Шини даних

Шины адреси — й даних.

Системные і локальні шини.

Основной обов’язком системної шини є передача інформації між базовим мікропроцесором й іншими електронними компонентами комп’ютера. З цієї шині здійснюється також адресація пристроїв й відбувається обмін спеціальними службовими сигналами. Отже, спрощено системну шину можна видати за сукупність сигнальних ліній, об'єднаних по їх призначенню (дані, адреси, управління). Передачею інформації з шині управляє одна з підключених до неї пристроїв, чи спеціально виділений при цьому вузол, званий арбітром шини.

Системная шина IBM PC і IBM PC/XT призначалася Для одночасної передачі лише 8 біт інформації, оскільки вживаний у комп’ютерах мікропроцесор 18 088 мав 8 ліній даних. З іншого боку, системна шина включала 20 адресних ліній, які обмежували адресне простір межею один Мбайт. Робота з зовнішніми пристроями у цій шині було передбачено також 4 лінії апаратних переривань (IRQ) і 4 лінії для вимоги зовнішніми пристроями прямого доступу на згадку про (DMA, Direct Memory Access). Для підключення плат розширення використовувалися спеціальні 62-контактные Рознімання. Зауважимо, що системна шина і мікропроцесор синхронизировались від однієї тактового генератора із частотою 4,77 МГц. Отже, теоретично швидкість передачі могла досягати більш 4,5 Мбайта/с.

Шина ISA.

В комп’ютерах PC/AT, використовують мікропроцесор i80286, вперше почали застосовувати нова системна шина ISA (Industry Standard Architecture), повністю реалізує можливості згаданого мікропроцесора. Вона відрізнялася наявністю додаткового 36-контактного розняття для відповідних плат розширення. У результаті кількість адресних ліній було збільшено чотирма, а даних — на вісім. Тепер було передавати паралельно вже 16 розрядів даних, а завдяки 24 адресним лініях безпосередньо звертатися до 16 Мбайтам системної пам’яті. Кількість ліній апаратних переривань у цій шині було збільшено із сьомої до 15, а каналів DMA — із чотирьох до 7. Слід зазначити, нова системна шина ISA повністю включала у собі можливості старої 8-разрядной шини, тобто устрою, використовувані в PC/XT, могли безборонно застосовуватися й у PC/AT 286. Системні плати з шиною ISA вже допускали можливість синхронізації роботи самої шини і мікропроцесора різними тактовими частотами, що дозволяло пристроям, виконаним на платах розширення, працювати повільніше, ніж базовий мікропроцесор. Це було особливо актуальним, коли тактова частота процесорів перевищила 10—12 МГц. Тепер системна шина ISA почала працювати асинхронно з процесором на частоті 8 МГц. Отже, максимальна швидкість передачі теоретично воно може досягати 16 Мбайт/с.

Шина EISA.

С появою нових мікропроцесорів, як-от i80386 і i486, очевидно, що з цілком переборних перешкод шляху підвищення продуктивності комп’ютерів з тими мікропроцесорами є системна шина ISA. Річ у тім, можливості цієї шини для побудови високопродуктивних систем для наступного покоління були вичерпані. Нова системна шина мала забезпечити найбільший можливий обсяг адресуемой пам’яті, 32-разрядную передачу даних, зокрема й у режимі DMA, поліпшену систему переривань і арбітраж DMA, автоматичну конфігурацію системи та плат розширення. Такий шиною для IBM PC-совместимых комп’ютерів стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). Зауважимо, що системних плати з шиною EISA спочатку були в цілком конкретнішу сферу застосування нової архітектури, саме на комп’ютери, оснащені високошвидкісними підсистемами зовнішньої пам’яті на жорстких магнітних дисках з буферної кэш-памятью. Такі комп’ютери досі використовують у основному ролі потужних файл-серверов чи робочих станцій.

