Как работает системная шина

Cистемная шина материнской платы, устройство и функции системной шины

Устройство и функции системной шины.

Часто люди, интересующиеся компьютерной тематикой, встречают в интернете такой термин, как системная шина. Но что же это такое? Эта статья подробно расскажет об одном из важнейших элементов компьютерной системы.

Системная шина – это устройство которое связывает между собой различные функциональные блоки компьютера, а ее задачей является передача данных между ними. Строго говоря это магистраль, состоящая из проводниковых элементов, по которым информация передается в виде электрического сигнала. Соответственно, чем больше тактовая частота, на которой шина работает, тем быстрее осуществляется обмен данными между элементами компьютерной системы.

Системная шина состоит из адресной шины, шины управления и данных. Каждая шина используется для передачи конкретной информации: по адресной передаются адреса (ячеек памяти и устройств), шина управления служит для передачи управляющих сигналов устройствам, а данные соответственно передаются посредством шины данных.

Типы системных шин.

В современных компьютерах используются шины нескольких видов. Материнские платы с процессорами Intel, оснащаются шинами QPB типа. Они способны передавать данные 4 раза за такт, а вот платы с процессорами AMD используют шины EV6, передающие данные 2 раза за один такт. Кстати, в последних моделях своих процессоров AMD вообще отказывается от стандартной системной шины, её роль будет выполнять технология HyperTransport.

Так как шина передает данные несколько раз за такт, её эффективная частота обычно в несколько раз выше реальной, то есть шина, имеющая фактическую частоту 200 мГц и передающая данные 4 раза за один такт, будет работать с эффективной частотой в 800 мГц. Это важно понимать для оценки производительности шины и расчета возможностей её разгона.

Следует учитывать и тот факт, что системная шина имеет ограничения по разгону, потому что превышение допустимого уровня тактовой частоты может привести к неисправности и нарушениям в работе. В то же время системная шина будет нормально функционировать при показателях частоты, которые ниже указанных на упаковке, не превышающих допустимый уровень.

Пропускная способность системных шин.

Одним из важных параметров, который характеризует системную шину является пропускная способность. Она определяет максимальное количество информации, которая передается по шине данных за одну секунду (Бит/с). Для определения величины пропускной способности следует частоту шины (частота считывания данных) умножить на количество Бит, переданных за один такт. Количество данных за такт соответствует показателю разрядности процессора. На современных процессорах показатель разрядности составляет 64 Бит.

Используя формулу и известные данные получаем:

Это и будет величиной пропускной способности магистрали, соединяющей чипсет (или северный мост) с процессором. Связанные с материнской платой ОЗУ, видеоадаптер и жесткий диск между собой функционируют посредством магистралей, среди которых системная шина является самой важной.

На деле системная шина фактически соединяет процессор и чипсет. А вот чипсет напрямую соединяется с различными устройствами компьютера (ОЗУ, видеоадаптер, USB) используя вспомогательные шины (шина памяти, графического контроллера, PCI, PCI Express и LPC), частоты которых отличаются от показателей системной шины.

Итак, данная статья отвечает на вопрос: что такое системная шина, каковы ее устройство и функции, какие виды системных шин существуют, а также как вычислить значение пропускной способности.

Источник

Системная шина

Дата добавления: 2015-06-12 ; просмотров: 11313 ; Нарушение авторских прав

Системная шина— это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется непосредственно, либо, чаще через контроллер шины. Обмен информацией между ВУ и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

· Адресная шина.У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распростра­нены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комби­нация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

· Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе про­цессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

· Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, из тех областей, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укла­дываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (напри­мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Процессор (ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имею­щих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из пяти устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН), кэш-памяти и генератора тактовых частот.

•устройство управления (УУ)—формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импуль­сы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ, т.е. отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

•арифметико-логическое устройство (АЛУ)—предназначено для вы­полнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор), Промежуточные результаты сохраняются в РОН.

•местная память (МПП) — служит для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах общего назначения (РОН) и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

· Кэш- память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Она применяется для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Кэш- память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням кеш L1 (level1-первого уровня) и L2 (level2 – второго уровня). Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, имеет объем порядка десят­ков Кбайт и обычно работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо она размещена на материнской плате вблизи процессора, тогда ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

· генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая опера­ция в машине выполняется за определенное количество тактов:

Система команд процессора.В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти. Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Про­цессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Совместимость процессоров.Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процес­сором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовмести­мы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86.

Основные параметры процессоров.Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты (множитель) и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжениепроцессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенно! понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность.

Разрядность процессорапоказывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 был 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяете не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник, а в персональном компью­тере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессор­ный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в еди­ницу времени, тем выше его производительность.

По чисто физическим причинам, так как она представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводни­ков и микросхем, материнская плата не может рабо­тать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внут­реннее умножение частотына коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более, т.о. если частота системной шины 133 Мгц, а коэффициент (множитель ядра) равен 8, то рабочая тактовая частота составит 1Ггц.

Вся история IBM PC связана с процессорами фирмы Intel, которая выпускает эти микросхемы с 1970г, начиная с четырехразрядного 4004. Дадим неформальную характеристику основных параметров этих процессоров.

Источник

Шины и принципы их работы.

можно разделить на группы в соответствии с выполняемыми функциями. Они могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных в АЛУ и из АЛУ, а могут быть внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода. Каждый тип шины обладает определенными свойствами, и к каждому из них предъявляются определенные требования. В этом и следующих разделах мы сосредоточимся на шинах, которые связывают центральный процессор с памятью и устройствами ввода-вывода. В следующей главе мы подробно рассмотрим внутренние шины процессора.

Первые персональные компьютеры имели одну внешнюю шину, которая называлась системной шиной. Она состояла из нескольких медных проводов (от 50 до 100), которые встраивались в материнскую плату. На материнской плате находились разъемы на одинаковых расстояниях друг от друга для микросхем памяти и устройств ввода-вывода. Современные персональные компьютеры обычно содержат специальную шину между центральным процессором и памятью и по крайней мере еще одну шину для устройств ввода-вывода. На рис. 3.32 изображена система с одной шиной памяти и одной шиной ввода-вывода.

В литературе шины обычно изображаются в виде жирных стрелок, как показано на этом рисунке. Разница между жирной и нежирной стрелкой небольшая. Когда все биты одного типа, например адресные или информационные, рисуется обычная стрелка. Когда включаются адресные линии, линии данных и управления, используется жирная стрелка.

