Компьютерные шины

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….…...…..3

1. СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ШИНЫ…………….....…..4
2. ПРОЦЕССОРНАЯ ШИНА…………………………………....…….6
1. Краткая характеристика шины PCI ……………….………..…….6
2. Краткая характеристика шины AGP………………………..….…9
3. Интерфейсы дисковых устройств SCSI…………………………10
4. Краткая характеристика шины USB……………………….....….13

3. КОНЕЦ ЭПОХИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ШИН ДАННЫХ…...…….17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…21

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Электронные приборы в настоящее время применяются практически везде: от науки до бытовой техники. При этом сложность задач, возложенных на эти приборы, постоянно возрастает. Вместе с ней растут скорости и объемы перерабатываемых данных. Зачастую уже не удается обойтись автономными устройствами, поскольку их ресурсы сильно ограничены. Так, например, объемы пересылаемых данных и сложность алгоритмов обработки в автоматизированных системах видеонаблюдения столь значительны, что решить эту задачу автономным прибором просто нереально.

     Можно усовершенствовать приборы, дополняя их средствами хранения данных, клавиатурами, дисплеями — всем тем, что делает их удобными, и, в конце концов, решить-таки поставленную задачу. Однако сложность получившегося в итоге устройства становится сравнима со сложностью компьютера. Но стоит ли овчинка выделки? Стоит ли наращивать функциональные возможности устройства, если есть готовый компьютер, состоящий из тех же самых узлов, которыми дополняется устройство?

     Ответ давно известен — электронные  устройства должны встраиваться в компьютер, подключаться к его внутренним шинам. К такому решению разработчики пришли уже довольно давно, еще в ту пору, когда компьютер не был столь распространен, как сегодня.Заложенная в универсальных стандартах избыточность часто удорожает прибор столь значительно, что он многократно проигрывает конкурентам по стоимости и остается невостребованным на рынке. Приборы же, выполненные в виде встраиваемых плат, сравнительно дешевы и потому пользуются спросом. Но разработчики таких устройств должны быть готовы к постоянной модернизации плат и ПО, поскольку компьютер непрерывно эволюционирует, развивается, меняется. 
 

     1 СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ШИНЫ 

     У компьютеров IBM PC XT системная шина была предназначена для одновременной  передачи только 8 бит данных, так как используемый в компьютерах микропроцессор имел именно такую разрядность. Позже, в компьютерах, использующих микропроцессор i80286, стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standard Аrchitecture), полностью реализующая возможности упомянутого микропроцессора. Новая шина явилась развитием предыдущей и включала свойства и возможности старой 8-разрядной шины. Заметим, что благодаря преемственности, все устройства, подключавшиеся к PC XT, могли без проблем применяться и в PC AT 286. Системная шина ISA работала на частоте 8 МГц, но синхронизация работы шины и микропроцессора производилась разными тактовыми частотами. Такое решение имело серьезные последствия. Благодаря этому обстоятельству, устройства, выполненные на платах расширения, могли работать быстрее или медленнее, чем базовый микропроцессор. Скорости могли отличаться весьма существенно, что стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров, возраставшая год от года, превысила 12 МГц (предельная частота работы микросхем средней степени интеграции, на которых тогда выполнялись встраиваемые электронные устройства).

     С той поры компьютер изменился  настолько радикально, что теперь трудно даже поверить, что тот вчерашний  и этот сегодняшний связаны самыми тесными родственными узами. Технологический прогресс сделал возможным появление сложных современных высокоскоростных процессоров. Их частота синхронизации выросла столь значительно, что потребовалось коренное изменение всей внутренней архитектуры системной платы. Оказалось, что возможности системной шины ISA для построения высокопроизводительных систем следующего поколения были уже практически исчерпаны. Выходом из ситуации стало появление новых многоразрядных скоростных шин, разделяющих основные узлы (процессор и память) с периферийными устройствами и встраиваемыми платами пользователей. К сожалению, изменение архитектуры компьютера оказалось настолько серьезным, что применение ранее разработанных плат пользователя стало абсолютно невозможным. Виной тому новые интерфейсы, или, как их еще называют — шины.

