Шинная архитектура ЭВМ

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

 

 

5. Шина МСА

 

Шина MCA (MicroChannel 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 (Central Arbitration Control Point). 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.

 

 

3. Локальные шины

 

Современные вычислительные системы характеризуются:

•   стремительным  ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

•   появлением программ, требующих выполнения большого количества

интерфейсных  операций (например, программы обработки  графики в Windows, работа в среде Multimedia).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики  интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

Сейчас существуют два основных стандарта универсальных  локальных шин: VLB и PCI.

 

1. Шина VLB

 

Локальная шина стандарта VLB (VESA Local Bus, 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.

 

              

                Рис. 2. Конфигурация системы с шиной VLB               

 

 

2. Шина PCI

 

 

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – 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 (mezzanine bus), 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. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной  шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge - 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 Plug and Play. 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 Configuration Read и Configuration Write, 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 (Shared slot).

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 Media Bus. 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.

 

              

                Рис. 3. Конфигурация системы с шиной PCI               

 

 

3. Шина SCSI

 

 

Шина SCSI (Small Computer System Interface - cистемный интерфейс малых компьютеров, произносится "скази") была стандартизована ANSI (American National Standards Institute - 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 - target controller, 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 Ultra Wide 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.