В EISA-разъем на системної платі комп’ютера крім, зрозуміло, спеціальних EISA-плат може уставлятися або 8-, або 16-разрядная плата розширення, призначена для звичайної PC/AT з шиною ISA. Це забезпечується простим, але воістину геніальним конструктивним рішенням. EISA-разъемы мають два низки контактів, одна з яких (верхній) використовує сигнали шини ISA, а другий (нижній) — відповідно EISA. Контакти в соединителях EISA розташовані отже поруч із кожним сигнальним контактом перебуває контакт «Земля ». Завдяки цьому зводиться до мінімуму ймовірність генерації електромагнітних перешкод, і навіть зменшується сприйнятливість до таких перешкод.

Шина EISA дозволяє адресувати 4-Гбайтное адресне простір, доступне микропроцессорам 180 386/486. Проте доступом до цьому простору може мати як центральний процесор, а й плати управляючих пристроїв типу bus master — головного абонента (тобто устрою, здатні керувати передачею даних із шині), і навіть устрою, мають змогу організувати режим DMA. Стандарт EISA підтримує многопроцессорную архітектуру для «інтелектуальних «пристроїв (плат), оснащених власними мікропроцесорами. Тому дані, наприклад, від контролерів жорстких дисків, графічних контролерів і контролерів мережі можуть оброблятися незалежно, не завантажуючи у своїй основний процесор. Теоретично максимальна швидкість передачі по шині.

EISA в так званому пакетному режимі (burst mode) може становити 33 Мбайт/с. У звичайному (стандартному) режимі вона перевершує, зрозуміло, відомих значень для ISA.

На шині EISA передбачається метод централізованого Управління, організований через спеціальний електронний пристрій — системний арбітр. Отже підтримується використало провідних пристроїв на шині, проте можливо також надання шини запрашивающим пристроям по циклічному принципу.

Как й у шини ISA, у системі EISA є 7 каналів DMA. виконання DMA-функций практично повністю сумісне з операціями на ISA-шине, хоча можуть відбуватися і трохи швидше. Контролери DMA мають можливість підтримувати 8-, 16- і 32-разрядные режими передачі. У випадку можливо виконання однієї з чотирьох циклів обміну між пристроєм DMA і пам’яттю системи. Це ISA-совместимые цикли, використовують передачі даних 8 тактів шини; цикли типу А, виконувані за б тактів шини; цикли типу У, що їх за 4 такту шини, і цикли типу З (чи burst DMA), у яких передача даних відбувається поза один такт шини. Типи циклів А, У і З підтримуються 8-, 16- і 32-разрядными пристроями, причому можливо автоматичне зміна розміру (ширини) даних під час передачі не відповідну розміру пам’ять. Більшість ISA-совместимых пристроїв, використовують DMA, можуть працювати майже 2 разу швидше, якщо вони запрограмовані застосування циклів, А чи У, а чи не стандартних (та порівняно повільних) ISA-циклов. Така продуктивність досягається лише шляхом поліпшення арбітражу шини, а чи не на шкоду сумісності з ISA.

Приоритеты DMA у системі можуть бути або «обертовими «(перемінними), або жорстко встановленими. Лінії переривання шини ISA, якими запити переривання передаються як перепадів рівнів напруги (фронтів сигналів), сильно піддаються імпульсним перешкод. Тож у доповнення до сигналам переривань на шині ISA, активним лише з своєму фронту, у системі EISA передбачено й сигнали переривань, активні за рівнем. Причому кожному за переривання вибір тій чи іншій схеми активності то, можливо запрограмований заздалегідь. Власне переривання, активні фронтом, збережені в EISA лише сумісності зі «старими «адаптерами ISA, обслуговування запитів на переривання яких виробляє схема, чутлива до фронту сигналу. Зрозуміло, що переривання, активні за рівнем, менше схильні до шумів і перешкод, ніж звичайні. До того ж (теоретично) за однією й тією самою фізичної лінії можна передавати нескінченно велика кількість рівнів переривання. Отже, одна лінія переривання можна використовувати для кількох запитів.

