Реферат: Шины

Реферат: Шины

Шина ISA

(Industrial Standard Architecture)

Шина, как известно, представляет из себя, собственно, набор проводов (линий),

соединяющийразличные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена

данными. В "минимальной комплектации" шина имеет три типа линий:

  линии управления;

  линии адресации;

  линии данных.

Устройства, подключенные к шине, делятся на две основных категории - bus masters

и busslaves. Bus masters - это устройства, способные управлять работой шины, т.е

инициировать запись/чтение и т.д. Bus slaves - соответственно,

устройства,которые могут только отвечать на запросы. Правда, есть еще

"интеллектуальные слуги" (intelligent slaves), но мы их пока дляясности замнем.

Ну вот, собственно, и все, что нужно знать про шины для того, чтобы понять, о

чем пойдет речь дальше.

Компания IBM в 1981 представила новую шину для использования в компьютерах серии

PC/XT. Шинабыла крайне проста по дизайну, содержала 53 сигнальных линии и 8

линий питания и представляла собой синхронную 8-битную шину с контролем четности

идвухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании

которых устройства запрашивают прерывания, изменяя состояние

линиисоответствующего IRQ с 0 на 1 или обратно. Такая организация запросов

прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному

устройству.Кроме того, шина не поддерживала дополнительных bus masters, и

единственными устройствами, управляющими шиной, были процессор и контроллер DMA

наматеринской плате.

62-контактный слот (см. таблицу 1) включал 8 линий данных, 20 линий адреса

(А0-А19), 6 линий запроса прерываний(IRQ2-IRQ7). Таким образом, объем адресуемой

памяти составлял 1 Мбайт, и при частоте шины 4.77 МГц пропускная способность

достигала 1.2 Мбайта/сек.

Забавно, что IBM не опубликовала полного описания шины с временными диаграммами

сигналов налиниях данных и адреса, поэтому первым разработчикам плат расширения

пришлось изрядно потрудиться.

 Недостатки шины, вытекающие из простоты конструкции, очевидны. Поэтому для

использования в компьютерах IBM-AT('Advanced Technology') в 1984 году была

представлена новая версия шины, впоследствии названной ISA. Сохраняя

совместимость со старыми 8-битными платамирасширения, новая версия шины обладала

рядом существенных преимуществ, как то:

  добавление 8 линий данных позволило вести 16-битныйобмен данными;

  добавление 4 линий адреса позволило увеличить максимальный размер адресуемой

  памяти до 16 МВ;

  были добавлены 5 дополнительных trigger-edged линийIRQ;

  была реализована частичная поддержка дополнительных busmasters;

  частота шины была увеличена до 8 MHz;

  пропускная способность достигла 5.3 МВ/сек.

Реализация bus mastering не была особенно удачной, поскольку, например, запрос

на освобождениешины ('Bus hang-off') к текущему bus master обрабатывался

несколько тактов, к тому же каждый master должен был периодически освобождать

шину, чтобы датьвозможность провести обновление памяти (memory refresh), или сам

проводить обновление. Для обеспечения обратной совместимости с 8-битными платами

большинстиво новыхвозможностей было реализовано путем добавления новых линий

(см. таблицу 2). Так как АТ был построен на основе процессора Intel 80286,

который был существеннобыстрее, чем 8088, пришлось добавить генератор состояний

ожидания (wait-state generator). Для обхода этого генератора используется

свободная линия (контактВ8 NOWS-'No Wait State') исходной 8-битной шины. При

установке этой линии в 0 такты ожидания пропускаются. Использование в качестве

NOWS линии исходной шиныпозволяло разработчикам делать как 16-битные, так и

8-битные "быстрые" платы.

