Стандарты системных и локальных шин

       ВВЕДЕНИЕ 

       Шина  – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий, вытравленных на печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель.     Компоненты компьютерной системы физически расположены на одной или нескольких печатных платах, причем их число и функции зависят от конфигурации системы, её изготовителя, а часто и от поколения микропроцессора.

       Основными характеристиками шин являются разрядность передаваемых данных и скорость передачи данных.

       Наибольший  интерес вызывают два типа шин  – системный и локальный.

       Системная шина предназначена для обеспечения  передачи данных между периферийными  устройствами и центральным процессором, а также оперативной памятью.

       Локальной шиной, как правило, называется шина, непосредственно подключенная к  контактам микропроцессора, т.е. шина процессора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. СИСТЕМНЫЕ ШИНЫ

    Основной  обязанностью системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый арбитром шины.

    Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Заметим, что системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи данных могла достигать более 4,5 Мбайта/с. 

                                                     1.1 Шина ISA

       Шина  ISA (Industry Standart Architecture) – шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. В PC моделей XT применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса – 20 бит. В моделях AT шина была расширена до 16 бит данных и 24 бита адреса, какой она остается до сих пор. Конструктивно шина выполнена в виде двух слотов. Подмножество ISA-8 использует только первый 62-контактный слот, в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот. Тактовая частота – 8 МГц. Скорость передачи данных до 16 Мбайт\с. Обладает хорошей помехоустойчивостью.

       Шина  обеспечивает своим абонентам возможность  отображения 8- или 16-битных регистров  на пространство ввода-вывода и памяти. Диапазон доступных адресов памяти ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти), но для шины ISA-16 специальными опциями BIOS Setup может быть разрешено и пространство в области между15-м и 16-м мегабайтом памяти (правда при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под устройства систнемной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса A[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине и старых 10-битных адаптеров, которые "отзовутся" на адрес с подходящими ему битами A[9:0] во всей допустимой области четыре раза.

       В распоряжении абонентов шины ISA-8 может  быть до 6 линий запросов прерываний IRQ (Interrupt Request), для ISA-16 их число достигает 11. Заметим, что при конфигурировании BIOS Setup часть из этих запросов могут отобрать устройства системной платы или шина PCI.

       Абоненты  шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти), а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управления шиной устройством Bus-Master. При этом канал DMA используется для обеспечения арбитража управления шиной, а адаптер Bus-Master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая "отдать" управление шиной процессору не более, чем через 15 микросекунд (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

       Все перечисленные ресурсы системной  шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Бесконфликтность подразумевает следующее:

• Каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA. Области адресов для чтения не должны пересекаться. "Подсматривать" не ему адресованные операции записи не возбраняется.
• Назначенную линию запроса прерывания IRQx абонент должен держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов абонент управлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и в жертву совместимости старательно тиражируется уже много лет.

       Задача  распределения ресурсов в старых адаптерах решалась с помощью  джамперов, затем появились программно-конфигурируемые  устройства, которые практически вытеснены автоматически конфигурируемыми платами PnP.

       Для шин ISA ряд фирм выпускает карты-прототипы (Protitype Card), представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи - буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальное поле платы представляет собой "слепыш", на котором разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для макетной проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

       С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности  шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме шины EISA.  

        1.2 Шина EISA

       С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других фирм, была создана 32-разрядная шина EISA, полностью совместимая с ISA.

       Шина EISA (Extended ISA) - жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA-адаптеров. Узкие дополнительные контакты расширения расположены между ламелями разъема ISA и ниже таким образом, что адаптер ISA, не имеющий дополнительных ключевых прорезей в краевом разъеме, не достает до них. Установка карт EISA в слоты ISA недопустима, поскольку ее специфические цепи попадут на контакты цепей ISA, в результате чего системная плата окажется неработоспособной.

       Расширение  шины касается не только увеличения разрядности данных и адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. В обычном (не пакетном) режиме передачи за каждую пару тактов может быть передано до 32 бит данных (один такт на фазу адреса, один - на фазу данных). Максимальную производительность шины реализует пакетный режим (Burst Mode) – скоростной режим пересылки пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета. Внутри пакета очередные данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета может достигать 1024 байт. Шина предусматривает и более производительные режимы DMA, при которых скорость обмена может достигать 33 Мбайт/с. Линии запросов прерываний допускают разделяемое использование, причем сохраняется и совместимость с ISA-картами: каждая линия запроса может программироваться на чувствительность как по перепаду, как в ISA, так и по низкому уровню. Шина допускает потребление каждой картой расширения мощности до 45 Вт, но полную мощность, как правило не потребляет ни один адаптер.

       Каждый  слот (максимум - 8) и системная плата  могут иметь селективное разрешение адресации ввода-вывода и отдельные  линии запроса и подтверждения  управления шиной. Арбитраж запросов выполняет устройство ISP (Integrated System Peripheral). Обязательной принадлежностью системной платы с шиной EISA является энергонезависимая память конфигурации NVRAM, в которой хранится информация об устройствах EISA для каждого слота. Формат записей стандартизован, для модификации конфигурационной информации применяется специальная утилита ECU (EISA Configuration Utility). Архитектура позволяет при использовании программно-конфигурируемых адаптеров автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем, но в отличие от спецификации PnP, EISA не допускает динамического реконфигурирования. Все изменения конфигурации возможны только в режиме конфигурирования, после выхода из которого необходима перезагрузка компьютера. Изолированный доступ к портам ввода-вывода каждой карты во время конфигурирования обеспечивает просто: сигнал AEN, разрешающий декодирования адреса в цикле ввода-вывода, на каждый слот приходит по отдельной линии AENx, в это время программно-управляемой. Таким образом можно по отдельности обращаться и к обычным картам ISA, но из это бесполезно, поскольку карты ISA не поддерживают обмена конфигурационной информацией, предусмотренного шиной EISA. На некоторых идеях конфигурирования EISA выросла спецификация PnP для шины ISA (формат конфигурационных записей ESCD во многом напоминает NVRAM EISA).

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

       1.3 Шина MCA

       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. 

                                                2. ЛОКАЛЬНЫЕ ШИНЫ

    Разработчики  компьютеров, системные платы которых  основывались на микропроцессорах 180386/486, стали использовать раздельные шины для памяти и устройств ввода-вывода, что позволило максимально задействовать возможности оперативной памяти, так как именно в данном случае память может работать с наивысшей для нее скоростью. Тем не менее, при таком подходе вся система не может обеспечить достаточной производительности, так как устройства, подключенные через разъемы расширения, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с процессором. В основном это касается работы с контроллерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения возникшей проблемы стали использовать так называемые локальные (local) шины, которые непосредственно связывают процессор с контроллерами периферийных устройств.

    Первые  IBM PC-совместимые компьютеры с локальными шинами не были, естественно, стандартизованы. Одним из ведущих изготовителей персональных компьютеров, впервые реализовавшим видеоподсистему с локальной шиной, была компания NEC Technologies. Еще в 1991 году эта фирма представила свою оригинальную разработку Image Video.