     Для того чтобы понимать, в чем заключается  разница между ними, чтобы со знанием  дела подключать свою электронику к  компьютеру, разработчик должен хотя бы в общих чертах представлять себе особенности каждой из них, понимать их назначение и применимость к своим задачам.

     Теперь  на материнской плате разведена  не одна шина, как было раньше, а несколько. В современных компьютерах их можно насчитать по меньшей мере 3 (иногда 4 или даже 5). Каждая имеет  свои особенности и предназначена для решения своих специфических задач. Основной шиной сегодня является шина PCI, связывающая процессор и память со всей остальной начинкой и устройствами ввода-вывода. Благодаря новой архитектуре доступ к памяти компьютера получили не только центральный процессор, но и платы устройств с функцией bus master, способные управлять передачей данных по шине, работать в режиме DMA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 ПРОЦЕССОРНАЯ ШИНА 

     Front Side Bus (FSB) — шина, обеспечивающая  соединение между x86-совместимым  центральным процессором и внутренними устройствами.

     Как правило, современный персональный компьютер на базе x86-совместимого микропроцессора  устроен следующим образом: микропроцессор через FSB подключается к системному контроллеру, который обычно называют «северным мостом», (англ. Northbridge). Системный контроллер имеет в своём составе контроллер ОЗУ (в некоторых современных персональных компьютерах контроллер ОЗУ встроен в микропроцессор), а также контроллеры шин, к которым подключаются периферийные устройства. Получил распространение подход, при котором к северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные устройства, например, видеокарты с шиной PCI Express 16x, а менее производительные устройства (микросхема BIOS'а, устройства с шиной PCI) подключаются к так называемому «южному мосту» (англ. Southbridge), который соединяется с северным мостом специальной шиной. Набор из «южного» и «северного» мостов называют набором системной логики, но чаще применяется калька с английского языка «чипсет» (англ. chipset).

     Таким образом, FSB работает в качестве магистрального канала между процессором и чипсетом.

     Некоторые компьютеры имеют внешнюю кэш-память, подключенную через «заднюю» шину (англ. back side bus), которая быстрее, чем FSB, но работает только со специфичными устройствами.

     Каждая  из вторичных шин работает на своей  частоте (которая может быть как  выше, так и ниже частоты FSB). Иногда частота вторичной шины является производной от частоты FSB, иногда задаётся независимо.

     2.1 Краткая характеристика шины PCI

     Шина  РСI поддерживает 32-разрядный канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами. Она может использовать 124-контактный разъем (32-разрядная передача данных) или 188-контактный разъем (64-разрядная передача данных). Частота работы шины 33 или 66 МГц (v.2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

     132 Мбайт/с при 32 бит на 33 МГц;

     264 Mбайт/с при 32 бит на 66 МГц;

     264 Mбайт/с при 64 бит на 33 МГц;

     528 Мбайт/с при 64 бит на 66 МГц.

     В соответствии со спецификацией РСI (v.2.1) к шине может подключаться до 10 устройств. Обычно на платах устанавливаются не более 4 разъемов (одна плата может вмещать два и более самостоятельных устройства). PCI обеспечивает проверку на четность как адреса, так и данных и позволяет реализовывать устойчивые к ошибкам решения.

     Адрес и данные мультиплексированы и передаются по одним и тем же линиям PCI. Транзакции шины (пересылки данных) состоят  из фазы адреса, вслед за которой  следует одна (или больше) фаз  данных. Арбитраж не требует дополнительных затрат времени, так как выполняется одновременно с другими операциями шины (перекрывается ими).

