Системные шины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Кафедра «Информационные технологии»

Курсовая работа по информатике

Название: Разработка обучающего модуля по информатике по теме: «Системные шины»

Омск-2011

Введение

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. 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/ввывода 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.

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

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

Очевидное решение состоит в том, чтобы часть операций по обмену данными осуществлялась не через разъемы шины ввода-вывода, а через дополнительные быстродействующие разъемы. Наилучший подход к решению этой проблемы - расположить дополнительные разъемы ввода-вывода на самой быстродействующей шине, т.е. на шине процессора (это напоминает подключение внешней кэш-памяти). Принцип работы локальной шины

Такая конструкция получила название локальной шины (LocalBus), поскольку внешние устройства (платы адаптеров) теперь имеют доступ к шине процессора (ближайшей к нему шине). Конечно, разъемы локальной шины должны отличаться от слотов шины ввода-вывода, чтобы в них нельзя было вставить платы “медленных” адаптеров.

Интересно, что первые 8- и 16-разрядные шины ISA имели архитектуру локальных шин. В этих системах в качестве основной использовалась шина процессора и все устройства работали со скоростью процессора. Когда тактовая частота в системах ISA превысила 8 МГц, основная шина компьютера отделилась от шины процессора, которая уже не могла выполнять эти функции. Появившийся в 1992 году расширенный вариант шины ISA, который назывался VESA LocalBus (или VL-Bus), ознаменовал возврат к архитектуре локальных шин. В современном настольном компьютере обычно имеются разъемы PCI и AGP.

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

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

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

Системная шина - это «паутина», соединяющая между собой все устройства и отвечающая за передачу информации между ними. Расположена она на материнской плате и внешне не видна. Системная шина - это набор проводников (металлизированных дорожек на материнской плате), по которым передается информация в виде электрических сигналов.

Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т.е. повысится скорость компьютера.

Шина ISA

Шина ISA (Industry Standart Architecture) - шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. В PC моделей XT применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса - 20 бит. В моделях AT шина была расширена до 16 бит данных и 24 бита адреса, какой она остается до сих пор. Конструктивно шина выполнена в виде двух слотов. Подмножество ISA-8 использует только первый 62-контактный слот, в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот. Тактовая частота - 8 МГц. Скорость передачи данных до 16 Мбайт/с. Обладает хорошей помехоустойчивостью.

Шина обеспечивает своим абонентам возможность отображения 8- или 16-битных регистров на пространство ввода-вывода и памяти. Диапазон доступных адресов памяти ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти), но для шины ISA-16 специальными опциями BIOS Setup может быть разрешено и пространство в области между15-м и 16-м мегабайтом памяти (правда при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под устройства систнемной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса A[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине и старых 10-битных адаптеров, которые "отзовутся" на адрес с подходящими ему битами A[9:0] во всей допустимой области четыре раза.

В распоряжении абонентов шины ISA-8 может быть до 6 линий запросов прерываний IRQ (InterruptRequest), для ISA-16 их число достигает 11. Заметим, что при конфигурировании BIOS Setup часть из этих запросов могут отобрать устройства системной платы или шина PCI.

Абоненты шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA (DirectMemoryAccess - прямой доступ к памяти), а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управления шиной устройством Bus-Master. При этом канал DMA используется для обеспечения арбитража управления шиной, а адаптер Bus-Master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая "отдать" управление шиной процессору не более, чем через 15 микросекунд (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

Все перечисленные ресурсы системной шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Бесконфликтность подразумевает следующее:

Каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA. Области адресов для чтения не должны пересекаться. "Подсматривать" не ему адресованные операции записи не возбраняется.

Назначенную линию запроса прерывания IRQx абонент должен держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов абонент управлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и в жертву совместимости старательно тиражируется уже много лет.

Задача распределения ресурсов в старых адаптерах решалась с помощью джамперов, затем появились программно-конфигурируемые устройства, которые практически вытеснены автоматически конфигурируемыми платами PnP.

Для шин ISA ряд фирм выпускает карты-прототипы (ProtitypeCard), представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи - буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальное поле платы представляет собой "слепыш", на котором разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для макетной проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме шины EISA.

