Реферат: Шины
11-уровневые прерывания (11-level triggered interrupts)вместо двухуровневых
(trigger-edged) у ISA позволяли делить (share) прерывания между устройствами,
что позволило излечить одну из болезней первых PC -нехватку линий IRQ;
24 или 32 адресных линии позволяли адресовать до 4 GBпамяти;
автоматическое конфигурирование устройств существенноупростило установку новых
плат. У компьютеров с шиной MCA нет никаких перемычек или переключателей - ни
на системной плате, ни на платах расширения. Вместоиспользования адресов
портов ввода-вывода, зашитых в железо, центральный процессор назначает их при
старте системы, базируюсь на информации, считаннойиз ROM карты;
асинхронный протокол передачи данных снижал вероятностьвозникновения
конфликтов и помех между устройствами, подключенными к шине.
Не правда ли, неплохой набор для 1987 года? Возможно, все развитие персональных
компьютеровпошло бы по другому пути, если бы не одно но - деньги. Дело в том,
что IBM, посчитав свое лидирующее положение на рынке персональных
компьютеровнезыблемым, предложило независимым производителям, желающим
использовать шину МСА, совершенно кабальные условия, включающие требование
заплатить заиспользование шины ISA во всех ранее произведенных компьютерах!!!
Как Вы сами понимаете, желающих оказалось, мягко скажем, немного. Из серьезных
компанийтолько Apricot и Olivetti поддержали новую архитектуру (причем Olivetti
принимала активное участие в разработке конкурирующего стандарта -
EISA).Большинство покупателей систем PS/2 "покупали IBM", а не МСА. В результате
огромная работа - было разработано 6 типов слотов -
16-разрядные (основные слоты, которые устанавливаетсяво все компьютеры с шиной
МСА);
32-разрядные ( устанавливаются на компьютерах с шинойМСА и процессором 386DX и
выше. Так же, как и в ISA, являются только расширением основного слота, но,
поскольку разрабатывались одновременно сшиной, конструкция получилась более
логичной);
16 и 32-разрядные с дополнениями для плат памяти (устанавливаются в некоторых
компьютерах с шиной МСА, например, PS/2 моделей 70и 80, имеют 8 дополнительных
контактов для работы с платами расширения памяти, расположенных в самом начале
разъема, обращенном к задней стенке компьютера,перед основными контактами);
16 и 32-разрядные с дополнениями для видеоадаптеров(предназначены для
увеличения быстродействия видеосистемы. Обычно в компьютере с шиной МСА
установлен один такой слот. 10 дополнительных контактов такжерасположены в
начале разъема и позволяют плате видеоадаптера получить доступ к встроеннщй в
системную плату схеме VGA)
пропала фактически даром. На данный момент ссылки на архитектуру МСА практически
не встречаются даже насайте IBM (насколько мне известно, в настоящее время
архитектура МСА используется IBM только в RISC-системах, например, сервер
RS/6000 построен набазе шины МСА с пропускной способностью 160 МВ/сек), поэтому
приводить таблицы значений контактов не буду.
Локальная шина (Local bus)
Все описанные ранее шины имеют общий недостаток - сравнительно низкую пропускную
способность. Это связано с тем, что шиныразрабатывались в расчете на медленные
процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики
шин улучшались в основном"экстенсивно", за счет добавления новых линий.
Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных
плат, которые немогли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в
меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла
заметной роли нарынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных
компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости
обмена сустройствами:
создание нового поколения процессоров типа Intel 80486,работающих на частотах
до 66 MHz;
увеличение емкости жестких дисков и создание болеебыстрых контроллеров;
разработка и активное продвижение на рынок графическихинтерфейсов пользователя
(типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров,
поддерживающих более высокое разрешение и большееколичество цветов (VGA и
SVGA).
Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять
частьопераций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину
ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключаетсявнешний
кэш. Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus). Рисунки 1 и
2наглядно демонстрируют различие между обычной архитектурой иархитектурой с
локальной шиной.
Локальная шина не заменяла собой прежниестандарты, а дополняла их. Основными
шинами в компьютере по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись
один или несколько слотов локальной шины.Первоначально эти слоты использовались
почти исключительно для установки видеоадаптеров, при этом к 1992 году было
разработано несколько несовместимыхмежду собой вариантов локальных шин,
исключи-тельные права на которые принадлежа-ли фирмам-изготови-телям.
Естественно, такая неразбериха сдерживалараспро-странение локальных шин, поэтому
VESA (Video Electronic Standard Association) - ассоциация, представ-ляющая более
100 компаний – предло-жила вавгусте 1992 года свою спецификацию локальной шины.
Локальная шина VESA (VL-bus)
Основные характеристики VL-bus таковы.
Поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разработана для использования
в однопроцессорных системах, при этом вспецификации предусмотрена возможность
поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridge chip).
Максимально число bus master - 3 (не включая контроллершины). При
необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего
числа masterов.
Несмотря на то, что изначально шина была разработанадля поддержки
видеоконтроллеров, возможна поддержка и других устройств (например,
контроллеров жесткого диска).
Стандарт допускает работу шины на частоте до 66 MHz,однако электрические
характеристики разъема VL-bus ограничивают ее до 50 MHz (это ограничение,
естественно, не относится к интегрированным в материнскуюплату устройствам).
Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шинаданных поддерживает и
16-разрядный обмен. В спецификацию заложена возможность 64-разрядного обмена.
Поддержка DMA обеспечивается только для bus masters.Шина не поддерживает
специальных "инициаторов" DMA.
Максимальная теоретическая пропускная способность шины- 160 МВ/сек (при
частоте шины 50 MHz), стандартная - 107 МВ/сек при частоте 33 MHz.
