Реферат: Шины

• 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.

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.

Шина PCI

(Peripheral Component Interconnect bus)

Итак, переходим к самому интересному. Что же находится на сегодняшний день внутри большинства наших компьютеров? Естественно, шина PCI. Другой вопрос, почему именно эта шина. Попробуем разобраться.

Итак, разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", 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 от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация. Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка шины процессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу по совершенствованию 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 время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) 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 плат различаются 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 устройства работали на этой частоте.

• Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).
• Поддержка write-back и write-through кэша.
• Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.
• Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций 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 течении которого устройство может занимать шину.

При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего 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 диапазон ввода/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-type region);
• региона, определяемого пользователем (user-defined region).

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 область системной памяти и адресного пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств производится либо BIOS (при выполнении POST - power-on self 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 Subsystem vendor/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 "узкое место" РС - обмен с видеокартами - но не тут-то было! Прогресс, как известно, не стоит на месте. Появление разных там 3D ускорителей привело к тому, что ребром встал вопрос: что делать? Либо увеличивать количество дорогой памяти непосредственно на видеокарте, либо хранить часть информации в дешевой системной памяти, но при этом каким-нибудь образом организовать к ней быстрый доступ.

Как это практически всегда бывает в компьютерной индустрии, вопрос решен не был. Казалось бы, вот вам простейшее решение: переходите на 66-мегагерцовую 64-разрядную шину PCI с огромной пропускной способностью, так нет же. Intel на базе того же стандарта PCI R2.1 разрабатывает новую шину - AGP (R1.0, затем 2.0), которая отличается от своего "родителя" в следующем:

1. шина способна передавать два блока данных за один 66 MHz цикл (AGP 2x);
2. устранена мультиплексированность линий адреса и данных (напомню, что в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям);
3. дальнейшая конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

В результате пропускная способность шины была оценена в 500 МВ/сек, и предназначалась она для того, чтобы видеокарты хранили текстуры в системной памяти, соответственно имели меньше памяти на плате, и, соответственно, дешевели.

Парадокс в том, что видеокарты все-таки предпочитают иметь БОЛЬШЕ памяти, и ПОЧТИ НИКТО не хранит текстуры в системной памяти, поскольку текстур такого объема пока (подчеркиваю - пока) практически нет. При этом в силу удешевления памяти вообще, карты особенно и не дорожают. Однако практически все считают, что будущее - за AGP, а бурное развитие мультимедиа-приложений (в особенности - игр) может скоро привести к тому, что текстуры перестанут влезать и в системную память. Поэтому имеет смысл, особо не вдаваясь в технические подробности, рассказать, как же это все работает.

Итак, начнем с начала, то есть с AGP 1.0. Шина имеет два основных режима работы: Execute и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием (тот самый execute) копируются в локальную память карты. Таким образом, AGP действует в качестве "тыловой структуры", обеспечивающей своевременную "доставку патронов" (текстур) на передний край (в локальную память). Обмен ведется большими последовательными пакетами.

В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. Таким образом, приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4К, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо предусмотреть механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса 4-х килобайтных блоков в системной памяти. Эта нелегкая задача выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти.

При этом адреса, не попадающие в диапазон GART (GART range), не изменяются и непосредственно отображаются на системную память или область памяти устройства (device specific range). На рисунке в качестве такой области показан локальный фрейм-буфер карты (Local Frame Buffer или LFB). Точный вид и функционирование GART не определены и зависят от управляющей логики карты.

Шина AGP полностью поддерживает операции шины PCI, поэтому AGP-траффик может представлять из себя смесь чередующихся AGP и PCI операций чтения/записи. Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных.

Такой подход позволяет AGP-устройству генерировать очередь запросов, не дожидаясь завершения текущей операции, что также повышает быстродействие шины.

В 1998 году спецификация шины AGP получила дальнейшее развитие - вышел Revision 2.0. В результате использования новых низковольтных электрических спецификаций появилась возможность осуществлять 4 транзакции (пересылки блока данных) за один 66-мегагерцовый такт (AGP 4x), что означает пропускную способность шины в 1GB/сек! Единственное, чего не хватает для полного счастья, так это чтобы устройство могло динамически переключаться между режимами 1х, 2х и 4х, но с другой стороны, это никому и не нужно.

Однако потребности и запросы в области обработки видеосигналов все возрастают, и Intel готовит новую спецификацию - AGP Pro (в настоящее время доступен Revision 0.9) - направленную на удовлетворение потребностей высокопроизводительных графических станций. Новый стандарт не видоизменяет шину AGP. Основное направление - увеличение энергоснабжения графических карт. С этой целью в разъем AGP Pro добавлены новые линии питания.

Предполагается, что будет существовать два типа карт AGP Pro - High Power и Low Power. Карты High Power могут потреблять от 50 до 110W. Естественно, такие карты нуждаются в хорошем охлаждении. С этой целью спецификация требует наличия двух свободных слотов PCI с component side (стороны, на которой размещены основные чипы) карты.

При этом данные слоты могут использоваться картой как дополнительные крепления, для подвода дополнительного питания и даже для обмена по шине PCI! При этом на использование этих слотов накладываются лишь незначительные ограничения.

При использовании слотов для подвода дополнительного питания:

• Не использовать для питания линии V I/O;
• Не устанавливать линию M66EN (контакт 49В) в GND (что вполне естественно, так как это переводит шину PCI в режим 33 MHz).

При использовании слота для обмена по шине:

• Подсистема PCI I/O должна разрабатываться под напряжение 3.3V c возможностью функционирования при 5 V.

Поддержка 64-разрядного или 66 MHz режимов не требуется.

Карты Low Power могут потреблять 25-50W, поэтому для обеспечения охлаждения спецификация требует наличия одного свободного слота PCI.

При этом все retail-карты AGP Pro должны иметь специальную накладку шириной соответственно в 3 или 2 слота, при этом карта приобретает вид достаточно устрашающий.

В общем, как представлю себе графическую станцию с двумя процессорами Xeon и видеокартой AGP Pro High Power... Можно здорово сэкономить на отоплении... Закрадывается крамольная мысль, что в спецификацию PC 200? будет заложено жидкостное охлаждение. Опять-таки поживем – увидим…

Шина USB

(Universal Serial Bus)

Что такое USB?

Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности -- Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom -- для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту plug'n'play, в результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимость перезагружать или выключать компьютер, а так же запускать программы установки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, таких, как мониторы или клавиатуры, выполняющие роль дополнительно подключенных компонентов, или хабов (т.е. устройство, через которое подключается еще несколько).

Страницы: 1, 2, 3