Шина EISA

С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других фирм, была создана 32-разрядная шина EISA, полностью совместимая с ISA.

Шина EISA (Extended ISA) - жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA-адаптеров. Узкие дополнительные контакты расширения расположены между ламелями разъема ISA и ниже таким образом, что адаптер ISA, не имеющий дополнительных ключевых прорезей в краевом разъеме, не достает до них. Установка карт EISA в слоты ISA недопустима, поскольку ее специфические цепи попадут на контакты цепей ISA, в результате чего системная плата окажется неработоспособной.

Расширение шины касается не только увеличения разрядности данных и адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. В обычном (не пакетном) режиме передачи за каждую пару тактов может быть передано до 32 бит данных (один такт на фазу адреса, один - на фазу данных). Максимальную производительность шины реализует пакетный режим (BurstMode) - скоростной режим пересылки пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета. Внутри пакета очередные данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета может достигать 1024 байт. Шина предусматривает и более производительные режимы DMA, при которых скорость обмена может достигать 33 Мбайт/с. Линии запросов прерываний допускают разделяемое использование, причем сохраняется и совместимость с ISA-картами: каждая линия запроса может программироваться на чувствительность как по перепаду, как в ISA, так и по низкому уровню. Шина допускает потребление каждой картой расширения мощности до 45 Вт, но полную мощность, как правило не потребляет ни один адаптер.

Каждый слот (максимум - 8) и системная плата могут иметь селективное разрешение адресации ввода-вывода и отдельные линии запроса и подтверждения управления шиной. Арбитраж запросов выполняет устройство ISP (IntegratedSystemPeripheral). Обязательной принадлежностью системной платы с шиной EISA является энергонезависимая память конфигурации NVRAM, в которой хранится информация об устройствах EISA для каждого слота. Формат записей стандартизован, для модификации конфигурационной информации применяется специальная утилита ECU (EISA ConfigurationUtility). Архитектура позволяет при использовании программно-конфигурируемых адаптеров автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем, но в отличие от спецификации PnP, EISA не допускает динамического реконфигурирования. Все изменения конфигурации возможны только в режиме конфигурирования, после выхода из которого необходима перезагрузка компьютера. Изолированный доступ к портам ввода-вывода каждой карты во время конфигурирования обеспечивает просто: сигнал AEN, разрешающий декодирования адреса в цикле ввода-вывода, на каждый слот приходит по отдельной линии AENx, в это время программно-управляемой. Таким образом можно по отдельности обращаться и к обычным картам ISA, но из это бесполезно, поскольку карты ISA не поддерживают обмена конфигурационной информацией, предусмотренного шиной EISA. На некоторых идеях конфигурирования EISA выросла спецификация PnP для шины ISA (формат конфигурационных записей ESCD во многом напоминает NVRAM EISA).

EISA - дорогая, но оправдывающая себя архитектура, применяющаяся в многозадачных системах, на файл-серверах и везде, где требуется высокоэффективное расширение шины ввода-вывода.

Шина MCA

системный шина процессор память

Шина MCA (Micro Channel Architecture) - микроканальная архитектура - была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50 в 1987 году. Обеспечивает быстрый обмен данными между отдельными устройствами, в частности с оперативной памятью. Шина MCA абсолютно несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами. Состав управляющих сигналов, протокол и архитектура ориентированы на асинхронное функционирование шины и процессора, что снимает проблемы согласования скоростей процессора и периферийных устройств. Адаптеры MCA широко используют Bus-Mastering, все запросы идут через устройство CACP (CentralArbitrationControlPoint). Архитектура позволяет эффективно и автоматически конфигурировать все устройства программным путем (в MCA PS/2 нет ни одного переключателя).

При всей прогрессивности архитектуры (относительно ISA) шина MCA не пользуется популярностью из-за узости круга производителей MCA-устройств и полной их несовместимости с массовыми ISA-системами. Однако MCA еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обеспечение высоконадежного производительного ввода-вывода.

Локальная шина VLB

Локальная шина стандарта VLB (VESA LocalBus, VESA - Video Equipment Standart Association - Ассоциация стандартов видеооборудования) разработана в 1992 году. Главным недостатком шины VLB является невозможность её использования с процессорами, пришедшими на замену МП 80486 или существующими параллельно с ним (Alpha, PowerPC и др.).