Поддерживается пакетный режим обмена (для материнскихплат 80486,
поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификациитипа и
скорости процессора, сигнал Burst Last (BLAST#) используется дляактивизации
этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается
в 0.
Шина использует 58-контактный разъем МСА. Максимальноподдерживается 3 слота
(на некоторых 50-мегагерцовых шинах возможна установка только 1 слота).
Слот VL-bus устанавливается в линию за слотами ISA/EISA/MCA,поэтому VL-платам
доступны все линии этих шин.
Поддерживается как интегрированный кэш процессора, таки кэш на материнской
плате.
Напряжение питания - 5 В. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3 В
поддерживаются при условии, что они могут работать суровнем входного сигнала 5
В.
Шина VL-bus явилась огромным шагом вперед по сравнению с ISA как
попроизводительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то,
что она позволяла создавать карты, работающие с существующими чипсетами и
несодержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В
результате VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт. Однако и эта
шинане была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие.
Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязанак шине процессора
80486, которая отличается от шин Pentium и Pentium Pro/Pentium II.
Ограниченное быстродействие. Как уже было сказано,реальная частота VL-bus - не
больше 50 MHz. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина
использует основную частоту (так, для486DX2-66 частота шины будет 33 MHz).
Схемотехнические ограничения. К качеству сигналов,передаваемых по шине
процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно
только при определенных параметрах нагрузки каждой линиишины. По мнению Intel,
установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не
только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и кповреждению системы.
Ограничение количества плат. Это ограничение вытекаеттакже из необходимости
соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.
Несмотря на существующие недостатки, VL-bus была несомненным лидером на рынке,
так как позволяла устранить узкое место сразу вдвух подсистемах -
видеоподсистеме и подсистеме обмена с жестким диском. Однако лидерство было
недолгим, поскольку корпорация Intel разработала свою новинку -шину PCI. По
мнению компании, VL-bus базировалась на технологиях 11-летней давности и
являлась всего лишь "заплаткой", компромиссом междупроизводителями. Правда, VESA
заявляла, что обе шины могут "уживаться" совместно в одной системе. Intel
соглашалась, что такоесоседство возможно, но задавала встречный убийственный
вопрос: "А зачем?". Справедливости ради, надо сказать, что PCI действительно
былаизбавлена от большинства недостатков, присущих VL-bus.
Шина PCI
(Peripheral Component Interconnect bus)
Итак, переходим к самому интересному. Что же находится на сегодняшний день
внутрибольшинства наших компьютеров? Естественно, шина PCI. Другой вопрос,
почему именно эта шина. Попробуем разобраться.
Итак, разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект
корпорацииIntel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель
разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью
реализоватьвозможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже
половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "снуля", а
не была попыткой установки новых "заплат" на существующие решения. В результате
шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0).Разработчики Intel отказались от
использования шины процессора и ввели еще одну "антресольную" (mezzanine) шину.
Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в
отличие отVLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не
обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем
илисистемной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация.
Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка
шиныпроцессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен
открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу
посовершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1), и в этом, пожалуй,
вторая половина ответа на вопрос "почему PCI?"
Основные возможности шины следующие.
Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными (правда, насколько мне
известно, 64-разрядная шина в настоящее времяиспользуется только в
Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в принципе, за
ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (истоимости)
используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и
тем же линиям.
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V платразличаются расположением
ключей
Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1)позволяет обеспечить широкий
диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):
132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.
При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные
устройстваработали на этой частоте.
Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких
дисков могут одновременно работатьна шине).
Поддержка write-back и write-through кэша.
Автоматическое конфигурирование карт расширения привключении питания.
Спецификация шины позволяет комбинировать до восьмифункций на одной карте
(например, видео + звук и т.д.).
Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения,однако возможно
использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.
PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения
максимального промежутка времени, в течениикоторого устройство может занимать
шину.
При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические
решения, позволяющиеповысить пропускную способность.
Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод
линейных пакетов). Этотметод предполагает, что пакет информации считывается (или
записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается
дляследующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость
передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.
Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие "Землю"
-архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture. Спецификация
шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и
диапазонввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space
- "конфигурационное пространство".
Конфигурационное пространство состоит из трех регионов:
заголовка, независимого от устройства (device-independent header region);
региона, определяемого типом устройства (header-typeregion);
региона, определяемого пользователем (user-definedregion).
В заголовке содержится информация о производителе и типе устройства - поле Class
Code(сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т.д.) и прочая служебная
информация.
Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода/вывода, которые
позволяют динамически выделять устройству областьсистемной памяти и адресного
пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств
производится либо BIOS (при выполнении POST - power-onself test), либо
программно. Базовый регистр expansion ROM аналогично позволяет отображать ROM
устройства в системную память. Поле CIS (Card Information Structure) pointer
используется картами cardbus (PCMCIA R3.0). С Subsystemvendor/Subsystem ID все
понятно, а последние 4 байта региона используются для определения прерывания и
времени запроса/владения.
Рисунок 4. Конфигурационное пространство.
Accelerated Graphic Port
Все хорошее когда-нибудь кончается. Обидно - но истинно. Сколько писали про то,
что шина PCI наконец-то устранила "узкоеместо" РС - обмен с видеокартами - но не
тут-то было! Прогресс, как известно, не стоит на месте. Появление разных там 3D
ускорителей привело ктому, что ребром встал вопрос: что делать? Либо увеличивать
количество дорогой памяти непосредственно на видеокарте, либо хранить часть
информации в дешевойсистемной памяти, но при этом каким-нибудь образом
