Шины адреса и данных

Системные и локальные шины Основной обязанностью системной шины является переда­ча информации между базовым микропроцессором и осталь­ными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происхо­дит обмен специальными служебными сигналами. Таким об­разом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назна­чению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый ар­битром шины.
Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена Для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные Разъемы. Заметим, что системная шина и микропроцессор синхронизиоовались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи дан­ных могла достигать более 4,5 Мбайта/с.
Шина ISA В компьютерах PC/AT, использующих микропроцессор i80286, впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standard Architecture), полностью реализующая возможности упо­мянутого микропроцессора. Она отличалась наличием дополни­тельного 36-контактного разъема для соответствующих плат рас­ширения. За счет этого количество адресных линий было увели­чено на четыре, а данных — на восемь. Теперь можно было пере­давать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 ад­ресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA — с 4 до 7. Надо отме­тить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC/XT, могли без проблем применяться и в PC/AT 286. Системные платы с шиной ISA уже допускали воз­можность синхронизации работы самой шины и микропроцессо­ра разными тактовыми частотами, что позволяло устройствам, выполненным на платах расширения, работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10—12 МГц. Теперь сис­темная шина ISA стала работать асинхронно с процессором на частоте 8 МГц. Таким образом, максимальная скорость передачи теоретически может достигать 16 Мбайт/с.
Шина EISA С появлением новых микропроцессоров, таких, как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препят­ствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроиз­водительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить наи­больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфи­гурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC-совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). Заметим, что системные платы с шиной EISA первоначально были ориентированы на вполне конкретную область применения новой архитектуры, а именно на компьютеры, осна­щенные высокоскоростными подсистемами внешней памяти на жестких магнитных дисках с буферной кэш-памятью. Такие ком­пьютеры до сих пор используются в основном в качестве мощ­ных файл-серверов или рабочих станций. В EISA-разъем на системной плате компьютера помимо, разу­меется, специальных EISA-плат может вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкно­венной PC/AT с шиной ISA. Это обеспечивается простым, но поистине гениальным конструктивным решением. EISA-разъе­мы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) ис­пользует сигналы шины ISA, а второй (нижний) — соответствен­но EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "Зем­ля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генера­ции электромагнитных помех, а также уменьшается восприим­чивость к таким помехам. Шина EISA позволяет адресовать 4-Гбайтное адресное про­странство, доступное микропроцессорам 180386/486. Однако дос­туп к этому пространству могут иметь не только центральный процессор, но и платы управляющих устройств типа bus master — главного абонента (то есть устройства, способные управлять пе­редачей данных по шине), а также устройства, имеющие возмож­ность организовать режим DMA. Стандарт EISA поддерживает многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" уст­ройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могут обрабаты­ваться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине EISA в так называемом пакетном режиме (burst mode) может достигать 33 Мбайт/с. В обычном (стандартном) режиме она не превосхо­дит, разумеется, известных значений для ISA. На шине EISA предусматривается метод централизованного Управления, организованный через специальное устройство — системный арбитр. Таким образом поддерживается использова­ло ведущих устройств на шине, однако возможно также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу. Как и для шины ISA, в системе EISA имеется 7 каналов DMA. выполнение DMA-функций полностью совместимо с аналогич- ными операциями на ISA-шине, хотя они могут происходить и несколько быстрее. Контроллеры DMA имеют возможность под­держивать 8-, 16- и 32-разрядные режимы передачи данных. В общем случае возможно выполнение одного из четырех циклов обмена между устройством DMA и памятью системы. Это ISA-совместимые