Шины ввода-вывода ISA, MCA, EISA имеют низкую производительность, обусловленную их местом в структуре PC. Современные приложения (особенно графические) требуют существенного повышения пропускной способности, которое могут обеспечить современные процессоры. Одним из решений проблемы повышения пропускной способности было применение в качестве шины подключения периферийных устройств локальной шины процессора 80486. Шину процессора использовали как место подключения встроенной периферии системной платы (контроллер дисков, графического адаптера).

VLB - стандартизованная 32-битная локальная шина, практически представляющая собой сигналы системной шины процессора 486, выведенные на дополнительные разъемы системной платы. Шина сильно ориентирована на 486 процессор, хотя возможно ее использование и с процессорами класса 386. Для процессоров Pentium была принята спецификация 2.0, в которой разрядность шины данных увеличена до 64, но она распространения не получила. Аппаратные преобразователи шины новых процессоров в шину VLB, будучи искусственными "наростами" на шиннной архитектуре, не прижились, и VLB дальнейшего развития не получила.

Конструктивно VLB-слот аналогичен 16-битному обычному MCA-слоту, но является расширением системного слота шины ISA-16, EISA или MCA, располагаясь позади него вблизи от процессора. Из-за ограниченной нагрузочной способности шины процессора больше трех слотов VLB на системной плате не устанавливают. Максимальная тактовая частота шины - 66 МГц, хотя надежнее шина работает на частоте 33 МГц. При этом декларируется пиковая пропускная способность 132 Мбайт/с (33 МГц x 4 байта), но она достигается только внутри пакетного цикла во время передач данных. Реально в пакетном цикле передача 4 x 4 = 16 байт данных требует 5 тактов шины, так что даже в пакетном режиме пропускная способность составляет 105.6 Мбайт/с, а в обычном режиме (такт на фазу адреса и такт на фазу данных) - всего 66 Мбайт/с, хотя это и значительно больше, чем у ISA. Жесткие требования к временным характеристикам процессорной шины при большой нагрузке (в т. ч. и микросхемами внешнего кэша) могут привести к неустойчивой работе: все три VLB-слота могут использоваться только на частоте 40 МГц, при нагруженной системной плате на 50 МГц может работать только один слот. Шина в принципе допускает и применение активных (Bus-Master) адаптеров, но арбитраж запросов возлагается на сами адаптеры. Обычно шина допускает установку не более двух Bus-Master адаптеров, один из которых устанавливается в "Master"-слот.

Шину VLB обычно использовали для подключения графического адаптера и контроллера дисков. Адаптеры локальных сетей для VLB практически не встречаются. Иногда встречаются системные платы, у которых в описании указано, что они имеют встроенный графический и дисковый адаптер с шиной VLB, но самих слотов VLB нет. Это означает, что на плате установлены микросхемы указанных адаптеров, предназначенные для подключения к шине VLB. Такая неявная шина по производительности, естественно, не уступает шине с явными слотами. С точки зрения надежности и совместимости это даже лучше, поскольку проблемы совместимости карт и системных плат для шины VLB стоят особенно остро.

Сравнить 32- и 64-разрядные варианты стандартного разъема PCI (5 В) с 64-разрядным универсальным разъемом PCIВыводы 64-разрядной универсальной платы PCI (вверху) по сравнению с разъемом 64-разрядной универсальной шины PCI (внизу)

Обратите внимание, что универсальная плата PCI может устанавливаться в разъем, предназначенный для любой платы с фиксированным напряжением питания. Если напряжение, подаваемое на те или иные контакты, может быть разным, то оно обозначается +В I/O. На эти контакты подается опорное напряжение, определяющее уровни выходных логических сигналов.

Другим важным свойством платы PCI является то, что она удовлетворяет спецификации PlugandPlay компании Intel. Это означает, что PCI не имеет перемычек и переключателей и может настраиваться с помощью специальной программы настройки. Системы с PlugandPlay способны самостоятельно настраивать адаптеры, а в тех компьютерах, в которых отсутствует система PlugandPlay, но есть разъемы PCI, настройку адаптеров нужно выполнять вручную с помощью программы Setup BIOS. С конца 1995 года в большинстве компьютеров устанавливается BIOS, удовлетворяющая спецификации PlugandPlay, которая обеспечивает автоматическую настройку.

