Реферат: Шины

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.

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. Не знаю, не пробовал, т.к. большого опыта общения с EISA у меня нет: маленький был еще). Поскольку на данный момент шина EISA практически вымерла, приводить значения контактов разъема не имеет смысла. Стоит отметить лишь 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.  Сравнительная характеристика шин EISA и MCA представлена в виде табл. 3.

	MCA	EISA
Пропускная способность, МВ/сек	20	33
Способ передачи данных	асинхронный	Синхронный
Размер карты (длина х ширина), мм	292.1 х 88.2	333.5 х 127.0

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 (не правда ли, знакомая ситуация), 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)

"До 1 апреля 1987 года жизнь в мире РС была крайне простой: в байте было 8 бит, и при этом существовала только одна шина, по которой эти биты можно было передавать. Конечно, эта шина была "двух размеров" - разрядностью 8 и 16 бит - но это была одна шина. Но на следующий день - 2 апреля - все изменилось, и, кажется, простота больше никогда не вернется."

Крис Лонг (Chris Long) PC User.

В 1987 году компания IBM прекратила выпуск серии РС/АТ и начала производство линии PS/2. Одним из главных отличий нового поколения персональных компьютеров была новая системная шина - Micro Channel Architecture (MCA). Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA, но зато содержала ряд передовых для своего времени решений:

• 8/16/32-разрядная передача данных;
• 20 МВ/сек пропускная способность при частоте шины 10 MHz (в 4 раза больше,чем у ISA!) при максимально возможной пропускной способности шины 160 МВ/сек !!! (больше, чем у PCI) (правда, не все карты способны работать с такой скоростью);
• Поддержка нескольких bus master. Любое устройство, подключенное к шине, может получить право на ее исключительное использование для передачи или приема данных с другого соединенного с ней устройства. Такое устройство, по сути, представляет собой специализированный процессор, который может осуществлять обмен данными по шине независимо от основного процессора. Работу устройств координирует устройство, называемое арбитром шины (CACP - Central Arbitration Control Point). При распределении функций управления шиной арбитр исходит из уровня приоритета, которым обладает то или иное устройство или операция. Всего таких уровней четыре (в порядке убывания):

5.    регенерация системной памяти;

6.    прямой доступ к памяти (DMA);

7.    платы адаптеров.

8.    процессор.

Если устройству необходим контроль над шиной, оно сообщает об этом арбитру. При первой возможности (после обработки запросов с более высокими приоритетами) арбитр передает ему управление шиной. Вне системы приоритетов обслуживаются только немаскируемые прерывания (NMI - non-maskable interrupts), при возникновении которых управление немедленно передается процессору;

• 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 GB памяти;
• автоматическое конфигурирование устройств существенно упростило установку новых плат. У компьютеров с шиной MCA нет никаких перемычек или переключателей - ни на системной плате, ни на платах расширения. Вместо использования адресов портов ввода-вывода, зашитых в железо, центральный процессор назначает их при старте системы, базируюсь на информации, считанной из ROM карты;
• асинхронный протокол передачи данных снижал вероятность возникновения конфликтов и помех между устройствами, подключенными к шине.

Не правда ли, неплохой набор для 1987 года? Возможно, все развитие персональных компьютеров пошло бы по другому пути, если бы не одно но - деньги. Дело в том, что IBM, посчитав свое лидирующее положение на рынке персональных компьютеров незыблемым, предложило независимым производителям, желающим использовать шину МСА, совершенно кабальные условия, включающие требование заплатить за использование шины ISA во всех ранее произведенных компьютерах!!! Как Вы сами понимаете, желающих оказалось, мягко скажем, немного. Из серьезных компаний только 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 устанавливается во все компьютеры с шиной МСА);
• 32-разрядные ( устанавливаются на компьютерах с шиной МСА и процессором 386DX и выше. Так же, как и в ISA, являются только расширением основного слота, но, поскольку разрабатывались одновременно с шиной, конструкция получилась более логичной);
• 16 и 32-разрядные с дополнениями для плат памяти (устанавливаются в некоторых компьютерах с шиной МСА, например, PS/2 моделей 70 и 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 также расположены 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 на сайте IBM (насколько мне известно, в настоящее время архитектура МСА используется IBM только в RISC-системах, например, сервер RS/6000 построен на базе 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 шины разрабатывались 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 не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

• создание нового поколения процессоров типа Intel 80486, работающих на частотах до 66 MHz;
• увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров;
• разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).

Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus). Рисунки 1 и 2наглядно демонстрируют различие между обычной архитектурой и архитектурой с локальной шиной.

 Локальная шина не заменяла собой прежние стандарты, 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 несовместимых между собой вариантов локальных шин, исключи-тельные права на которые принадлежа-ли фирмам-изготови-телям. Естественно, такая неразбериха сдерживала распро-странение локальных шин, поэтому VESA (Video Electronic Standard Association) - ассоциация, представ-ляющая более 100 компаний – предло-жила в августе 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 в спецификации предусмотрена возможность поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridge chip).
• Максимально число bus master - 3 (не включая контроллер шины). При необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего числа masterов.
• Несмотря на то, что изначально шина была разработана для 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 материнскую плату устройствам).
• Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных 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 материнских плат 80486, поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификации типа и скорости процессора, сигнал Burst Last (BLAST#) используется для активизации этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается в 0.
• Шина использует 58-контактный разъем МСА. Максимально поддерживается 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, так и кэш на материнской плате.
• Напряжение питания - 5 В. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3 В поддерживаются при условии, что они могут работать с уровнем входного сигнала 5 В.

Шина VL-bus явилась огромным шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то, что она позволяла создавать карты, работающие с существующими чипсетами и не содержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В результате VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие.

• Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязана к 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, для 486DX2-66 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 линии шины. По мнению Intel, установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и к повреждению системы.
• Ограничение количества плат. Это ограничение вытекает также 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 в двух 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 между производителями. Правда, VESA заявляла, что обе шины могут "уживаться" совместно в одной системе. Intel соглашалась, что такое соседство возможно, но задавала встречный убийственный вопрос: "А зачем?". Справедливости ради, надо сказать, что PCI действительно была избавлена от большинства недостатков, присущих VL-bus.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5