циклы, использующие для передачи данных 8 так­тов шины; циклы типа А, исполняемые за б тактов шины; циклы типа В, выполняемые за 4 такта шины, и циклы типа С (или burst DMA), в которых передача данных происходит за один такт шины. Типы циклов А, В и С поддерживаются 8-, 16- и 32-разрядными устройствами, причем возможно автоматическое изменение раз­мера (ширины) данных при передаче в не соответствующую раз­меру память. Большинство ISA-совместимых устройств, исполь­зующих DMA, могут работать почти в 2 раза быстрее, если они будут запрограммированы на применение циклов А или В, а не стандартных (и сравнительно медленных) ISA-циклов. Такая про­изводительность достигается только путем улучшения арбитража шины, а не в ущерб совместимости с ISA. Приоритеты DMA в системе могут быть либо "вращающимися" (переменными), либо жестко установленными. Линии прерывания шины ISA, по которым запросы прерывания передаются в виде перепадов уровней напряжения (фронтов сигналов), сильно подвержены импульсным помехам. Поэтому в дополнение к привычным сигналам прерываний на шине ISA, активным только по своему фронту, в системе EISA предусмот­рены также сигналы прерываний, активные по уровню. Причем для каждого прерывания выбор той или иной схемы активности может быть запрограммирован заранее. Собственно прерывания, активные по фронту, сохранены в EISA только для совместимо­сти со "старыми" адаптерами ISA, обслуживание запросов на пре­рывание которых производит схема, чувствительная к фронту сиг­нала. Понятно, что прерывания, активные по уровню, менее под­вержены шумам и помехам, нежели обычные. К тому же (теоре­тически) по одной и той же физической линии можно передавать бесконечно большое число уровней прерывания. Таким образом, одна линия прерывания может использоваться для нескольких запросов.
Для компьютеров с шиной EISA предусмотрено автоматическое конфигурирование системы. Каждый изготовитель плат расширения для компьютеров с шиной EISA поставляет вместе этими платами и специальные файлы конфигурации. Информация из этих файлов используется на этапе подготовки системы
работе, которая заключается в разделении ресурсов компьютера между отдельными платами. Для "старых" плат адаптеров пользователь должен сам подобрать правильное положение DIP-перекдючателей (рис. 25) и перемычек, однако сервисная программа на EISA-компьютерах позволяет отображать установленные положе­ния соответствующих переключателей на экране монитора и дает некоторые рекомендации по правильной их установке. Помимо этого в архитектуре EISA предусматривается выделение опреде­ленных групп адресов ввода-вывода для конкретных слотов шины — каждому разъему расширения отводится адресный диа­пазон 4 Кбайта, что также позволяет избежать конфликтов между отдельными платами EISA. Заметим, что компьютеры, использующие системные платы с шиной EISA, достаточно дорогие. К тому же шина по-прежнему тактируется частотой около 8—10 МГц, а скорость передачи уве­личивается в основном благодаря увеличению разрядности шины данных.
Локальные шины Разработчики компьютеров, системные платы которых осно­вывались на микропроцессорах 180386/486, стали использовать раздельные шины для памяти и устройств ввода-вывода, что по­зволило максимально задействовать возможности оперативной памяти, так как именно в данном случае память может работать с наивысшей для нее скоростью. Тем не менее при таком подходе вся система не может обеспечить достаточной производительно­сти, так как устройства, подключенные через разъемы расшире­ния, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с процессо­ром. В основном это касается работы с контроллерами накопите­лей и видеоадаптерами. Для решения возникшей проблемы ста­ли использовать так называемые локальные (local) шины, кото­рые непосредственно связывают процессор с контроллерами пе­риферийных устройств. Первые IBM PC-совместимые компьютеры с локальными ши­нами не были, естественно, стандартизованы. Одним из ведущих изготовителей персональных компьютеров, впервые реализовав-ишм видеоподсистему с локальной шиной, бьыа компанияNECTechnologies. Еще в 1991 году эта фирма представила свою ориги­нальную разработку Image Video. Шины VL-bus и PCI В последнее время появились две локальные шины, признан­ные промышленными: VL-bus (или VLB), предложенная ассо­циацией VESA (Video Electronics Standards Association), и PCI (Pe­ripheral Component Interconnect), разработанная фирмой Intel. Обе эти шины предназначены, вообще говоря, для одного и того же — для увеличения быстродействия компьютера, позволяя таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 33 МГц и выше. Обе шины используют разъемы типа МСА. На этом, впрочем, их сходство и