     Стандарт  предусматривает несколько способов повышения пропускной способности. Среди них не только применение шины с увеличенной разрядностью и повышенной частотой синхронизации. К ним можно отнести и режим DMA и блочные передачи, при которых передача начального адреса производится один раз перед первой пересылкой, а также скрытый (перекрывающийся во времени) центральный арбитраж. Оба типа обмена позволяют сократить время, требующееся на пересылку массива данных. Возможность самостоятельного управления шиной (Bus mastering) позволяет устройству осуществлять (инициировать) любые транзакции чтения-записи, адресованные к другим устройствам на шине PCI или к системной памяти. Эти транзакции осуществляются независимо от главного процессора, поэтому, хотя они ничуть не быстрее обычных транзакций, они не мешают его работе и не отнимают у него время. Контроллер, запрограммированный на выполнение какой-либо передачи данных или на выполнение последовательности команд, больше не требует действий от процессора, пока он (контроллер) не завершит свою задачу. Для информирования процессора о том, что хозяин шины (bus master) выполнил свои действия, используется механизм прерываний.

     Спецификация  шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных — диапазон памяти и диапазон ввода-вывода — и обязательное теперь «конфигурационное пространство». Конфигурационное пространство состоит  из трех регионов:

     заголовка, независимого от устройства (device-independent header region);

     региона, определяемого типом устройства (header-type region);

     региона, определяемого пользователем (user-defined region).

     В заголовке содержится информация о  производителе и типе устройства — поле Class Code (сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т. д.) и прочая служебная информация.

     Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода-вывода, которые позволяют  динамически выделять устройству область  системной памяти и адресного пространства. Роль последнего региона понятна из его названия.

     В современных компьютерах можно  на одной материнской плате (motherboard) обнаружить два варианта исполнения шины, отличающиеся тактовой частотой синхронизации пересылок. В таких  случаях между шинами устанавливаются микросхемы мостовых контроллеров PCI-to-PCI. Мосты применяются также для расширения шины, позволяя подключать к ней большее число плат.

     Отделение периферийного оборудования от процессора и памяти позволило фирме Intel назвать эту шину процессорно-независимой. Действительно, платы расширения (ввода-вывода данных) разработанные для компьютеров типа IBM PC с процессорами фирмы Intel, могут встраиваться в компьютеры Apple Macintosh, основанные на процессорах фирмы Motorola.

     2.2 Краткая характеристика шины AGP

     Стандарт AGP был разработан фирмой Intel для  того, чтобы, не изменяя коренным образом  сложившийся стандарт на шину PCI, ускорить вывод данных на видеокарту и, кроме  этого, увеличить производительность компьютера при обработке трехмерных изображений.

     Конструктивно шина реализуется в виде отдельного слота (разъема) с питанием 3,3 В, напоминающего  слот PCI. Скорость передачи данных в  этом интерфейсе увеличена по сравнению  с шиной PCI и равняется 533 Мбайт/с. Она обусловлена частотой шины AGP 66 МГц и возможностью отмены механизма мультиплексирования адреса и данных (на PCI по одним и тем же физическим линиям сначала выдается адрес, а потом данные).

     Шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц и 32 разряда данных, поэтому может  пропускать данные со скоростью 132 Mбайт/с. Интерфейс AGP имеет частоту шины 66 МГц и ту же разрядность данных, и поэтому в стандартном режиме (точнее, режим «1x») может пропустить 266 Mбайт/с. Стандарт предусматривает возможность передачи данных в режиме увеличенной скорости при помощи введения дополнительных специальных сигналов, используемых как стробы. Кроме «классического» способа адресации, примененного в интерфейсе PCI, где сначала выставляется адрес, а затем с некоторой задержкой на тех же шинах появляются данные, в AGP может использоваться режим sideband addressing, называемый также «адресация по боковой полосе». Скорость обмена в режиме SBA возрастает, так как ликвидируются временные задержки между циклами передачи адреса и циклами передачи данных. Интерфейс ориентирован на передачу крупных массивов данных к видеоадаптеру. Единичные пересылки могут выполняться в обычном режиме, подобном PCI.