Хотя разработчики процессоров могут использовать любой тип шины для микросхемы, должны быть введены четкие правила о том, как работает шина, и все устройства, связанные с шиной, должны подчиняться этим правилам, чтобы платы, которые выпускаются третьими лицами, подходили к системной шине. Эти правила называются протоколом шины. Кроме того, должны существовать определенные технические требования, чтобы платы от третьих производителей подходили к каркасу для печатных плат и имели разъемы, соответствующие материнской плате механически и с точки зрения мощностей, синхронизации и т. д.

Существует ряд широко используемых в компьютерном мире шин. Приведем

несколько примеров: Omnibus (PDP-8), Unibus (PDP-11), IBM PC (PC/XT), ISA (PC/AT), EISA (80386), MicroChannel (PC/2), PCI (различные персональные компьютеры), SCSI (различные персональные компьютеры и рабочие станции), Nubus (Macintosh), Universal Serial Bus (современные персональные компьютеры), FireWire (бытовая электроника), VME (оборудование в кабинетах физики) и Сагаас (физика высоких энергий). Может быть, все стало бы намного проще, если бы все шины, кроме одной, исчезли с поверхности Земли (или кроме двух). К сожалению, стандартизация в этой области кажется маловероятной, и уже вложено слишком много средств во все эти несовместимые системы.

Двоичные сигналы, которые выдают устройства компьютера, часто недостаточно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большинство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины, по существу являющуюся двоичным усилителем.

2.2.Принципы работы шины

До этого момента мы обсуждали только обычные циклы шины, когда задающее устройство (обычно центральный процессор) считывает информацию из подчиненного устройства (обычно из памяти) или записывает в него информацию. Однако существует еще несколько типов циклов шины. Давайте рассмотрим некоторые из них.

Обычно за раз передается одно слово. При использовании кэш-памяти жела-

тельно сразу вызывать всю строку кэш-памяти (то есть 16 последовательных 32-битных слов). Часто передача блоками может быть более эффективна, чем такая последовательная передача информации. Когда начинается чтение блока, задающее устройство сообщает подчиненному устройству, сколько слов нужно передать (например, помещая общее число слов на информационные линии в период Ti).

Вместо того чтобы выдать в ответ одно слово, задающее устройство выдает одно слово в течение каждого цикла до тех пор, пока не будет передано требуемое количество слов. На рис. 3.38 изображена такая же схема, как и на рис. 3.34, только здесь появился дополнительный сигнал BLOCK, который указывает, что запрашивается передача блока. В данном примере считывание блока из 4 слов занимает 6 циклов вместо 12.

Существуют также другие типы циклов шины. Например, если речь идет о системах с двумя или несколькими центральными процессорами на одной шине, нужно быть уверенным, что в конкретный момент только один центральный процессор может использовать определенную структуру данных в памяти. Чтобы упорядочить этот процесс, в памяти должна содержаться переменная, которая принимает значение 0, когда центральный процессор использует структуру данных, и 1, когда структура данных не используется. Если центральному процессору нужно получить доступ к структуре данных, он должен считать переменную, и если она равна О,

придать ей значение 1. Проблема заключается в том, что два центральных процессора могут считать переменную на последовательных циклах шины. Если каждый процессор видит, что переменная равна 0, а затем каждый процессор меняет значение переменной на 1, как будто только он один использует эту структуру данных, то такая последовательность событий ведет к хаосу.

Чтобы предотвратить такую ситуацию, в многопроцессорных системах предусмотрен специальный цикл шины, который дает возможность любому процессору считать слово из памяти, проверить и изменить его, а затем записать обратно в память; весь этот процесс происходит без освобождения шины. Такой цикл не дает возможности другим центральным процессорам использовать шину и, следовательно, мешать работе первого процессора.

центральный процессор командует устройству ввода-вывода произвести какое-то действие, он ожидает прерывания после завершения работы. Для сигнала прерывания нужна шина.

Поскольку может сложиться ситуация, когда несколько устройств одновременно хотят произвести прерывание, здесь имеют место те же проблемы разрешения конфликтных ситуаций, что и в обычных циклах шины. Чтобы избежать таких проблем, нужно каждому устройству приписать определенный приоритет и использовать централизованный арбитр для распределения приоритетов. Существует стандартный контроллер прерываний, который широко используется. В компьютерах IBM PC и последующих моделях применяется микросхема Intel 8259А. Она изображена на рис. 3.39.

требует наличия особого цикла шины. Центральный процессор использует этот номер для обращения в таблицу указателей, которую называют таблицей векторов прерывания, чтобы найти адрес процедуры, производящей соответствующее прерывание

Когда присутствует более восьми устройств ввода-вывода, микросхемы 8259А могут быть соединены каскадно. В самой экстремальной ситуации все восемь входов могут быть связаны с выходами еще восьми микросхем 8259 А, соединяя до 64 устройств ввода-вывода в двухступенчатую систему прерывания Микросхема 8259А содержит несколько выводов для управления каскадированием, но мы их опустили ради простоты.

Хотя мы никоим образом не исчерпали все вопросы разработки шин, материал, изложенный выше, дает достаточно информации для общего понимания принципов работы шины и того, как центральный процессор взаимодействует с шиной А теперь мы перейдем от общего к частному и рассмотрим несколько конкретных примеров процессоров и их шин.

Дата добавления: 2016-10-26 ; просмотров: 6284 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Шины персональных компьютеров

Компоненты внутри РС взаимодействуют друг с другом различными способами. Большинство внутренних компонентов, включая процессор, кэш, память, карты расширения и запоминающие устройства взаимодействуют друг с другом с помощью одной или нескольких шин (buses).

Этот материал посвящен шинам современных РС. Вначале обсуждаются шины и их характеристики, а затем подробно рассматриваются наиболее распространенные в мире РС шины ввода-вывода (Input/Output bus), называемые также шинами расширения (expansion buses).

Функции и характеристики шин

Однако первые РС имели только одну шину, которая была общей для процессора, памяти RAM и компонентов ввода-вывода. Процессоры первого и второго поколений работали с низкой частотой синхронизации и все компоненты системы могли поддерживать такую частоту. В частности, такая архитектура позволяла расширять емкость RAM с помощью карт расширения.

В 1987 г. разработчики компании Compaq решили отделить системную шину от шины ввода-вывода с тем, чтобы они могли работать с различной скоростью. С тех пор такая многошинная архитектура стала промышленным стандартом. Более того, современные РС имеют несколько шин ввода-вывода.