Для комп’ютерів з шиною EISA дозволяє автоматичного конфигурирование системи. Кожен виготовлювач плат розширення для комп’ютерів з шиною EISA поставляє разом цими платами і спеціальні файли конфігурації. Інформація з цих файлів використовується на етапі підготовки системи роботі, що полягає у поділі ресурсів комп’ютера між окремими платами. Для «старих «плат адаптерів користувач повинна сама підібрати правильне становище DIP-перекдючателей (рис. 25) і перемичок, проте сервісна програма на EISA-компьютерах дозволяє відображати встановлені становища відповідних перемикачів на екрані монітора й дає деякі рекомендації по правильної їх установці. До того ж в архітектурі EISA передбачено виділення певних груп адрес вводу-виводу для конкретних слотів шини — кожному розніманню розширення відводиться адресний діапазон 4 Кбайта, що дає підстави уникнути конфліктів між окремими платами EISA.

Заметим, що комп’ютери, використовують системні плати з шиною EISA, досить дорогі. До того ж шина як і тактируется частотою близько 8—10 МГц, а швидкість передачі збільшується переважно через збільшення розрядності шини даних.

Локальные шини.

Разработчики комп’ютерів, системні плати яких грунтувалися на мікропроцесорах 180 386/486, використовують роздільні шини для пам’яті і пристроїв виводу-введення-висновку, що дозволило максимально задіяти можливості оперативної пам’яті, оскільки саме у тому випадку пам’ять може працювати з найвищої нею швидкістю. Проте за такого підходу всю систему може забезпечити достатньої продуктивності, оскільки устрою, підключені через рознімання розширення, що неспроможні досягти швидкості обміну, можна з процесором. У це стосується роботи з контролерами накопичувачів і видеоадаптерами. Аби вирішити проблеми використовують звані локальні (local) шини, які безпосередньо пов’язують процесор з контролерами периферійних пристроїв.

Первые IBM PC-совместимые комп’ютери з локальними шинами були, природно, стандартизовані. Однією з провідних виготовлювачів персональних комп’ютерів, вперше реализовавшим видеоподсистему з локальної шиною, була компания NEC Technologies. Ще 1991 року ця фірма представила свою оригінальну розробку Image Video.

Шины VL-bus і PCI.

В останнім часом з’явилися дві локальні шини, визнані промисловими: VL-bus (чи VLB), запропонована асоціацією VESA (Video Electronics Standards Association), і PCI (Peripheral Component Interconnect), розроблена фірмою Intel. Обидві ці шини призначені, власне кажучи, на одне й того — збільшення швидкодії комп’ютера, дозволяючи таким периферійним пристроям, як видеоадаптеры і контролери накопичувачів, працювати з тактовою частотою до 33 МГц і від. Обидві шини використовують рознімання типу МСА. У цьому, втім, їх подібність і закінчується, оскільки необхідна мета досягається різними засобами.

Если VL-bus є, власне, розширенням шини процесора (пригадаємо шину IBM PC/XT), то PCI зі своєї організації більш тяжіє до системним шинам, наприклад до EISA, і становить абсолютно нову розробку. У принципі, PCI належить до класу про mezzanine-шин, тобто шин- «прибудов », бо між локальної шиною процесора і найбільш PCI перебуває спеціальна мікросхема согласующего «мосту «(bridge).

Так як VL-bus продовжує шину процесора без проміжних буферів, її схемна реалізація виявляється дешевшою та простий. Перша специфікація VESA, зокрема, передбачає, що шині, що є локальної 32-разрядной шиною системного мікропроцесора, може підключатися близько трьох периферійних пристроїв. Деякі виробники, втім, переконані, що домогтися сталої роботи трьох пристроїв на високих частотах взагалі неможливо, і встановлюють за свої плати лише 2 слота. Обмеження на число пристроїв пов’язана з тим, що електрична нагрузочная здатність на сигнальні лінії будь-якого процесора дуже невелика.