заканчивается, поскольку требуемая цель достигается разными средствами. Если VL-bus является, по сути, расширением шины процессо­ра (вспомним шину IBM PC/XT), то PCI по своей организации более тяготеет к системным шинам, например к EISA, и пред­ставляет собой абсолютно новую разработку. Строго говоря, PCI относится к классу так называемых mezzanine-шин, то есть шин-"пристроек", поскольку между локальной шиной процессора и самой PCI находится специальная микросхема согласующего "моста" (bridge). Так как VL-bus продолжает шину процессора без промежуточ­ных буферов, ее схемная реализация оказывается более дешевой и простой. Первая спецификация VESA, в частности, предусмат­ривает, что к шине, которая является локальной 32-разрядной шиной системного микропроцессора, может подключаться до трех периферийных устройств. Некоторые изготовители, впрочем, убе­ждены, что добиться устойчивой работы трех устройств на высо­ких частотах вообще невозможно, и устанавливают на свои пла­ты только 2 слота. Ограничение на число устройств связано с тем, что электрическая нагрузочная способность на сигнальные линии любого процессора весьма невелика. В качестве устройств, подключаемых к VL-bus, в настоящее время выступают контроллеры накопителей, видеоадаптеры и сетевые платы. Конструктивно VL-bus выглядит как короткий соединитель типа МСА (112 контактов), установленный, напри­мер, рядом с разъемами расширения ISA или EISA. При этом 32 линии используются для передачи данных и 30 — для передачи адреса. Максимальная скорость передачи по шине VL-bus тео­ретически может составлять около 130 Мбайт/с. Стоит отме­тить, что на VL-bus не предусмотрен арбитр шины. К счастью, большинство подключаемых к ней устройств являются "пассив­ными", то есть сами не инициируют передачу данных. Тем не менее во избежание возможных конфликтов между подключен­ными к шине устройствами в спецификации выделяются "управ­ляющие" (master) и "управляемые" (slave) адаптеры. Для "управ­ляющих" устройств на системных платах обычно определены свои "мастерные" слоты. По замыслу разработчиков, подобные "управляющие" устройства могли осуществлять арбитраж на шине. После появления процессора Pentium ассоциация VESA при­ступила к работе над новым стандартом VL-bus (версия 2). Он предусматривает, в частности, использование 64-разрядной шины данных и увеличение количества разъемов расширения (предпо­ложительно три разъема на 40 МГц и два на 50 Мгц). Ожидаемая скорость передачи теоретически должна возрасти до 400 Мбайт/с. Заметим, что в настоящее время шина VL-bus представляет из себя сравнительно недорогое дополнение для компьютеров на базе 486-х процессоров с шиной ISA, причем с обеспечением обратной совместимости. Спецификация шиныPCI обладает несколькими преимущест­вами перед основной версией VL-bus. Так, использовать PCI можно вне зависимости от типа процессора. Специальный кон­троллер заботится о разделении управляющих сигналов локаль­ной шины процессора и PCI-шины и, кроме того, осуществляет арбитраж наPCI. Именно поэтому данная шина может исполь­зоваться и в иных компьютерных платформах. Следует отметить, что гибкость и быстродействие этой шины предполагают и боль­шие аппаратные затраты, чем для VL-bus. Тем не менее шина PCI стала практическим стандартом для систем на базе Pentium и не менее успешно используется в 486-х компьютерах. В соответствии со спецификацией PCI к шине могут подклю­чаться до 10 устройств. Это, однако, не означает использования такого же числа разъемов расширения — ограничение относится к общему числу компонентов, в том числе расположенных на системной плате. Поскольку каждая плата расширения PCI мо­жет разделяться между двумя периферийными устройствами, то уменьшается общее число устанавливаемых разъемов. В отличие от VL-bus шина PCI работает на фиксированной тактовой часто­те 33 МГц и предусматривает напряжение питания для контрол­леров как 5, так и 3,3 В, а также обеспечивает режим их автокон­фигурации (plug and play — "включай и работай"). Заметим, что, например, PCI-карты, рассчитанные на напряжение 5 В, могут вставляться только в соответствующие слоты, которые конструк­тивно отличаются от слотов для напряжения 3,3 В. Впрочем,
имеются и так называемые универсальные PCI-адаптеры, кото рые работают в любом из слотов. Шина PCI может использовать 124-контактный (32-разрядная) или 188-контактный разъем (64-разрядная иередача данных), при этом теоретически возможна скорость обмена составляет соответственно 132 и 264 Мбаита/с Спецификация PCI 2.1 в расчете на микропроцессор Pentium (100 МГц) определяет работу с частотой 33—66 МГц и скоростью обмена до 520 Мбайт/с. На системных платах устанавливается обычно не более трех-четырех разъемов PCI.