Иерархия шин

Несколько шин ввода-вывода, соединяющие различные периферийные устройства с процессором, подключаются к системной шине с помощью моста (bridge), реализованного в чипсете. Системный чипсет управляет всеми шинами и обеспечивает, что каждое устройство в системе правильно взаимодействует с каждым другим устройством.

Как показано ранее, шины ввода-вывода фактически являются расширением системной шины. На материнской плате системная шина заканчивается микросхемой чипсета, которая образует мост к шине ввода-вывода. Шины играют важнейшую роль в обмене данными в РС. Фактически все компоненты РС, за исключением процессора, взаимодействуют друг с другом и системной памятью RAM через различные шины ввода-вывода, как показано на рисунке слева.

Шины адреса и данных

Каждая шина состоит из двух разных частей: шина данных (data bus) и шина адреса (address bus). Говоря о шине, большинство людей понимает именно шину данных; по линиям этой шины передаются собственно данные. Шина адреса представляет собой набор линий, сигналы на которых определяют, куда передавать или откуда принимать данные.

Конечно, имеются сигнальные линии для управления функционированием шины и сигнализации о доступности данных. Иногда эти линии называются шиной управления (control bus), хотя часто они и не упоминаются.

Ширина шины

Ширину шины адреса можно определять независимо от ширины шины данных. Ширина шины адреса показывает, сколько ячеек памяти можно адресовать при передаче данных. В современных РС ширина шины адреса составляет 36 битов, что обеспечивает адресацию памяти емкостью 64 ГБ.

Скорость (быстродействие) шины

Скорость шины (bus speed) показывает, сколько битов информации можно передавать по каждому проводнику шины в секунду. Большинство шин передают по одному проводнику один бит в такте синхронизации, хотя новые шины, например AGP, могут передавать два бита данных в такте синхронизации, что удваивает производительность. В старой шине ISA для передачи одного бита требуются два такта синхронизации, что снижает производительность вдвое.

Ширина полосы пропускания шины

Пропускная способность (МБ/с)

Ширина полосы пропускания (bandwidth) называется также пропускной способностью (throughput) и показывает общий объем данных, который можно передать по шине за данную единицу времени. В таблице приведены теоретические пропускные способности современных шин ввода-вывода. Фактически шины не достигают теоретического показателя из-за служебных потерь на выполнение команд и других факторов. Большинство шин может работать с различной скоростью; в следующей таблице приведены наиболее типичные значения.

Сделаем замечание относительно четырех последних строк. Теоретически шину PCI можно расширить до 64 битов и скорости 66 МГц. Однако по причинам совместимости почти все шины PCI и устройства на шине рассчитаны только на 33 МГц и 32 бита. AGP опирается на теоретический стандарт и работает на 66 МГц, но сохраняет ширину 32 бита. AGP имеет дополнительные режимы x2 и x4, которые позволяют порту выполнять передачи данных два или четыре раза в такте синхронизации, что увеличивает эффективную скорость шины до 133 или 266 МГц.

Интерфейс шин

В системе с несколькими шинами чипсет должен обеспечить схемы для объединения шин и взаимодействия устройства на одной шине с устройством на другой шине. Такие схемы называются мостом (bridge) (отметим, что мостом называется также сетевое устройство для соединения двух разнотипных сетей). Наиболее распространен мост PCI-ISA, который является компонентом системного чипсета для РС с процессорами Pentium. Шина PCI также имеет мост к системной шине.

Мастеринг шины

В шинах с большой пропускной способностью каждую секунду по каналу передается огромный объем информации. Обычно для управления этими передачами требуется процессор. Фактически процессор действует как «посредник» и, как это часто бывает в реальном мире, намного эффективнее убрать посредника и прямо выполнять передачи. Для этого разработаны устройства, которые могут управлять шиной и действовать самостоятельно, т.е. передавать данные непосредственно в системную память RAM; такие устройства называются ведущими шины (bus masters). Теоретически процессор одновременно с передачами данных по шине может выполнять и другую работу; на практике ситуация усложняется несколькими факторами. Для правильной реализации мастеринга шины (bus mastering) необходим арбитраж запросов шины, который обеспечивается чипсетом. Мастеринг шины называется также «first party» DMA, так как работой управляет устройство, выполняющее передачу.

Сейчас мастеринг шины реализован на шине PCI; добавлена также поддержка для жестких дисков IDE/ATA реализации мастеринга шины на PCI при определенных условиях.

Принцип локальной шины

Начало 90-х годов характеризуется переходом от текстовых приложений к графическим и ростом популярности операционной системы Windows. А это привело к огромному увеличению объема информации, который должен передаваться между процессором, памятью, видео и жесткими дисками. Стандартный экран монохроматического (черно-белого) текста содержит всего 4000 байтов информации (2000 для кодов символов и 2000 для экранных атрибутов), а стандартный 256-цветный экран Windows требует более 300 000 байтов! Более того, современная разрешающая способность 1600×1200 при 16 млн цветов требует 5.8 млн байтов информации на экран!

Переход программного мира с текста на графику означал также увеличение размеров программ и повышенные требования памяти. С точки зрения ввода-вывода для обработки дополнительных данных для видеокарты и жестких дисков огромной емкости требуется намного большая пропускная способность ввода-вывода. С этой ситуацией пришлось столкнуться при появлении процессора 80486, производительность которого была намного выше прежних процессоров. Шина ISA перестала удовлетворять возросшим требованиям и стала узким местом в деле повышения производительности РС. Повышение скорости процессора мало что дает, если он должен ожидать медленной системной шины для передачи данных.

Решение было найдено в разработке новой более быстрой шины, которая должна была дополнить шину ISA и применяться специально для таких быстродействующих устройств как видеокарты. Эта шина должна была размещаться на (или вблизи) намного более быстрой шины памяти и работать примерно с внешней скоростью процессора, чтобы передавать данные намного быстрее стандартной шины ISA. При размещении таких устройств вблизи («локально») процессора появилась локальная шина. Первой локальной шиной была VESA Local Bus (VLB), а современной локальной шиной в большинстве РС является шина Peripheral Component Interconnect (PCI).

Системная шина

Системная шина (system bus) соединяет процессор с основной памятью RAM и, возможно, с L2-кэшем. Она является центральной шиной компьютера и остальные шины «ответвляются» от нее. Системная шина реализована как набор проводников на материнской плате и должна соответствовать конкретному типу процессора. Именно процессор определяет характеристики системной шины. Вместе с тем, чем быстрее системная шина, тем быстрее должны быть остальные электронные компоненты РС.

