Универсальные последовательные периферийные шины

Шины расширений

Шина расширения ISA(Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC/XT (1981 год) и для PC AT (1984 год). Она использовалась в первом компьютере IBM PC, и тогда это было неофициальное название шины IBM PC/XT, позволяющей добавлять в систему различные устройства. Часто возникает путаница относительно ее характеристик, поскольку в новых компьютерах эта шина не применяется, а фирма IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания и временных диаграмм сигналов.

q Шина PC/XT—8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространствомикропроцессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088.

q Шина PC/AT —16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может применяться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины способен делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с МП 80286, совместима и с МП с тактовой частотой больше 66 МГц (коэффициент деления увеличен); увеличено количество линий аппаратных прерываний с 4 до 15 и каналов прямого доступа к памяти (DMA) с 4 до 7. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. Конфигурация системы с шиной ISA показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Конфигурация системы с шиной ISA

ISA — основная шина на устаревших материнских платах. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На современных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1–2 слота. Конструктивно слот ISA представляет собой разъем, состоящий из двух частей — 62-контактного и примыкающего к нему (в PC AT) 36-контактного сегментов.

Шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайта, работает на частоте 8–10 МГц. Теоретическая пропускная способность шины — 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП — кэш — ОП определяется параметрами микросхем памяти; увеличено число разъемов расширений — теоретически может подключаться до 15 устройств (практически до 10). Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering — режим единоличного управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины на СП имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.

Шина MCA (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 году для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку компьютеры PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также используется не очень широко. Второй важной причиной отсутствия спроса на MCA является несовместимость плат адаптеров ISA с MCA. И не последнюю роль сыграл тот факт, что IBM потребовала от всех изготовителей, желающих приобрести права на использование этой шины, заплатить за использование ISA во всех выпущенных ранее компьютерах. Собственно говоря, это и повлекло за собой разработку альтернативы — EISA.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

q стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

q появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку 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 т. д.

Сейчас существуют три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP.

Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA — торговая марка Video Electronics Standards Association) и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных — 32 бита, для адреса — 30, реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с, теоретически достижимая — 132 Мбайт/с (в версии 2 — 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

q ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

q жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

q малое количество подключаемых устройств — к шине VLB может подключаться только 4 устройства;

q отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI(Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов) — самый распространенный и универсальный интерфейсдля подключения различных устройств. Базовая версия PCI 1.0 (IEEE 1.386 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1.386 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1.386) разработана в 1991 году фирмой Intel с целью создать шину, способную заменить все существующие, часто несовместимые шинные интерфейсы, такие как ISA, EISA, MCA, VLB. Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI — 33 МГц, разрядность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расширения до 64 битов, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте — 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus Mastering и автоконфигурирования адаптеров.

Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства.

Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами.

Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Конфигурация системы с шиной PCI

В настоящее время разработано несколько модификаций этой шины, в частности , стандарта AGP (графический вариант).

Шина AGP(Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандарта PCI v2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGP8x — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения/записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видеоадаптер. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Конфигурация системы с шиной AGP

В настоящее время семейство шин PCI (кроме PCI 1.0, PCI 2.1) имеет следующие версии:

l PCI 2.2 с рабочей частотой 133 МГц и пропускной способностью 1066 Mb/s,

l PCI X 266 (PCI DDR – Double Data Rate) с удвоенной рабочей частотой и пропускной способностью 2100 Mb/s,

l PCI X 533 (PCI QDR – Quard Data Rate) с учетверенной рабочей частотой и пропускной способностью 4300 Mb/s, -

l Compact PCI и Mini PCI для промышленных и портативных компьютеров,

l семейство последовательных интерфейсов PCI Express, которое будет рассмотрено несколько дальше.

ПРИМЕЧАНИЕ

Ожидается также версия беспроводной шины PCI.

В табл. 8.1 показаны основные характеристики некоторых шин.

Таблица 8.1. Основные характеристики шин

Периферийные шины

Периферийные шины обеспечивают связь центральных устройств машины с внешними устройствами (дисковые накопители, клавиатура, мышь, сканер и др.). Они являются внешними интерфейсами ЭВМ и отличаются большим разнообразием.