Отдельно хотелось бы сказать о так называемых разделяемы (shared) слотах ISA/PCI. Поскольку слоты для шины PCI распо латаются параллельно разъемам системной шины, то на систем ной плате из-за ее ограниченного размера достаточно трудно раз местить требуемое количество тех и других. Именно поэтому не которые производители и используют разделяемую, или shared конфигурацию. В этом случае один из слотов PCI располагается настолько близко к разъему системной шины, что можно исполь зовать только один из них, то есть подключить либо ISA-, либо PCI-устройство, но, разумеется, в соответствующий разъем. Вообще говоря, многие изготовители системных плат часто предусматривают в своих изделиях разнообразные комбинации системных и локальных шин от ISA плюс VL-bus для сравнитель но дешевых систем до EISA плюс PCI для систем высокого ypoв ня. Нередко встречаются сочетания ISA плюс EISA плюс VL-bus ISA плюс EISA плюс PCI и даже все четыре шины одновременно что обеспечивает определенную гибкость при вы боре адаптеров особенно с учетом высокого уровня цен к продукцию для шин EISA и PC. Тем не менее "войне" локальных шин несомненную пoбeду одержала PCI. Стандарт PCMCIA Устройства, соответствующие первой версии стандарта PCMCIA, задумывались как альтернатива относительно тяжелым и энергоемким приводам флоппи-дисков в портативных компь­ютерах. Напомним, что "загадочная" аббревиатура PCMCIA оз­начает не что иное, как Personal Computer Memory Card Interna­tional Association. Кстати, принятая этой ассоциацией специфи­кация была сразу поддержана такими фирмами, как IBM, AT&T, Intel, NCR и Toshiba. Сегодня данный стандарт поддерживают уже около 300 производителей. PCMCIA-устройства размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключаемым к системной шине. Сегодня в этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые карты, звуковые карты, винче­стеры и т.д. Особой популярностью пользуются PCMCIA-карты флэш-памяти, которые не теряют информацию при выключении питания, обладают высоким быстродействием и могут быть ис­пользованы в качестве винчестера без движущихся частей. Кстати, и для настольных компьютеров разработаны уже адап­теры для PCMCIA-устройств. Под адаптером PCMCIA понима­ется плата расширения, которая вставляется обычно в слот сис­темной шины и соединяется с разъемом PCMCIA ленточным кабелем. Сам разъем PCMCIA размещается в стандартном отсеке с форм-фактором 3,5 или 5,25 дюйма. Первая версия стандарта PCMCIA (release 1.0) была введена в августе 1990 года и поддерживала все типы памяти, исключая динамическую память DRAM. Таким образом, в спецификацию были включены: статическая память SRAM; псевдостатическая память PSRAM; постоянная (масочная) память ROM; однократ­но программируемая постоянная память PROM (или OTPROM — One-Time Programmable ROM); стираемая ультрафиолетом пере­программируемая память UV-EPROM (Ultraviolet Erasable PROM); электрически стираемая перепрограммируемая память EEPROM (Electrically Erasable PROM) и флэш-память (Hash). Работа ассо­циации PCMCIA над одноименной спецификацией проходила в тесном контакте с организацией JEIDA (Japan Electronic Industry Development Association) в Японии. Поэтому стандарт часто на­зывают PCMCIA/JEIDA. Уже в сентябре 1991 года появилась вторая версия специфика­ции (release 2.0), которая включала в себя новые особенности, такие, как поддержка устройств ввода-вывода, дополнительный сервис для модулей флэш-памяти. поддержка модулей с двойным" напряжением питания (5 и 3 В) и так называемый XIP механизм (eXecute-In-Place). Заметим, что XIP-механизм обес почивает выполнение программ непосредственно в пространстве PCMCIA-модуля памяти, экономя тем самым системную память компьютера. Надо отметить, что вместе с