Рассмотрим системные шины РС с процессорами нескольких поколений. В процессорах первого, второго и третьего поколений частота системной шины определялась рабочей частотой процессора. По мере повышения скорости процессора увеличивалась и скорость системной шины. Одновременно увеличивалось и адресное пространство: в процессорах 8088/8086 оно составляло 1 МБ (20-битовый адрес), в процессоре 80286 адресное пространство увеличено до 16 МБ (24-битовый адрес), а начиная с процессора 80386 адресное пространство составляет 4 ГБ (32-битовый адрес).

Как видно из таблицы для процессоров четвертого поколения, скорость системной шины вначале соответствовала рабочей частоте процессора. Однако технологические достижения позволяли повышать частоту процессора, а соответствие скорости системной шины требовало повышения быстродействия внешних компонентов, в основном, системной памяти, что было сопряжено со значительными трудностями и стоимостными ограничениями. Поэтому в процессоре 80486DX2-50 было впервые использовано удвоение частоты (clock doubling): процессор работал с внутренней частотой синхронизации 50 МГц, а внешняя скорость системной шины составляла 25 МГц, т.е. только половину рабочей частоты процессора. Этот прием значительно повышает производительность компьютера, особенно благодаря наличию внутреннего L1-кэша, который удовлетворяет большинство обращений процессора к системной памяти. С тех пор умножение частоты (clock multiplying) стало стандартным способом повышения производительности компьютера и применяется во всех современных процессорах, причем множитель частоты доведен до 8, 10 и более.

Продолжительное время системные шины РС с процессорами пятого поколения работали со скоростью 60 МГц и 66 МГц. Значительным шагом вперед стало увеличение ширины данных до 64 битов и расширение адресного пространства до 64 ГБ (36-битовый адрес).

Скорость системной шины была повышена до 100 МГц в 1998 г. благодаря освоению производства микросхем PC100 SDRAM. Микросхемы памяти RDRAM позволяют еще более повысить скорость системной шины. Однако переход от 66 МГц к 100 МГц оказал значительное влияние на процессоры и материнские платы с Socket 7. В модулях Pentium II до 70-80% трафика (передач информации) осуществляется внутри нового картриджа SEC (Single Edge Cartridge), в котором находятся процессор и оба кэша L1-кэш и L2-кэш. Этот картридж работает со своей скоростью, независящей от скорости системной шины.

Чипсеты i820 и i815, разработанные для процессора Pentium III, рассчитаны на системную шину 133 МГц. Наконец, в процессоре AMD Athlon введены значительные изменения в архитектуру и понятие системной шины оказалось ненужным. Этот процессор может работать с различными типами RAM на максимальной частоте 200 МГц.

Типы шин ввода-вывода

В этом разделе речь пойдет о различных шинах ввода-вывода, причем большая часть его посвящена современным шинам. Общее представление об использовании шин ввода-вывода дает следующий рисунок, наглядно показывающий назначение различных шин ввода-вывода современного РС.

В следующей таблице приведены суммарные сведения о различных шинах ввода-вывода, которые применяются в современных РС:

Старые шины

Новые современные шина PCI и порт AGP «родились» из старых шин, которые до сих пор можно встретить в РС. Более того, самая старая шина ISA до сих пор используется даже в новейших РС. Далее мы рассмотрим несколько подробнее старые шины РС.

Шина Industry Standard Architecture (ISA)

Это самая распространенная и действительно стандартная шина для РС, которая используется даже в новейших компьютерах несмотря на то, что практически не изменилась с момента своего расширения до 16 битов в 1984 г. Конечно, сейчас она дополнена более быстрыми шинами, но «выживает» благодаря наличию огромной базы периферийного оборудования, рассчитанного на этот стандарт. Кроме того, имеется много устройств, для которых скорости ISA более чем достаточно, например для модемов. По мнению некоторых экспертов до «умирания» шины ISA пройдет не менее 5-6 лет.

Выбор ширины и скорости шины ISA определился процессорами, с которыми она работала в первых РС. Оригинальная шина ISA в IBM PC имела ширину 8 битов, соответствуя 8 битам внешней шины данных процессора 8088, и работала на частоте 4.77 МГц, что также соответствует скорости процессора 8088. В 1984 г. появился компьютер IBM AT с процессором 80286 и ширина шины была удвоена до 16 битов, как у внешней шины данных процессора 80286. Одновременно была повышена до 8 МГц скорость шины, что также соответствовало скорости процессора. Теоретически пропускная способность шины составляет 8 МБ/с, но практически она не превышает 1-2 МБ/с.

В современных РС шина ISA действует как внутренняя шина, которая используется для клавиатуры, гибкого диска, последовательных и параллельных портов, и как внешняя шина расширения, к которой можно подключить 16-битовые адаптеры, например звуковую карту.

Впоследствии процессоры AT стали быстрее, а затем была увеличена и их шина данных, но теперь требование совместимости с существующими устройствами заставило производителей придерживаться стандарта и шина ISA с того времени практически не изменилась. Шина ISA обеспечивает достаточную пропускную способность для медленных устройств и наверняка гарантирует совместимость почти с каждым выпущенным РС.

Документ The PC99 System Design Guide, подготовленный компаниями Intel и Microsoft, категорически требует удаления слотов шины ISA с материнских плат, поэтому можно ожидать, что дни этой «заслуженной» шины сочтены.

Шина MicroChannel Architecture (MCA)

Эта шина стала попыткой компании IBM сделать шину ISA «больше и лучше». При появлении в середине 80-х годов процессора 80386DX с 32-битовой шиной данных компания IBM решила разработать шину, соответствующую такой ширине шины данных. Шина MCA имела ширину 32 бита и имела несколько преимуществ по сравнению с шиной ISA.

Шина MCA имела огромные потенциальные возможности. К сожалению, компания IBM приняла два таких решения, которые не способствовали распространению этой шины. Во-первых, шина МСА была несовместимой с шиной ISA, т.е. карты ISA вообще не работали в РС с шиной МСА, а компьютерный рынок очень чувствителен к проблеме обратной совместимости. Во-вторых, компания IBM решила сделать шину МСА своей собственностью, не продавая лицензию на ее применение.

Эти два фактора совместно с более высокой стоимостью систем с шиной МСА привели к забвению шины МСА. Поскольку компьютеры PS/2 больше не выпускаются, шина МСА «умерла» для рынка РС, хотя компания IBM до сих пор использует ее в своих серверах RISC 6000 UNIX. История с шиной МСА является одним из классических примеров того, как в мире компьютеров нетехнические вопросы часто доминируют над техническими.