      КонтактНазвание сигнала КонтактНазвание сигнала

      B1Ground A1I/O Channel Check

      B2Reset Driver A2Data7

      B3+5V A3Data6

      B4IRQ2 A4Data5

      B5-5V A5Data4

      B6DMA Request 2 A6Data3

      B7-12V A7Data2

      B8J8/NOWS[1] A8Data1

      B9+12V A9Data0

      B10Ground A10I/O Channel Ready

      B11Memory Write A11Address Enable

      B12Memory Read A12Address19

      B13I/O Write A13Address18

      B14I/O Read A14Address17

      B15DMA Acknoledge3 A15Address16

      B16DMA Request3 A16Address15

      B17DMA Acknoledge1 A17Address14

      B18DMA Request1 A18Address13

      B19Refresh A19Address12

      B20Clock A20Address11

      B21IRQ7 A21Address10

      B22IRQ6 A22Address9

      B23IRQ5 A23Address8

      B24IRQ4 A24Address7

      B25IRQ3 A25Address6

      B26DMA Acknoledge2 A26Address5

      B27Terminal Count A27Address4

      B28Address Latch Enable A28Address3

      B29+5V A29Address2

      B30Oscillator A30Address1

      B31Ground A31Address0

Таблица 1. Назначение контактов разъема 8-разрядной шины ISA

Новый слот содержал 4 новых адресных линии (LA20-LA23) и копии трех младших

адресных линий(LA17-LA19). Необходимость в таком дублировании возникла из-за

того, что адресные линии ХТ были линиями с задержкой (latched lines), и эти

задержкиприводили к снижению быстродействия периферийных устройств.

Использование дублирующего набора адресных линий позволяло 16-битной карте в

начале циклаопределить, что к ней обращаются, и послать сигнал о том, что она

может осуществлять 16-битный обмен. На самом деле, это ключевой момент в

обеспеченииобратной совместимости. Если процессор пытается осуществить 16-битный

доступ к плате, он сможет это сделать только в том случае, если получит от

неесоответствующий отклик IO16. В противном случае чипсет инициирует вместо

одного 16-битного цикла два 8-битных. И все бы было хорошо, но адресных линий

беззадержки всего 7, поэтому платы, использующие диапазон адресов меньший, чем

128Кбайт, не могли определить, находится ли переданный адрес в их

диапазонеадресов, и, соответственно, послать отклик IO16. Таким образом, многие

платы, в том числе платы EMS, не могли использовать 16-битный обмен…

      КонтактНазвание сигналаКонтактНазвание сигнала

      B1Ground A1I/O Channel Check

      B2Reset Driver A2Data7

      B3+5V A3Data6

      B4IRQ2 A4Data5

      B5-5V A5Data4

      B6DMA Request 2 A6Data3

      B7-12V A7Data2

      B8No Wait States A8Data1

      B9+12V A9Data0

      B10Ground A10I/O Channel Ready

      B11Memory Write A11Address Enable

      B12Memory Read A12Address19

      B13I/O Write A13Address18

      B14I/O Read A14Address17

      B15DMA Acknoledge3 A15Address16

      B16DMA Request3 A16Address15

      B17DMA Acknoledge1 A17Address14

      B18DMA Request1 A18Address13

      B19Refresh A19Address12

      B20Clock A20Address11

      B21IRQ7 A21Address10

      B22IRQ6 A22Address9

      B23IRQ5 A23Address8

      B24IRQ4 A24Address7

      B25IRQ3 A25Address6

      B26DMA Acknoledge2 A26Address5

      B27Terminal Count A27Address4

      B28Address Latch Enable A28Address3

      B29+5V A29Address2

      B30Oscillator A30Address1

      B31Ground A31Address0

      КлючКлюч

      D1Memory Access 16 bit C1System Bus High

      D2I/O 16 bit C2Latch Address 23

      D3IRQ10 C3Latch Address 22

      D4IRQ11 C4Latch Address 21

      D5IRQ12 C5Latch Address 20

      D6IRQ15 C6Latch Address 19

      D7IRQ14 C7Latch Address 18

      D8DMA Acknoledge0 C8Latch Address 17

      D9DMA Request1 C9Memory Read

      D10DMA Acknoledge5 C10Memory Write

      D11DMA Request5 C11Data8

      D12DMA Acknoledge6 C12Data9

      D13DMA Request6 C13Data10

      D14DMA Acknoledge7 C14Data11

      D15DMA Request7 C15Data12

      D16+5V C16Data13

      D17Master 16 bit C17Data14

      D18Ground C18Data15

Таблица 2. Назначение контактов разъема 16-разрядной шины ISA.