В ролі пристроїв, подключаемых до VL-bus, нині виступають контролери накопичувачів, видеоадаптеры і мережні плати. Конструктивно VL-bus виглядає як короткий соединитель типу МСА (112 контактів), встановлений, наприклад, поруч із розніманнями розширення ISA чи EISA. У цьому 32 лінії йдуть на передачі і 30 — передачі адреси. Максимальна швидкість передачі по шині VL-bus теоретично воно може становити близько 130 Мбайт/с. Слід зазначити, що у VL-bus не передбачено арбітр шини. На щастя, більшість подключаемых до неї пристроїв є «пасивними », тобто не ініціюють передачу даних. Проте щоб уникнути можливих конфліктів між під'єднаними до шині пристроями в специфікації виділяються «управляючі «(master) і «керовані «(slave) адаптери. Для «управляючих «пристроїв на системних платах зазвичай визначено свої «мастерные «слоты. За задумом творців, подібні «управляючі «устрою могли здійснювати арбітраж на шині.

После появи процесора Pentium асоціація VESA почала працювати над новим стандартом VL-bus (версія 2). Він передбачає, зокрема, використання 64-разрядной шини даних, і збільшення кількості рознімань розширення (може бути три розняття на 40 МГц і двоє на 50 МГц). Очікувана швидкість передачі теоретично повинна зрости до 400 Мбайт/с. Зауважимо, що на даний час шина VL-bus представляє з себе порівняно недороге доповнення для комп’ютерів з урахуванням 486-х процесорів з шиною ISA, причому із забезпеченням зворотної сумісності.

Спецификация шины PCI має кількома перевагами перед основний версією VL-bus. Так, використовувати PCI можна незалежно від типу процесора. Спеціальний контролер піклується про розмежування управляючих сигналів локальної шини процесора і PCI-шины та, крім того, здійснює арбітраж на PCI. Саме тому ця шина можна використовувати й інших комп’ютерних платформах. Слід зазначити, що гнучкість і швидкодія цієї шини припускають і покладають великі апаратні витрати, ніж для VL-bus. Проте шина PCI стала практичним стандартом для систем з урахуванням Pentium і проінвестували щонайменше успішно використовують у 486-х комп’ютерах.

В відповідності зі спецификацией PCI до шині можуть підключатися до 10 пристроїв. Однак це, значить використання такої ж кількості рознімань розширення — обмеження належить до загальної кількості компонентів, зокрема розташованих на системної платі. Оскільки кожна плата розширення PCI може розділятися між двома периферійними пристроями, то зменшується загальна кількість встановлюваних рознімань. На відміну від VL-bus шина PCI дбає про фіксованою тактовою частоті 33 МГц передбачає напруга харчування для контролерів як 5, і 3,3 У, і навіть забезпечує режим їх автоконфигурации (plug and play — «вмикай і працюй »). Зауважимо, що, наприклад, PCI-карты, розраховані напруга 5 У, можуть уставлятися лише у відповідні слоты, які конструктивно від слотів для напруги 3,3 У.

Впрочем, є так звані універсальні PCI-адаптеры, які працюють у будь-якому з слотів. Шина PCI може використовувати 124-контактный (32-разрядная) чи 188-контактный розняття (64-разрядная передача даних), у своїй теоретично можлива швидкість обміну становить відповідно 132 і 264 Мбаита/с Специфікація PCI 2.1 для мікропроцесор Pentium (100 МГц) визначає роботи з частотою 33—66 МГц і швидкістю обміну до 520 Мбайт/с. На системних платах встановлюється звичайно більше трьох-чотирьох рознімань PCI.