Шина Extended Industry Standard Architecture (EISA)

Эта шина никогда не стала таким стандартом, каким является шина ISA, и не получила широкого распространения. Фактически она была ответом компании Compaq на шину МСА и привела к аналогичным результатам.

Системы на базе EISA сейчас иногда встречаются в сетевых файловых серверах, а в настольных РС она не применяется из-за более высокой стоимости и отсутствию широкого выбора адаптеров. Наконец, пропускная способность ее значительно уступает локальным шинам VESA Local Bus и PCI. Практически шина сейчас EISA близка к «умиранию».

Шина VESA Local Bus (VLB)

Первая довольно популярная локальная шина VESA Local Bus (VL-Bus или VLB) появилась в 1992 г. Аббревиатура VESA означает Video Electronics Standards Association, а эта ассоциация была создана в конце 80-х годов для решения проблем видеосистем в РС. Основной причиной разработки шины VLB было улучшение производительности видеосистем РС.

Несмотря на то, что шина VLB была очень популярна в РС с процессором 486, появление в 1994 г. процессора Pentium и его локальной шины PCI привело к к постепенному «забвению» шины VLB. Одной из причин этого стали усилия фирмы Intel по продвижению шины PCI, но было и несколько технических проблем, связанных с реализацией VLB. Во-первых, конструкция шины очень сильно «привязана» к процессору 486, а переход к Pentium вызвал проблемы совместимости и другие проблемы. Во-вторых, сама шина имела технические недостатки: небольшое число карт на шине (часто две или даже одна), проблемы синхронизации при использовании нескольких карт и отсутствие поддержки мастеринга шины и технологии Plug and Play.

Шина Peripheral Component Interconnect (PCI)

Как и шина VESA Local Bus, шина PCI имеет ширину 32 бита и обычно работает на частоте 33 МГц. Главное преимущество PCI над шиной VESA Local Bus кроется в чипсете, который управляет шиной. Шиной PCI управляют специальные схемы в чипсете, а шина VLB была, в основном, просто расширением шины процессора 486. Шина PCI в этом отношении не «привязана» к процессору 486 и ее чипсет обеспечивает правильные управление шиной и арбитраж шины, позволяя PCI делать намного больше, чем могла шина VLB. Шина PCI также применяется и вне платформы РС, обеспечивая универсальность и сокращая стоимость разработки систем.

Шина PCI соединяется с системной шиной через специальный «мост» (bridge) и работает на фиксированной частоте независимо от частоты синхронизации процессора. Она ограничена пятью слотами расширения, но каждый из них можно заменить двумя устройствами, встроенными в материнскую плату. Процессор может также поддерживать несколько микросхем мостов. Шина PCI более строго специфицирована по сравнению с шиной VL-Bus и предоставляет несколько дополнительных возможностей. В частности, она поддерживает карты, имеющие напряжение питания +3.3 В и 5 В, с помощью специальных ключей, которые не позволяют вставить карту в неподходящий слот. Далее функционирование шины PCI рассмотрено более подробно.

Производительность шины PCI

Скорость шины PCI в зависимости от чипсета и материнской платы можно установить как синхронную или асинхронную. При синхронной настройке (используемой в большинстве РС) шина PCI работает с половинной скоростью шины памяти; поскольку шина памяти обычно работает на 50, 60 или 66 МГц, шина PCI работает на частоте 25, 30 или 33 МГц. При асинхронной настройке скорость шины PCI можно задавать независимо от скорости шины памяти. Этим обычно управляют с помощью перемычек на материнской плате или параметрами BIOS. «Разгон» (overclocking) системной шины в РС, который использует синхронную шину PCI, вызовет «разгон» и периферийных устройств PCI, часто вызывая проблемы неустойчивой работы системы.

В первоначальной реализации шина PCI работала на частоте 33 МГц, а последующая спецификация PCI 2.1 определила частоту 66 МГц, что соответствует пропускной способности 266 МБ/с. Шину PCI можно конфигурировать на ширину данных 32 и 64 бита и допускается применять 32- и 64-битовые карты, а также разделять прерывания, что удобно в высокопроизводительных системах, в которых не хватает линий IRQ. С середины 1995 г. все скоростные устройства РС взаимодействуют друг с другом по шине PCI. Чаще всего она применяется для контроллеров жестких дисков и графических контроллеров, которые монтируются непосредственно на материнской плате или на картах расширения в слотах шины PCI.

Слоты расширения шины PCI

Шина PCI допускает больше слотов расширения, чем шина VLB, не вызывая технических проблем. Большинство систем с PCI поддерживают 3 или 4 слота PCI, а некоторые и значительно больше.

Примечание: В некоторых системах не все слоты обеспечивают мастеринг шины. Сейчас это встречается реже, но все же рекомендуется посмотреть руководство по материнской плате.

Шина PCI допускает большее разнообразие карт расширения по сравнению с шиной VLB. Чаще всего встречаются видеокарты, хост-адаптеры SCSI и скоростные сетевые карты. (Жесткие диски также работают на шине PCI, но они обычно подключаются непосредственно к материнской плате.) Однако отметим, что шина PCI не реализует некоторые функции, например последовательные и параллельные порты должны оставаться на шине ISA. К счастью, даже сейчас шина ISA остается более чем достаточной для этих устройств.

Внутренние прерывания шины PCI

Шина PCI использует свою внутреннюю систему прерываний для обработки запросов от карт на шине. Эти прерывания часто называются «#A», «#B», «#C» и «#D», чтобы избежать путаницы с обычно пронумерованными системными IRQ, хотя иногда они называются также от «#1» до «#4». Эти уровни прерываний обычно невидимы пользователю за исключением экрана настройки BIOS для PCI, где их можно использовать для управления работой карт PCI.

Мастеринг шины PCI

Напомним, что мастеринг шины (bus mastering) представляет собой способность устройств на шине PCI (отличающихся, конечно, от системного чипсета) брать на себя управление шиной и непосредственно выполнять передачи. Шина PCI стала первой шиной шиной, которая привела к популярности мастеринга шины (наверное, потому что операционная система и программы смогли использовать его преимущества).

Шина PCI поддерживает полный мастеринг шины и обеспечивает средства арбитража шины через системный чипсет. Конструкция PCI допускает одновременный мастеринг шины нескольких устройств, а схема арбитража гарантирует, что ни одно устройство на шине (включая процессор!) не заблокирует никакое другое устройство. Однако разрешается одному устройству использовать полную пропускную способность шины, если другие устройства ничего не передают. Другими словами, шина PCI действует как крохотная локальная сеть внутри компьютера, в которой несколько устройств могут взаимодействовать друг с другом, разделяя коммуникационный канал, и которой управляет чипсет.