Несмотря на отсутствие официального стандарта и технических "изюминок" шина ISA

превосходила потребности среднегопользователя образца 1984 года, а "засилье" IBM

AT на рынке массовых компьютеров привело к тому, что производители плат

расширения и клонов ATприняли ISA за стандарт. Такая популярность шины привела к

тому, что слоты ISA до сих пор присутствуют на всех системных платах, и платы

ISA до сихпроизводятся. 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 попыткуIBM

поставить рынок под свой контроль. В сентябре 1988 года Compaq, поддержанный

"бандой девяти" - Wyse, AST Research, Tandy, собственноCompaq, Hewlett-Packard,

Zenith, Olivetti, NEC и Epson - представил 32-разрядное расширение шины ISA с

полной обратной совместимостью. Основныехарактеристики новой шины были

следующими:

  32-разрядная передача данных;

  максимальная пропускная способность - 33 МВ/сек;

  32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до 4GB (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 использоватьодно прерывание, как и в случае

  многоуровневого (level-triggered) прерывания);

  автонастройка плат расширения;

Как и в случае 16-разрядного расширения, новые возможности обеспечивались путем

добавленияновых линий. Поскольку дальше удлинять разъем ISA было некуда,

разработчики нашли оригинальное решение: новые контакты были размещены между

контактами шиныISA 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 кновым 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

контактовразъема не имеет смысла. Стоит отметить лишь две новых сигнальных линии

- EX32 и EX16, которые определяли, что bus slave поддерживает соответственно 32-

и16-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

клюбому устройству памяти или периферийному устройству, даже если они имели

разные разряды шины. Говоря о полной обратной совместимости с ISA,

следуетотметить, что ISA-карты, естественно, не поддерживали разделение

прерываний, даже будучи вставленными в EISA-коннектор. Что касается поддержки

multiply busmaster, 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 запорядком". Кроме этого, наличествовало еще одно

устройство - Intel's Bus Master Interface Chip (BMIC), которое следило за тем,

чтобы master "незасиживался" 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 ушлив прошлое), сколько война за

контроль IBM над рынком персональных компьютеров. И эту войну корпорация с

треском проиграла. Да, архитектура MCA по заложеннымтехническим 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.

      MCAEISA

      Пропускная способность, МВ/сек 2033

      Способ передачи данных асинхронныйСинхронный

      Размер карты (длина х ширина), мм 292.1 х 88.2333.5 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 EISAмог 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".

Встремлении освободить рынок для новых процессоров 80386 и 80486, Intel выпускал

EISA-чипсеты, не поддерживающие 286 процессор (не правда ли, знакомаяситуация),

в то время, как шина MCA прекрасно работала и на компьютерах с 286. Таким

образом, перспективная разработка IBM так и осталась перспективнойразработкой,

но и шина EISA не стала хитом: к тому времени, когда потребности компьютеров

среднего уровня переросли возможности шины ISA, разработчикиперешли, 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 приэтом существовала только одна шина, по которой эти биты можно было

передавать. Конечно, эта шина была "двух размеров" - разрядностью 8 и 16 бит -

ноэто 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

обладалаобратной 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 10MHz (в 4 раза больше,чем у

  ISA!) при максимально возможной пропускной способности шины 160 МВ/сек !!!

  (больше, чем у PCI) (правда, не все картыспособны 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. Такоеустройство, 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). Прираспределении функций управления шинойарбитр 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.

Припервой возможности (после обработки запросов с более высокими приоритетами)

арбитр передает ему управление шиной. Вне системы приоритетов

обслуживаютсятолько 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 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.

Страницы: 1, 2, 3