Отдельно хотілося б сказати про про разделяемы (shared) слотах ISA/PCI. Оскільки слоты для шини PCI розташовуються паралельно разъемам системної шини, то, на систем іншої платі через її обмеженого розміру досить важко розмістити необхідну кількість та інших. Саме тому які виробники, і використовують поділювану, чи shared конфігурацію. І тут одне із слотів PCI розташовується настільки близько до розніманню системної шини, які можна використовувати лише з них, тобто підключити або ISA-, або PCI-устройство, але, зрозуміло, в відповідний розняття.

Вообще кажучи, багато виробники системних плат часто передбачають у виробах різноманітні комбінації системних і локальних шин від ISA плюс VL-bus для порівняно дешевих систем до EISA плюс PCI для систем високого ypoв ня. Нерідко зустрічаються поєднання ISA плюс EISA плюс VL-bus ISA плюс EISA плюс PCI і навіть чотири шини одночасно що забезпечує певну гнучкість при ви борі адаптерів особливо з урахуванням високого рівня цін до продукцію шин EISA і PC. Проте «війні «локальних шин безсумнівну пoбeду здобула PCI.

Стандарт PCMCIA.

Устройства, відповідні першу версію стандарту PCMCIA, замислювалися як альтернативи щодо тяжким енергоємним приводам флоппи-дисков в портативних комп’ютерах. Нагадаємо, що «загадкова «абревіатура PCMCIA означає нічим іншим, як Personal Computer Memory Card International Association. До речі, прийнята цієї асоціацією специфікація була відразу підтримана такими фірмами, як IBM, AT&T, Intel, NCR і Toshiba. Сьогодні даний стандарт підтримують вже близько виробників. PCMCIA-устройства розміром із звичайну кредитну картку є альтернативою звичайним платам розширення, подключаемым до системної шині. Сьогодні у цьому стандарті випускаються модулі пам’яті, модеми і факс-модемы, SCSI-адаптеры, мережні карти, звукові карти, вінчестери тощо. Особливою популярністю користуються PCMCIA-карты флеш-пам'яті, які втрачають інформацію при вимиканні харчування, мають високим швидкодією і може бути використані ролі вінчестера без рухомих частин.

Кстати, й у настільних комп’ютерів розроблено вже адаптери для PCMCIA-устройств. Під адаптером PCMCIA розуміється плата розширення, яка вставляється зазвичай, у слот системної шини і сполучається з розніманням PCMCIA стрічковим кабелем. Сам розняття PCMCIA розміщається в стандартному відсіку з форм-фактором 3,5 чи 5,25 дюйма.

Первая версія стандарту PCMCIA (release 1.0) було запроваджено серпні 1990 року й підтримувала всі типи пам’яті, виключаючи динамічну пам’ять DRAM. Отже, в специфікацію було включено: статична пам’ять SRAM; псевдостатическая пам’ять PSRAM; стала (масочная) пам’ять ROM; одноразово програмована стала пам’ять PROM (чи OTPROM — One-Time Programmable ROM); стираемая ультрафіолетом перепрограммируемая пам’ять UV-EPROM (Ultraviolet Erasable PROM); електрично стираемая перепрограммируемая пам’ять EEPROM (Electrically Erasable PROM) і флеш-пам'ять (Hash). Робота асоціації PCMCIA над однойменної спецификацией відбувалася тісному контакту з організацією JEIDA (Japan Electronic Industry Development Association) у Японії. Тому стандарт часто називають PCMCIA/JEIDA.

Уже у вересні 1991 року з’явилася друга версія специфікації (release 2.0), куди входили нові особливості, такі, як підтримка пристроїв вводу-виводу, додатковий сервіс для модулів флеш-пам'яті. підтримка модулів з подвійним «напругою харчування (5 і трьох У) так званий XIP механізм (eXecute-In-Place). Зауважимо, що XIP-механизм обес спочиває виконання програм у просторі PCMCIA-модуля пам’яті, економлячи цим системну пам’ять комп’ютера.