Технология Plug and Play для шины PCI

Шина PCI является частью стандарта Plug and Play (PnP), разработанного компаниями Intel, Microsoft и многими другими. Системы с шиной PCI первыми популяризировали применение PnP. Схемы чипсета PCI управляют идентификацией карт и совместно с операционной системой и BIOS автоматически производят распределение ресурсов для совместимых карт.

Шина PCI постоянно совершенствуется и разработками руководит Группа PCI Special Interest Group, в которую входят компании Intel, IBM, Apple и др. Результатом этих разработок стало повышение частоты шины до 66 МГц и расширение данных до 64 битов. Однако создаются и альтернативные варианты, например ускоренный графический порт (AGP) и скоростная последовательная шина FireWire (IEEE 1394). Фактически AGP представляет собой шину PCI 66 МГц (версия 2.1), в которую введены некоторые усовершенствования, ориентированные на графические системы.

Еще одной инициативой является шина PCI-X, называемая также «Project One» и «Future I/O». Компании IBM, Mylex, 3Com, Adaptec, Hewlett-Packard и Compaq хотят разработать специальную высокоскоростную серверную версию шины PCI. Эта шина будет иметь пропускную способность 1 ГБ/с (64 бита, 133 МГц). Компании Intel и Dell Computer не участвуют в этом проекте.

Компании Dell Computer, Hitachi, NEC, Siemens, Sun Microsystems и Intel в ответ на Project One выступили с инициативой разработки шины Next-Generation I/O (NGIO), ориентированной на новую архитектуру ввода-вывода для серверов.

В августе 1999 г. семь лидирующих компаний (Compaq, Dell, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Microsoft, Sun Microsystems) объявили о намерении объединить лучшие идеи шин Future I/O и Next Generation I/O. Новая открытая архитектура ввода-вывода для серверов должна обеспечить пропускную способность до 6 ГБ/с. Ожидается, что новый стандарт NGIO будет принят в конце 2001 г.

Ускоренный графический порт

Необходимость повышения полосы пропускания между процессором и видеосистемой вначале привела к разработке в РС локальной шины ввода-вывода, начиная с VESA Local Bus и кончая современной шиной PCI. Эта тенденция продолжается, причем требование повышенной полосы пропускания для видео уже не удовлетворяет даже шина PCI с ее стандартной пропускной способностью 132 МБ/с. Трехмерная графика (3D graphics) позволяет моделировать на экране виртуальные и реальные миры с мельчайшими деталями. Отображение текстур и скрывание объектов требуют огромных объемов данных и видеокарта должна иметь быстрый доступ к этим данным, чтобы поддержать высокую частоту регенерации.

Порт AGP разработан в ответ на требование все большей производительности для видео. По мере использования программами и компьютерами таких областей, как трехмерная акселерация и воспроизведение видеофильмов (full-motion video playback), процессор и видео-чипсет должны обрабатывать все больше и больше информации. В таких приложения шина PCI достигла своего предела тем более, что ее используют еще и жесткие диски и другие периферийные устройства.

AGP решает эти проблемы, разрешая видеопроцессору обращаться к основной системной памяти для производства вычислений. Этот прием намного эффективнее, так как эту память можно динамически разделять между системным процессором и видеопроцессором в зависимости от потребностей системы.

Идея реализации AGP довольно проста: создать быстрый специализированный интерфейс между видео-чипсетом и системным процессором. Интерфейс реализуется только между этими двумя устройствами, что обеспечивает три основных преимущества: проще реализовать порт, проще повысить скорость AGP и можно ввести в интерфейс специфические для видео усовершенствования. AGP-чипсет действует как посредник между процессором, L2-кэшем Pentium II, системной памятью, видеокартой и шиной PCI, реализуя так называемый счетверенный порт (Quad Port).

AGP считается портом, а не шиной, так как он объединяет только два устройства (процессор и видеокарту) и не допускает расширения. Одно из главных достоинств AGP состоит в том, что он изолирует видеосистему от остальных компонентов РС, исключая конкуренцию за полосу пропускания. Поскольку видеокарта удаляется с шины PCI, остальные устройства могут работать быстрее. Для AGP на материнской плате предусмотрен специальный сокет, который похож на сокет шины PCI, но размещается в другом месте платы. На следующем рисунке сверху видны два сокета шины ISA (черные), затем два сокета шины PCI (белые) и сокет ADP (коричневый).

AGP появился в конце 1997 г. и первой его поддержал чипсет 440LX Pentium II. Уже в следующем году появились AGP-чипсеты других компаний. Подробнее об AGP см. сайт http://developer.intel.com/technology/agp/.

Интерфейс AGP

Интерфейс AGP во многих отношениях похож на шину PCI. Сам слот имеет такие же физические форму и размеры, но смещен от края материнской платы дальше, чем слоты PCI. Спецификация AGP фактически опирается на спецификацию PCI 2.1, которая допускает скорость 66 МГц, но эта скорость не реализована в РС. Материнские платы AGP имеют один слот расширения для видеокарты AGP и на один слот PCI меньше, а в остальном похожи на материнские платы PCI.

Ширина, скорость и полоса пропускания шины

В дополнение к удвоению скорости шины в AGP определен режим 2X, в котором используются специальные сигналы, позволяющие передавать через порт вдвое больше данных при одной и той же частоте синхронизации. В этом режиме информация передается по нарастающему и спадающему фронтам сигнала синхронизации. Если шина PCI передает данные только по одному фронту, AGP передает данные по обоим фронтам. В результате производительность еще удваивается и теоретически доходит до 528 МБ/с. Планируется также реализовать режим 4X, в котором в каждом такте синхронизации осуществляются четыре передачи, что повысит производительность до 1056 МБ/с.

Конечно, все это впечатляет и для видеокарты ширина полосы в 1 ГБ/с очень хорошая, но возникает одна проблема: в современном РС имеется несколько шин. Напомним, что в процессорах класса Pentium ширина шины данных 64 бита и она работает на 66 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность 524 МБ/с, поэтому полоса в 1 ГБ/с не дает значительного выигрыша, если не повысить скорость шины данных сверх 66 МГц. В новых материнских платах скорость системной шины повышена до 100 МГц, что увеличивает пропускную способность до 800 МБ/с, но и этого недостаточно для того, чтобы оправдать передачи режима 4X.