Шина PCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnectbus - взаимосвязь периферийных компонентов) - шина соединения периферийных компонентов. Была анонсирована компанией Intel в июне 1992 года на выставке PC Expo.

Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре (mezzaninebus), являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Эта шина разрабатывалась в расчете на Pentium-системы, но хорошо сочетается и с 486 процессорами, а также с не-Intel'овскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. PCI - мультиплексная 32-разрядная шина. Существует также 64-разрядная версия. Частота шины 20-33 МГц. Стандарт PCI 2.1 допускает и частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость 132/264 Mбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц, и 528 Мбайт/с при 66 МГц. Слот PCI достаточен для подключения адаптера (в отличие от VLB), на системной плате он может сосуществовать с любой из шин ввода-вывода и даже с VLB (хотя в этом и нет необходимости).

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. HostBridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-PeerBridge - одноранговый мост - используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах - дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию PlugandPlay. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины ConfigurationRead и ConfigurationWrite, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода-вывода.

В состав шины PCI введены сигналы для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG. На системной плате эти сигналы не всегда задействованы, но могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете неопределенно, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течении которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, значение для которого задается при конфигурировании устройств шины.

В каждом обмене участвуют два устройства - инициатор обмена (Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел, входящий в состав чипсета системной платы. Для согласования быстродействия устройств-участников обмена предусмотрены два сигнала готовности IRDY# и TRDY#. Для адреса и данных на шине используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированных линии C/BE[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных.

Шина имеет версии с питанием 5 В, 3.3 В. Также существует универсальная версия (с переключением линий +V I/O c 5 В на 3.3 В). Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и 50, 51. Для 5 В-слота ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3 В - 12, 13; для универсального - два ключа: 12, 13 и 50, 51. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. 32-битный слот заканчивается контактами A62/B62, 64-битный - A94/B94.

В отличие от адаптеров остальных шин, компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места адаптера с соседним ISA-слотом (Sharedslot).

Шина PCI являлась до последнего времени второй (после ISA) по популярности применения. В современных системах происходит отказ от шин ISA, и шина PCI выходит на главные позиции. Некоторые фирмы для этой шины выпускают карты-прототипы, но, конечно же, доукомплектовать их периферийным адаптером или устройством собственной разработки гораздо сложнее, чем карту ISA. Здесь сказываются и более сложные протоколы, и более высокие частоты (8 МГц у шины ISA против 33 или 66 МГц у шины PCI). Также шина PCI обладает плохой помехоустойчивостью, поэтому для построения измерительных систем и промышленных компьютеров используется все еще относительно редко.

На некоторых системных (материнских) платах имеется небольшой разъем, который называется MediaBus. Он расположен позади разъема шины PCI одного из слотов. На этот разъем выводятся сигналы обычной шины ISA, и предназначен он для того, чтобы на графическом адаптере с шиной PCI можно было разместить и недорогой чипсет звуковой карты, предназначенный для шины ISA. Этот разъем, а тем более и такие комбинированные аудио-видео карты, широкого распространения не получили.

Режимы работы системных шин PCI и ISA имеют очень большое значение. Задание неправильных значений способно привести к нестабильной работе карт расширения и конфликтам между ними. Расположениеопций - пункт CHIPSET FEATURES SETUP (AWARD BIOS 4.51PG и AMIBIOS 1.24), Advanced (AWARD BIOS 6.0), Advanced Chipset Features (AWARD BIOS 6.0PG и AMIBIOS 1.45).

* PCI 2.1 Support - поддержка спецификации 2.1 шины PCI. Для всех современных компьютеров этот режим должен быть включен (Enabled). Исключение возможно только в том случае, если в вашем компьютере установлены устаревшие карты расширения для шины PCI, не поддерживающие эту спецификацию. Но тогда откажутся работать некоторые PCI карты.

* CPU to PCI WriteBuffer - использование буфера при пересылке данных от процессора к шине PCI. Включение (Enabled) этого режима положительно сказывается на быстродействии компьютера.

