с разъемом Slot А требуется только изменение BIOS (что сводится к перезаписи Flash ROM. Кроме того, агрессивная политика Intel на рынке чипсетов и материнских плат приводит к вытеснению с него ряда компаний. В результате им ничего не остается, кроме как поддерживать альтернативные архитектуры. Поскольку компания Digital заявила, что предоставит лицензию на EV-6 всем желающим, это дает неплохой шанс новой архитектуре.

С другой стороны, уже ясно, что два других конкурента Intel - Cyrix и Centaur Technology, не будут поддерживать Slot А. Cyrix, недавно приобретенная компанией National Semiconductor, надеется изыскать лазейки в соглашении о перекрестном лицензировании между последней и Intel и клонировать Slot1. Правда, у Intel другой взгляд на это соглашение, так что дело, по-видимому, будет решаться в суде. Что касается Centaur, то компания полностью ориентируется на рынок компьютеров начального уровня и, видимо, не собирается в ближайшем будущем отказываться от Socket 7.

Следует еще раз отметить, что описанная структура уже не является последним словом в архитектуре ПК. Процесс развития продолжается, и какие еще архитектурные особенности и новые возможности и померяем.

Список использованной литературы.

1.Рудометов Е, Рудометов В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа - СПБ: издательство “Питер”, 2000г.

2. Леонтьев В. Новейшая энциклопедия ПК. - СПБ: издательство “Питер”, 2000г.

3.Степаненко О.С. “Досье пользователя: компьютер изнутри”, Логос, 1998.

4.Рош У. Л. Библия по техническому обеспечению Уинна Роша - Мн.:МХХК”Динамо”,1992.416с

5.http://ixbt.stack.net

6.http://www.skipstone.com/

7.http://developers.intel.com/technology/agp