Кроме того, процессор должен обращаться к системной памяти, а не только к видеосистеме. Если вся системная полоса 524 МБ/с занята видео через AGP, что же остается делать процессору? В этом случае переход к системной скорости 100 МГц даст определенный выигрыш.

Видео-конвейеризация порта AGP

Одно из достоинств AGP состоит в возможности конвейеризовать запросы данных. Конвейеризация впервые использовалась в современных процессорах как способ повышения производительности за счет перекрытия последовательных фрагментов задач. Благодаря AGP видео-чипсет может использовать аналогичный прием при запросе информации из памяти, что значительно повышает производительность.

Доступ AGP к системной памяти

Важнейшая особенность AGP заключается в возможности разделять основную системную память с видео-чипсетом. Это обеспечивает видеосистеме доступ к большей памяти для реализации трехмерной графики и другой обработки, не требуя размещения на видеокарте большой видеопамяти. Память на видеокарте разделяется между буфером кадра (frame buffer) и другими применениями. Поскольку для буфера кадра требуется быстродействующая и дорогая память, например VRAM, в большинстве карт вся память выполняется на VRAM, хотя этого и требуется для областей памяти кроме буфера кадра.

Требования AGP

Новые последовательные шины

В последние годы технология ввода-вывода превратилась в одну из наиболее динамичных областей развития настольных РС и два разработанных стандарта последовательных передач данных сильно изменили способы подключения периферийных устройств и подняли концепцию Plug and Play на новую высоту. Благодаря новым стандартам любой пользователь сможет подключить к РС почти неограниченное множество устройств буквально за несколько секунд, не имея специальных технических знаний.

Универсальная последовательная шина

Шина USB допускает подключение до 127 устройств с помощью шлейфного соединения (daisy-chaining) или использования USB-хаба (USB hub). Сам хаб, или концентратор, имеет несколько сокетов и вставляется в РС или другое устройство. К каждому USB-хабу можно подключить семь периферийных устройств. Среди них может быть и второй хаб, к которому можно подключить еще семь периферийных устройств, и т.д. Вместе с сигналами данных шина USB передает и напряжение питания +5 В, поэтому небольшие устройства, например ручные сканеры, могут не иметь собственного блока питания.

Устройства подключаются непосредственно в 4-контактный сокет (розетку) на РС или хабе в виде прямоугольного сокета Типа А. Все кабели, которые постоянно подключены к устройству, имеют вилку Типа А. Устройства, которые используют отдельный кабель, имеют квадратный сокет Типа В, а кабель, который подключает их, имеет вилку Типа А или Типа В.

Шина USB снимает ограничения скорости последовательных портов на базе UART. Она работает со скоростью 12 Мб/с, что соответствует сетевым технологиям Ethernet и Token Ring и обеспечивает достаточную пропускную способность для всех современных периферийных устройств. Например, пропускной способности шины USB достаточно для поддержки таких устройств, как внешние накопители CD-ROM и ленточные накопители, а также интерфейсов ISDN обычных телефонов. Ее также достаточно для передачи сигналов цифрового звука непосредственно в динамики, оснащенные цифро-аналоговыми преобразователя, что устраняет необходимость иметь звуковую карту. Однако шина USB не предназначена заменить сети. Чтобы получить приемлемо низкую стоимость, расстояние между устройствами ограничено 5 м. Для медленных устройств типа клавиатуры и мыши можно установить скорость передачи данных 1.5 Мб/с, экономя пропускную способность для более быстрых устройств.

Шина USB полностью поддерживает технологию Plug and Play. Она устраняет необходимость установки карт расширения внутри РС и последующего реконфигурирования системы. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и при необходимости отключать периферийные устройства в то время, когда РС и другие устройства работают. Не нужно инсталлировать драйверы, выбирать последовательные и параллельные порты, а также определять линии IRQ, DMA-каналы и адреса ввода-вывода. Все это достигается путем управления периферийными устройствами с помощью хост-контроллера на материнской плате или на карте PCI. Хост-контроллер и подчиненные контроллеры в хабах управляют периферийными устройствами, снижая нагрузку на процессор и повышая общую производительность системы. Самим хост-контроллером управляет системное программное обеспечение в составе операционной системы.

Шина USB обещает создание РС с единственным портом USB вместо современных четырех или пяти различных разъемов. К нему можно подключить одно большое мощное устройство, например монитор или принтер, которое будет действовать как хаб, обеспечивая подключение других меньших устройств, например мыши, клавиатуры, модема, сканера, цифровой камеры и т.д. Однако для этого потребуется разработка специальных драйверов устройств. Однако у такой конфигурации РС имеются недостатки. Некоторые специалисты считают, что архитектура USB довольно сложная, а необходимость поддержки многих разнотипных периферийных устройств требует разработки целого набора протоколов. Другие полагают, что принцип хаба просто смещает стоимость и сложность с системного блока в клавиатуру или монитор. Но главным препятствием успеху USB является стандарт IEEE 1394 FireWire.

Шина IEEE 1394 FireWire

Шина IEEE 1394 рассчитана на 6-проводный кабель длиной до 4.5 м, который содержит две пары проводников для передачи данных и одну пару для питания устройства. Каждая сигнальная пара экранирована и весь кабель также экранирован. Кабель допускает напряжение от 8 В до 400 В и ток до 1.5 А и сохраняет физическую непрерывность устройства, когда устройство выключено или неисправно (что очень важно для последовательной топологии). Кабель обеспечивает питание для подключенных к шине устройств. По мере совершенствования стандарта ожидается, что шина обеспечит большие расстояния без повторителей и еще большую пропускную способность.

Основой любого соединения IEEE 1394 служит микросхема физического уровня и коммуникационного уровня, причем для устройства необходимы две микросхемы. Физический интерфейс (PHY) одного устройства соединяется с PHY другого устройства. Он содержит схемы, необходимые для выполнения функций арбитража и инициализации. Коммуникационный интерфейс соединяет PHY, а также внутренние схемы устройства. Он передает и принимает пакеты в формате IEEE 1394 и поддерживает асинхронные или изохронные передачи данных. Возможность поддержки асинхронных и изохронных форматов в одном и том же интерфейсе допускает работу на шине некритичных ко времени приложений, например сканеров или принтеров, а также приложений реального времени, например видео и звук. Все микросхемы физического уровня используют одну и ту же технологию, а микросхемы коммуникационного уровня специфичны для каждого устройства. Такой подход позволяет шине IEEE 1394 действовать как система «узел-узел» (peer-peer) в отличие от подхода клиент-сервер в шине USB. В результате системе IEEE 1394 не требуется ни обслуживающий хост, ни РС.