версией 2.0 ассоциация PCMCIA разработала новую спецификацию SSIS (Socket Services Interface Specification), которая устанавливает стандартный набор систем­ных вызовов для работы с PCMCIA-модулями. SSIS выполнена в виде BIOS, что позволяет сохранить независимость используе­мых аппаратных средств, но гарантировать при этом программ­ную совместимость. Первая версия SSIS была принята ассоциа­цией PCMCIA в августе 1991 года, а через месяц появилась уже слегка модифицированная версия SSIS — release 1.01. В послед­ней версии SSIS были улучшены некоторые ранее определенные функции и введена поддержка защищенного режима процессо­ров. Более высокий уровень программных операций (так назы­ваемый Card Services) с PCMCIA-модулями бьы предложен толь­ко в начале 1992 года. Новая версия спецификации позволяет называть PCMCIA-модули просто PC Card(s). Итак, стандарт PCMCIA для связи между PC Card и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 раз­рядов под адрес, что позволяет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти. Хотя некоторые выводные контакты предна­значены для сигналов, необходимых при работе с памятью, эти же контакты могут использоваться и для иных сигналов, рассчи­танных на работу с устройствами ввода-вывода. Разумеется, пе­ред этим происходит так называемая переконфигурация выво­дов. Например, контакт для сигнала RDY/BSY (готов/занят), не­обходимый при работе с определенными типами памяти, может использоваться для сигнала IREQ (запрос прерывания). На стороне модуля PC Card расположен соединитель-розетка (female), а на стороне компьютера — соединитель-вилка (male). Кроме того, стандарт определяет три различные длины контак­тов соединителя-вилки. Такое решение легко объяснимо. Посколь­ку подключение и отключение PC Card может происходить при работающем компьютере (так называемое горячее), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контак­ты выполнены более длинными. Понятно, что при отключении PCMCIA-модуля все происходит в обратном порядке. Вторая вер­сия спецификации PCMCIA определяет только три типа габаритньк размеров для PC Card (Type I, Type II и Type III), к ним должен быть добавлен и четвертый — Type IV. Два первых типа ограничивают размеры PC Card до 54 мм (2,12 дюйма) в ширину и 85,6 мм (3,37 дюйма) в длину. PCMCIA-модули, соответствую­щие размерам Type I, должны иметь толщину 3,3 мм, а соответ­ствующие Type II — 5,0 мм в середине и 3,3 мм по краям. Это обеспечивает "геометрическую" совместимость PC Card первого и второго типов. PC Card Туре III имеют толщину 10,5 мм и, разумеется, непригодны для использования в слотах для модулей Туре I и II (см. рис. 27). Для третьего типа модулей необходимы так называемые слоты двойной высоты. Заметим, однако, что толщина модуля Туре III по краям также равна 3,3 мм. Именно та­кие модули предназначены для размещения 1,3-дюй­мовых винчестеров.
Добавления ко второй версии стандарта PCMCIA предусмат­ривают увеличение длины модулей, соответствующих размерам Type I и II, до 5,73 дюйма. Такая конструкция особенно важна для модулей модемов (факс-модемов), на которых, как известно, должен устанавливаться разъем типа RJ-11.
Помимо габаритных размеров стандарт PCMCIA предписыва­ет размещение переключателя защиты записи, внутреннего ис­точника тока, марки изготовителя, в случае если таковые имеют­ся. Надо отметить, что "теплолюбивые" PC Cards должны нор­мально функционировать при температуре от 0 до 55 градусов по Цельсию.
Список литературы 1. www.iXBT.ru Сайт различной информации о “железе”. 2. www.gamecenter.ru Аннотации и статьи, касающиеся вопроса о шинах 3. Борзенко А. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. – М.:1997. 4. Фигурнов Э.В. IBM PC для пользователя. – М.:1996.