* PCI Pipeline (PCI Pipelining) - включение (Enabled) этой опции сочетает накопление данных от процессора к шине PCI с их конвейерной обработкой, что, естественно, повышает быстродействие.

* PCI DynamicBursting - включение пакетного режима передачи данных по шине PCI. Для повышения быстродействия данная опция должна быть задействована (Enabled).

* PCI Master О WS Write - отключение задержки при обмене между мастер-устройствами на шине PCI и оперативной памятью. При включении (Enabled) этого режима увеличивается общее быстродействие компьютера, но в случае нестабильной работы карт расширения эту опцию придется выключить (Disabled).

* DelayedTransaction (PCI DelayTransaction) - включение этого параметра позволяет обращаться одновременно как к медленным ISA картам, так и к быстрым PCI, что существенно повышает общее быстродействие. Выключение данной опции приводит к тому, что во время доступа к картам, подключенным к шине ISA, обращение к устройствам, использующим шину PCI, становится невозможным. Естественно, при использовании в вашем компьютере ISA карт данный параметр должен быть включен (Enabled).

* PeerConcurrency - разрешает параллельную работу нескольких устройств, подключенных к шине PCI. Естественно, чтобы обеспечить максимальное быстродействие, параметр должен быть включен (Enabled). Но не все карты расширения - особенно старые - поддерживают эту возможность. Если после включения этой опции вы столкнулись с нестабильной работой компьютера, укажите значение Disabled.

* PassiveRelease - разрешает параллельную работу шин PCI и ISA. Включение (Enabled) этой опции положительно сказывается на быстродействии компьютера.

* PCI LatencyTimer - максимальное количество тактов шины PCI, в течение которых устройство, подключенное к этой шине, может удерживать шину занятой в случае, если другое устройство также нуждается в доступе к шине. Обычно допускается удержание шины в течение 32 тактов. Если будут появляться сообщения об ошибках отдельных карт расширения или будет наблюдаться их неустойчивая работа, увеличьте это значение.

* 16 Bit I/O RecoveryTime- указывает задержку в тактах после выдачи запроса на чтение или запись и самой операцией для шестнадцатиразрядных карт расширения, подключенных к шине ISA. Для начала можно попытаться установить минимальную задержку в 1 такт. В случае если при работе с такими устройствами будут происходить ошибки, увеличьте задержку (максимум 4 такта). Если к шине ISA вообще не подключено ни одной шестнадцатиразрядной карты расширения, можно указать значение NA.

Шина PCI Express

В течение 2001 года специалисты группы компаний, получившей название ArapahoeWorkGroup (изначально находившейся под управлением Intel), работали над проектом спецификации новой быстродействующей шины, имеющей кодовое название 3GIO (Third-Generation I/O - шина ввода-вывода третьего поколения). В августе 2001 года специальная группа PCI-SIG (PCI SpecialInterestGroup) приняла решение об использовании, управлении и поддержке спецификации архитектуры 3GIO в качестве шины PCI будущего поколения. Работа над черновой версией 3GIO 1.0 была завершена в апреле 2002 года, после чего была передана в группу PCI-SIG, где и получила новое название PCI Express.

Как следует из первоначального кодового названия (3GIO), новая спецификация шины разрабатывалась в целях расширения и последующей замены существующих шин ISA/AT-Bus (первое поколение) и PCI (второе поколение), используемых в персональных компьютерах. Архитектура шины каждого из предыдущих поколений разрабатывалась с учетом 10-или 15-летнего срока службы. Спецификация PCI Express, принятая и одобренная специальной группой PCI-SIG, станет, как предполагается, доминирующей архитектурой шины ПК, созданной для поддержки увеличивающейся пропускной способности компьютера в течение следующих 10-15 лет.

Как и любая другая технология, шинная имеет свои разумные границы масштабирования, при приближении к которым увеличение пропускной полосы дается все большей и большей ценою. Возросшая тактовая частота требует более дорогостоящей разводки и накладывает существенные ограничения на длину сигнальных линий. Увеличение разрядности (например, шина PCI-64) также влечет за собою множество проблем, которые в итоге банально выливаются в рост стоимости. В результате всех усовершенствований PCI (кроме специализированного варианта - AGP), мы так и не увидим на обычных, массовых ПК.