Асинхронная передача является традиционным способом передач данных между компьютерами и периферийными устройствами. Здесь данные передаются в одном направлении и сопровождаются последующим подтверждением источнику. В асинхронной передаче данных упор сделан на доставку, а не на производительность. Передача данных гарантирована и поддерживаются повторные передачи (retries). Изохронная передача данных обеспечивает поток данных с предопределенной скоростью, поэтому приложение может обрабатывать их с учетом временных соотношений. Это особенно важно для критичных во времени мультимедийных данных, когда доставка точно во времени (just-in-time delivery) устраняет необходимость в дорогом буферировании. Изохронные передачи данных работают по принципу широкого вещания (broadcast), когда одно или несколько устройств могут «прослушивать» (listen) передаваемые данные. По шине IEEE 1394 можно одновременно передавать несколько каналов (до 63) изохронных данных. Так как изохронные передачи могут занимать максимум 80% пропускной способности шины, остается достаточная полоса пропускания и для дополнительных асинхронных передач.

Масштабируемая архитектура шины IEEE 1394 и гибкая топология делают ее идеальной для подключения высокоскоростных устройств: от компьютеров и жестких дисков до цифрового аудио- и видеооборудования. Устройства можно подключать в виде шлейфной или древовидной топологии. Рисунок слева показывает две отдельные рабочие области, соединенные мостом шины IEEE 1394. Рабочая область #1 состоит из видеокамеры, РС и видеомагнитофона, которые все соединены через IEEE 1394. РС также подключен к физически удаленному принтеру через повторитель 1394, который увеличивает расстояние между устройствами, усиливая сигналы шины. На шине IEEE 1394 допускается до 16 «скачков» (hops) между любыми двумя устройствами. Размножитель (splitter) 1394 используется между мостом и принтером, чтобы предоставить еще один порт для подключения моста шины IEEE 1394. Размножители обеспечивают для пользователей большую гибкость топологии.

Рабочая область #2 содержит на сегменте шины 1394 только РС и принтер, а также соединение с мостом шины. Мост изолирует трафик данных внутри каждой рабочей области. Мосты шины IEEE 1394 допускают передавать выбранные данные из одного сегмента шины в другой. Поэтому PC #2 может запросить изображения от видеомагнитофона в рабочей области #1. Так как кабель шины передает и питание сигнальный интерфейс PHY всегда с питанием и данные передаются даже в том в том случае, если PC #1 выключен.

Благодаря технологии передачи пакетов шину IEEE 1394 можно организовать так, как если бы между устройствами распределено пространство памяти, или как будто устройства находятся в слотах на материнской плате. Адрес устройства состоит из 64 битов, причем 10 битов отводятся для идентификатора сети, 6 битов для идентификатора узла и 48 битов для адресов памяти. В результате можно адресовать 1023 сети из 63 узлов, причем каждый имеет память 281 ТБ. Адресация памяти, а не каналов, считает ресурсы регистрами или памятью, к которым можно обратиться с помощью транзакций процессор-память. Все это обеспечивает простую сетевую организацию; например, цифровая камера может легко передать изображения прямо в цифровой принтер без компьютера-посредника. Шина IEEE 1394 показывает, что РС теряет свою доминирующую роль по объединению среды и его можно считать очень интеллектуальным узлом.

Необходимость использования двух микросхем вместо одной делает периферийные устройства для шины IEEE 1394 более дорогими по сравнению с устройствами для SCSI, IDE или USB, поэтому она не годится для медленных устройств. Однако ее достоинства для высокоскоростных приложений, например цифрового видеоредактирования, превращает шину IEEE 1394 в основной интерфейс для бытовой электроники.

Несмотря на достоинства шины IEEE 1394 и появление в 2000 г. материнских плат со встроенными контроллерами этой шины, будущий успех FireWire не гарантирован. Появление спецификации USB 2.0 значительно усложнило ситуацию.

Спецификация USB 2.0

Согласно USB 2.0 пропускная способность повышается с 12 Мб/с до 360-480 Мб/с. Ожидается, что шина USB 2.0 будет совместима с USB 1.1, что обеспечит пользователям безболезненный переход к новой шине. Для нее будут разработаны новые скоростные периферийные устройства, которые расширят диапазон применений РС. Скорости 12 Мб/с вполне достаточно для таких устройств, как телефоны, цифровые камеры, клавиатура, мышь, цифровые джойстики, ленточные накопители, накопители на гибком диске, цифровые динамики, сканеры и принтеры. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит функциональность периферийных устройств, обеспечивая поддержку камер с высокой разрешающей способностью для видеоконференций, а также скоростных сканеров и принтеров следующего поколения.

Существующие периферийные устройства для USB будут без изменений работать в системе с шиной USB 2.0. Таким устройствам, как клавиатура и мышь, не требуется повышенная пропускная способность USB 2.0 и они будут работать как устройства USB 1.1. Повышенная пропускная способность USB 2.0 расширит диапазон периферийных устройств, которые можно будет подключать к РС, а также позволит большему числу USB-устройств разделять имеющуюся пропускную способность шины вплоть до архитектурных пределов шины USB. Обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.1 может стать решающим преимуществом в борьбе с шиной IEEE 1394 за интерфейс потребительских приборов.

Стандарт DeviceBay

DeviceBay представляет собой новый стандарт, который разработан вслед за стандартами шин IEEE 1394 и USB. Эти шины допускают подключение и отключение устройств «на лету», т.е. в процессе работы РС. Такая возможность горячей замены (hot swap, hot plug) потребовала нового специального соединения между устройствами и ответом на это требование стал стандарт DeviceBay. Он стандартизует отсеки, в которые можно вставлять жесткие диски, накопители CD-ROM и другие устройства. Монтажная рама устанавливается без инструментов и в процессе работы РС. Если стандарт DeviceBay получит широкое распространение, он покончит с плоскими кабелями внутри корпуса РС. Весь РС можно оформить в виде модульной конструкции, в которой все модули подключаются к шинам USB или FireWire как устройства DeviceBay. При этом устройство можно будет свободно перемещать между РС и другими домашними приборами.

Стандарт DeviceBay рассчитан на подключение таких устройств, как накопители Zip, накопители CD-ROM, ленточные накопители, модемы, жесткие диски, считыватели PC-карт и др.

Источник