Периферийные шины IDE(Integrated Drive Electronics), ATA(AT Attachment — подключаемый к АТ), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Интерфейс ATA, широко известный и под именем Integrated Drive Electronics (IDE), предложен в 1988 году пользователям ПК IBM PC AT. Он ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайт (по причине организации адресного пространства в традиционной BIOS «головка-цилиндр-сектор»: 16 головок × 1024 цилиндра × 63 сектора × 512 байтов в секторе = 504 Кбайт = 528 482 304 байтов) и обеспечивает теоретическую скорость передачи данных 5–10 Мбайт/с.

Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA (тоже с номерами), Ultra ATA (и их несколько), и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в литературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоящее время более 90% всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE.

Кратко рассмотрим некоторые модификации.

Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE — расширенный IDE), использующий как традиционную (но расширенную) адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address — LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стандарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и НКМЛ.

ATAPI (ATAPackage Interface) — стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD-ROM, стримеры, сканерыи т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra ATA обслуживают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с; поддерживают технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology — технологию самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно.

UDMA(Ultra Direct Memory Access) — режим прямого доступа к памяти. Обычный метод обмена с жестким диском IDE — это программный ввод/вывод, PIO (Programmed Input/Output), при котором процессор, используя команды ввода/вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод/вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена.

На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.

SCSI(Small Computer System Interface) является более сложным и мощным интерфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров — например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования/декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т. п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером — часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA — прямого доступа к памяти, или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента шины). Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битовую шину; SCSI-2 и SCSI-3 — 16- или 32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI: Plug & Play добавлены средства поддержки технологии PnP — автоматическое опознание типа и функционального назначения устройств, настройка без помощи пользователя или при минимальном его участии, возможность замены устройств во время работы и т. п. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платысо встроенными контроллерами SCSI.

RS-232 — интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (COM-порту). Управление работой COM-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем COM-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 — стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1284) — стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port — стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт), ECP (Extended Capabilities Port — порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

Универсальные последовательные периферийные шины

В 2003 – 2004 годах произошли революционные изменения в интерфейсных системах ЭВМ: сначала произошел переворот в сторону последовательных интерфейсов, а в 2004 году стали активно развиваться и беспроводные интерфейсы.

Тенденция перехода на последовательные и беспроводные интерфейсы связана с усложнением функциональности интегральных микросхем (специальным кодированием и декодированием данных, устранением сложных процедур синхронизации каналов, эффективной защитой от ошибок, оптимизацией маршрутизации, поддержкой режима «горячего» подключения устройств и др.).

Последовательные интерфейсы используют вместо широченных многожильных (до 64 жил) шлейфов и кабелей используются 2 – 8-жильные. То есть они проще и удобнее параллельных и, как это ни парадоксально, могут быть и существенно более скоростными. Пропускная способность последовательных интерфейсов увеличивается ввиду уменьшения паразитных индуктивностей и емкостей проводов, а следовательно, и возможности работы на более высоких рабочих частотах. Так, рабочие частоты параллельных интерфейсов лежат в пределах десятков – нескольких сотен МГц, а последовательных – до десятка ГГц (например, последовательный интерфейс PCI Express имеет рабочую частоту 2,5 ГГц).

Первыми на последовательные интерфейсы перебрались клавиатуры, мыши, модемы, принтеры и сканеры, а с 2003 года эта тенденция наблюдается и для прочих внешних устройств, включая дисковую память (интерфейсы USB, SATA, SAS и др.). Есть попытки перевода на эти интерфейсы и системы оперативной памяти (технология Rambus).

Основные достоинства последовательных интерфейсов:

q большая гибкость и функциональность шин,

q удобство отладки и использования ввиду переноса «центра тяжести» выполнения этих технологий на микросхемы,

q высокая пропускная способность, ввиду снижения паразитных индуктивностей и емкостей в линиях связи и отсутствия сложных процедур синхронизации,

q миниатюризация и снижение стоимости монтажа, сокращение количества контактов, проводов, экранов,

q возможность горячего подключения устройств, то есть динамического конфигурирования системы и ее масштабирования,

q облегчение арбитража шин и организации прерываний,

q лучшая помехозащищенность и надежность работы.