Впрочем, не стоит особо переживать по этому поводу, так как имеется новое решение - шина PCI Express, она же 3GIO (3rd GenerationInput-Output - ввод-вывод 3-го поколения). В настоящее время реализованы 2 варианта этой шины - 1.х и 2.х, отличающихся максималной скорость передачи данных. Кроме того, шина может иметь от 1 до 16 линий. И устройства с низкими требованиями к пропускной способности (например, аудио), довольствуются 1-й линией, со средними - от 2 до 8 (скажем, RADI-контроллеры), а с наибольшими - всеми 16-ю (видеокарты).

- Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.

- Шина PCI-Express. Это уже третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres - это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 Гбит/св обоих направлениях (эффективное значение составляет 2 Гбит/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Некоторые системы поддерживают разъем PCI-Express x4, который обеспечивает скорость передачи данных 10 Гбит/с в каждом направлении. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 40 Гбит/с в каждом направлении.

Архитектура быстрой последовательной шины PCI Express обратно совместима с существующими программными драйверами и средствами управления параллельной шины PCI. При использовании PCI Express данные передаются в полнодуплексном режиме (т.е. одновременно выполняется прием и передача данных) по двум парным проводам, которые называются полосой или трассой. Скорость передачи данных в одном направлении для каждой полосы достигает 250 Мбит/с, причем каждая шина может включать в себя от 1 до 2, 4, 8, 16 или 32 полос. Например, 8-полосная шина, имеющая высокую пропускную способность, позволяет одновременно передавать в каждом направлении 8 бит данных, благодаря чему скорость передачи данных может достигать 2 000 Мбит/спри использовании в общей сложности всего лишь 40 выводов (32 вывода для передачи пар дифференциальных данных и 8 выводов для управления). Увеличение скорости передачи сигналов позволяет повысить скорость передачи данных в каждом направлении до 8 000 Мбит/спри использовании тех же 40 выводов. Для сравнения можно привести шину PCI, использующую для передачи сигналов более 100 выводов, причем скорость передачи данных этой шины достигает всего 133 Мбит/с (при единовременной передаче данных только в одном направлении). Для подключения адаптеров с помощью шины PCI Express предназначен разъем уменьшенных размеров, который обычно располагается на системной плате рядом с существующими разъемами шины PCI. На рис. 4.78 сравниваются разъемы PCI Express x1-x16. Обратите внимание, что разъемы PCI Express x4 и PCI Express x8 используются преимущественно в серверах.

Шина PCI Express - это еще один пример перехода ПК от параллельного к последовательному интерфейсу. Особенностью архитектуры шин предыдущих поколений является параллельная компоновка, при которой биты данных одновременно передаются по нескольким параллельно расположенным выводам. Чем больше количество одновременно передаваемых битов, тем выше пропускная способность шины. При этом особое значение приобретает синхронизация (согласование по времени) всех параллельных сигналов, которая при использовании более быстрых и протяженных соединений становится довольно сложной.

Шина SCSI

Шина SCSI (SmallComputerSystemInterface - cистемный интерфейс малых компьютеров, произносится "скази") была стандартизована ANSI (AmericanNationalStandardsInstitute - Американский институт стандартов) еще в 1986 году. Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI (SCSI Device) - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства - targetcontroller, с помощью которого оно подключается к шине SCSI. С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена, так и целевыми устройствами, однако чаще всего в роли инициатора выступает хост-адаптер. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Широкое распространение получили периферийные устройства со встроенным контроллером SCSI (embeded SCSI controller), к которым, например, относятся накопители на жестких магнитных дисках, CD-ROM, стриммеры.

По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с. Впоследствии (1991 г.) появилась новая спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса, но такие устройства пока не распространены из-за неоправданно высокой стоимости интерфейса. Комбинации тактовой частоты и разрядности обеспечивают широкий диапазон пропускной способности, достигающей 40 Мбайт/с для реальной версии UltraWide
SCSI-2.

Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, которая включает набор базовых команд, обязательных для всех периферийных устройств, и специфических команд для периферии различных классов. Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств на шине, включая структуры передаваемой информации. Поддержка устройствами возможности исполнения цепочек команд, очередей (до 256 команд) и независимости их работы друг от друга обуславливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) позволяет обеспечить разделяемое использование периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку PlugandPlay. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса. Транспортный уровень может использовать различные протоколы с соответствующей поддержкой физических соединений:

· SIP (SCSI-3 InterlockedProtocol) - протокол обмена традиционного интерфейса, физически реализуемый параллельным интерфейсом SCSI.