Надо відзначити, разом із версією 2.0 асоціація PCMCIA розробила нову специфікацію SSIS (Socket Services Interface Specification), що встановлює стандартний набір системних викликів до роботи з PCMCIA-модулями. SSIS виконано вигляді BIOS, що дозволяє зберегти незалежність використовуваних апаратних коштів, але гарантувати у своїй програмну сумісність. Перша версія SSIS було прийнято асоціацією PCMCIA у серпні 1991 року, і наші з’явилася трохи модифікована версія SSIS — release 1.01. Останній версії SSIS були поліпшено деякі раніше певні функції й уведено підтримка захищеного режиму процесорів. Вищий рівень програмних операцій (так званий Card Services) з PCMCIA-модулями було запропоновано лише на початку 1992 року.

Новая версія специфікації дозволяє називати PCMCIA-модули просто PC Card (s). Отже, стандарт PCMCIA для зв’язок між PC Card і відповідатиме пристроєм (адаптером чи портом) комп’ютера визначає 68-контактный механічний соединитель. Нею виділено 16 розрядів під дані і 26 розрядів під адресу, що дозволяє безпосередньо адресувати 64 Мбайта пам’яті. Хоча деякі вивідні контакти призначені для сигналів, необхідних під час роботи з пам’яттю, ці самі контакти можна використовувати й у інших сигналів, розрахованих працювати з пристроями виводу-введення-висновку. Зрозуміло, які були відбувається так звана переконфігурація висновків. Наприклад, контакт для сигналу RDY/BSY (готов/занят), необхідний під час роботи з деякими типами пам’яті, можна використовувати для сигналу IREQ (запит переривання).

На боці модуля PC Card розташований соединитель-розетка (female), але в боці комп’ютера — соединитель-вилка (male). З іншого боку, стандарт визначає три різні довжини контактів соединителя-вилки. Таке рішення легко можна пояснити. Оскільки підключення і відключення PC Card може статися при що працює комп’ютері (зване гаряче), то тут для того на модуль спочатку подавалося напруга харчування, а лише потім напруга сигнальних ліній, відповідні контакти виконані довшими. Зрозуміло, що з відключенні PCMCIA-модуля усе відбувається у порядку. Друга версія специфікації PCMCIA визначає лише три типу габаритних розмірів для PC Card (Type I, Type II і Type III), до них може бути додано і четвертий — Type IV. Два перших типу обмежують розміри PC Card до 54 мм (2,12 дюйма) завширшки і 85,6 мм (3,37 дюйма) завдовжки. PCMCIA-модули, відповідні розмірам Type I, повинен мати товщину 3,3 мм, а відповідні Type II — 5,0 мм у середині і 3,3 мм з обох боків. Це забезпечує «геометричну «сумісність PC Card першого і другого типів. PC Card Туре III завтовшки 10,5 мм, зрозуміло, непридатні від використання в слотах для модулів Туре I і II (див. рис. 27). Для третього типу модулів необхідні звані слоты подвійний висоти. Зауважимо, проте, що товщина модуля Туре III з обох боків також дорівнює 3,3 мм. Саме через такі модулі призначені розміщувати 1,3-дюймовых вінчестерів.

Добавления до другої версії стандарту PCMCIA передбачають збільшення довжини модулів, відповідних розмірам Type I і II, до 5,73 дюйма. Така конструкція дуже багато важить для модулів модемів (факс-модемов), у яких, як відомо, мають встановлювати розняття типу RJ-11.

Помимо габаритних розмірів стандарт PCMCIA наказує розміщення перемикача захисту записи, внутрішнього джерела струму, марки виготовлювача, якщо такі є. Слід зазначити, що «теплолюбні «PC Cards повинні нормально функціонувати за нормальної температури від 0 до 55 градусів за Цельсієм.