FCP (FibreChannelProtocol) - протокол оптоволоконного канала с соответствующим физическим уровнем FC-PH со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с.

SBP (SerialBusProtocol) - протокол последовательной шины, реализуемый интерфейсом 1394 (FireWire).

GPP (GenericPacketizedProtocol) - обобщенный пакетный протокол, реализуемый любым пакетным интерфейсом.

SSP (SerialStorageProtocol) - последовательный протокол памяти.

Современные устройства с интерфейсом SCSI выпускаются в соответствии со стандартом SCSI-2 или SCSI-3. В отличие от стандарта SCSI-2, который явно подразумевал более высокую производительность шины и устройств, чем SCSI-1, заявка о поддержке устройством стандарта SCSI-3 непосредственно на повышение производительности не указывает. Эта заявка прямо означает лишь соответствие новому поколению документов. Однако всвязи с общей тенденцией к росту производительности устройства SCSI-3 в большинстве случаев показывают более высокую производительность, чем SCSI-2. Стандарт SCSI-3 предполагает различные варианты протокольного и физического уровня интерфейса, включающие как параллельные, так и последовательные шины.

Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач за секунду - MT/sec (MegaTransfer/sec) и разрядностью. Название SCSI Fast указывает на частоту передач 10 MT/sec, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Название SCSI Fast-20 указывает на частоту передач 20 MT/sec. Этот режим, более известный как SCSI Ultra, определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. SCSI Fast-40 указывает на частоту передач 40 MT/sec. Этот режим, определенный в SCSI-3 и называемый как Ultra2 SCSI, в настоящее время является самым быстрым для параллельной шины. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса LVD. Для будущих версий стандарта в SCSI-3 заложен режим и SCSI Fast-80, но говорить о его реализации еще преждевременно. Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит в “узкой”(Narrow) версии. "Широкий" (Wide) вариант шины, появившийся с SCSI-2, имеет разрядность 16-бит (32-битные расширения не распространены). Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI

Интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает прекрасное сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI. Здесь используется дифференциальная передача сигналов, но с низким уровне напряжения. В настоящее время традиционный дифференциальный интерфейс получил название "высоковольтный" - HighVoltageDifferential (HVD), поскольку в SCSI-3 ему появилась низковольтная альтернатива - LowVoltageDifferential (LVD). Низковольтный вариант позволяет достичь частоты передачи 40 MT/sec при длине шины до 25 м (до 8 устройств) или до 12 м (до 16 устройств). Новые устройства с интерфейсом LVD могут иметь возможность работы на шине вместе с устройствами с линейным (Singleended) интерфейсом - для этого их буферные схемы содержат автоматический определитель типа интерфейса. Однако эта совместимость относится только к LVD - традиционные устройства с HVD могут работать только с себе подобными.

Последовательный интерфейс FCAL (FibreChannelArbitratedLoop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как FibreChannel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Двухпортовые устройства могут достигать пиковой скорости обмена до 200 Мбайт/с.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства SCSI-2 и SCSI-3, которые в значительной степени сохраняют совместимость и с исходной версией, теперь называемой SCSI-1. Однако смешивать устройства SCSI-1 и SCSI-2 на одной шине не эффективно, да и не всегда возможно из-за некоторых проблем.

Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью джамперов установить следующие основные параметры:

Идентификатор устройства - SCSI ID - адрес 0-7 (для Wide-SCSI допустимы адреса 0-15), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается адрес 7 (15 для Wide SCSI).

Контроль паритета - SCSI Parity. Если хоть одно устройство на шине не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен на всех устройствах данной шины. Контроль паритета, особенно для дисковых устройств, является надежным средством защиты от искажения данных при передаче по шине.

Включение терминаторов - Termination. В современных устройствах применяются активные терминаторы, которые могут включаться одним джампером или даже программно-управляемым сигналом. Терминаторы должны быть включены только на крайних устройствах в цепочке. Современные хост-адаптеры позволяют автоматически включать свой терминатор, если они являются крайними, и отключать, если используются внутренний и внешний разъем канала. Корректность использования терминаторов имеет существенное значение - отсутствие одного из терминаторов, или, наоборот, лишний терминатор может привести к неустойчивости или потере работоспособности интерфейса.

Питание терминаторов - TerminatorPower. Питание терминаторов джампером или программно должно быть включено хотя бы на одном устройстве, когда используются активные терминаторы (а в современных устройствах они используются всегда).

Согласование скорости синхронного обмена - SCSI SynchronousNegotiation. Режим синхронного обмена, обеспечивающий высокую производительность, включается по взаимному согласованию устройств. Однако если хоть одно устройство на шине его не поддерживает, согласование необходимо запретить на хост-адаптере. При этом, если обмен будет инициирован синхронным устройством, хост-адаптер поддержит этот режим.

Старт по команде - StartonCommand, или задержанный старт - DelayedStart. При включении этой опции запуск двигателя устройства выполняется только по команде от хост-адаптера, что позволяет снизить пик нагрузки блока питания в момент включения. Хост будет запускать устройства последовательно.

Разрешение отключения - EnableDisconnection. Выбор этой опции позволяет устройствам отключаться от шины при неготовности данных во время длительных операций с носителем, что весьма эффективно используется в многозадачном режиме при нескольких периферийных устройствах на шине. Однако в случае одного устройства на шине отключение приведет только к дополнительным затратам времени на повторное соединение.

Хост-адаптер SCSI является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность подсистемы SCSI-устройств. Существует широкий спектр адаптеров, начиная от простейших, к которым можно подключать только устройства, не критичные к производительности. Такие адаптеры иногда входят в комплект поставки сканеров, и подключение к ним диска может оказаться неразрешимой задачей. Высокопроизводительные адаптеры имеют собственный специализированный процессор, большой объем буферной памяти и используют высокоэффективные режимы прямого управления шиной для доступа к памяти компьютера.

Конфигурирование SCSI хост-адаптеров c точки зрения шины SCSI не отличается от конфигурирования других устройств. Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обычно входит в расширение BIOS, установленное на плате адаптера, и приглашение к ее исполнению выводится на экран при инициализации во время POST.

Как и всякая карта расширения, хост-адаптер должен быть сконфигурирован и с точки зрения шины расширения, к которой он подключается. Адаптеры SCSI существуют для всех шин: ISA (8-16 бит), EISA, MCA, PCI, VLB, PCMCIA. Существуют адаптеры для параллельного порта. Многие новые системные платы имеют встроенный SCSI-адаптер.

Все устройства SCSI требуют специальных драйверов. Базовый драйвер дисковых устройств обычно входит в BIOS хост-адаптера. Расширения, например ASPI (Advanced SCSI ProgrammingInterface), загружаются отдельно. От организации драйверов сильно зависит производительность устройств SCSI. "Умное" ПО способно эффективно загружать работой устройства, а иногда и "срезать углы" - выполнять копирование данных между устройствами без выхода на системную шину компьютера.

Шина SCSI распространена в больших серверных системах, в системах по обработке графических данных и т.п. В настольных системах шина SCSI распространения не получила из-за своей дороговизны.

Шины блокнотных компьютеров

Организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association - международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) ввела ряд стандартов на шины расширения блокнотных компьютеров. Первый из них и назывался PCIMCIA, а впоследствии был переименован в стандарт PC Card. Шина PC Card позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стриммеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др. Не очень строгое следование производителей этому стандарту приводит к некоторым проблемам совместимости. Шина адресует до 64 Mбайт памяти, разрядность данных 16 бит, частота до 33 МГц, DMA и Bus-Mastering не поддерживаются. Теоретическая скорость передачи данных до 66 Мбайт/с. Теоретически допускается до 4080 слотов PC Card в PC. Шина ориентирована на программное конфигурирование адаптеров (переключатели на таких маленьких картах не помещаются). Большинство адаптеров выпускается с поддержкой PnP и предусматривают возможность горячего подключения-отключения - интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения PC. Для обеспечения горячего подключения контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, чем обеспечивается их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты (CardDetect) короче остальных. Все устройства имеют свою BIOS-поддержку. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.