Курс лекций по вычислительной технике

       

Внутренние шины ПК


     Внутренние шины или шины расширения  служат  мостом  между  шиной процессора и входами различных устройств, расширяющих возможности компьютера - плат расширения. Связь между процессором и ШР  обеспечивается посредством чипсета - набора микросхем.

     В настоящее время сложилась довольно сложная иерархия шин. Поэтому, мы рассмотрим наиболее раннюю и новейшую организацию

                                                            

ISA

 

           ЖД          ГД         Дж    Мышь Принтер             Монитор

      

     

         

                                 7.2.1. Шина  ISA.

ISA (Industry Standard Architecture). Шина - асинхронная, но длительность операций в шине кратна периоду с/с.

D(0:15) - 8/16-разрядная шина данных

A(0:23) - 24/10(16)-разрядная шина адреса памяти/порта

SBHE    - признак передачи байта в старших разрядах

SMWR    - строб записи в 1-ый Мб

SMRD    - строб чтения в 1-ый Мб

MWR     - строб записи в 16 Мб

MRD     - строб чтения в 16 Мб

Refr    - признак регенерации памяти

MCS16   - признак 16-разрядного обращения к памяти

BALE    - строб адреса

IOWR    - строб записи в порт (в ВУ)

IORD    - строб чтения из порта (из ВУ)

AEN     - признак адресации к портам

IOCS16  - признак 16-разрядного обращения к портам

IRQ(0:15) - запросы прерываний

DRQ(0:7) - запросы каналов ПДП

DACK(0:7) - подтверждения каналов ПДП

TC      - переполнение счётчика слов ПДП

MASTER     - запрос на захват шины

IOCHK  - признак нарушения чётности в/в

BClock  - с/с шины - 8мггц

IOCHRDY  - признак удлинения цикла потактно менее 15мкс

OWS     - признак исключения ожиданий.


OSC     - частота которая использовалась в часах

Reset     - сброс

               Пространство ввода -вывода.

Из анализа структуры шины следует, что  всю  совокупность адресов можно быть использовать следующим образом:

     а) для адресации ячеек памяти (поговорим  позже)  и

     б) для адресации внешних регистров, абонентов -  портов

Забегая вперёд, заметим, что в системе команд 80Х86 имеется всего 4-е команды ввод в регистр, вывод из регистра, ввод элемента в строку памяти, и вывод элемента из строки памяти. Обмен с использованием строковых команд получил название РIО (программный ввод-вывод). Обмен может выполняться байтам, словами и двойными словами. Дешифрируется не более 16 разрядов.

Стандартно распределёнными считаются адреса с 000 до 3FF.

При программном вводе для пересылки массива N данных  выполняются следующие действия:

а) данные пересылаются из порта во внутренний регистр

б) данные из регистра записываются в память

в) индекс адреса памяти модифицируется

г) шаги а,б,в повторяются N раз

               Прямой доступ в память

В режиме прямого доступа к памяти процессор должен только инициализировать КПДП: записать в него начальный адрес памяти, число слов  и режим. после чего освобождается. Собственно обмен производит  контроллер. который имеет 7 каналов (4-байтных и 3 пословных).

Для управления отводится три 40 8р-ных порта.

В каждом канале независимо могут происходить следующие действия:

   а)  ВУ выдаёт запрос ...

   б)  КПДП отвечает и  ВУ открывает шину

   в)  КПДП производит обмен с памятью

   г)  КПДП модифицирует адрес

   д)  шаги а) - г) повторяются пока ВУ не прекратит  выдачу  запросов или пока не исчерпается счётчик слов в КПДП.

Максимальная производительность ПДП в два раза ниже, чем у РIО.

Функции канала ПДП может быть реализованы и в самом ВУ. Для  это-

го после подтверждения КПДП оно должно выставить  запрос  главного. 

В этом случае оно само формирует адрес памяти и сигналы записи-чтения.



             Аппаратные прерывания

Предусмотрено 15 сигналов запроса прерываний: одно  немаскируемое (ошибка чётности ввода-вывода), остальные маскируемые (0 - таймер, 1 -

клавиатура, 2 - каскадирование 3,4 - СОМ,6 - КГМД, 5,7 - КПП, 8 -  часы ?, 14 - КЖМД. Приоритеты убывают в следующем порядке 0,1, 8-15, 3-7.

Прерывания обслуживают два контроллера (0-7 и 8-15), каждый  контроллер обслуживается двумя байтными портами: 020,021 и 0А0,0А1.

Контроллер имеет два режима работы: инициализации и операционный.

Режим инициализации включается после сброса и заключается  в  посылке командных слов: одного ICW1 по адресу 020(0А0) и трёх ICW(2-4) по адресу 021(0А1). В том числе засылается вектор прерываний.

В операционном режиме контроллер воспринимает команды управления:

OCW1 и OCW(2-3)-аналогично. В числе прочих  операций  имеется  возможность управлять маскированием запросов.

           

         7.1.2. Интерфейс АТА  (Advanced Technology Attachment).

Он  возник  в  80  годах  в  качестве  IDE   (Integrated    Drive Electronics) и применяется до сих пор.

 Для подключения устройств IDE могут применяться различные  интерфейсы. но наиболее распространённым является АТА (АТ Attachment) - интерфейс РС АТ.

 Интерфейс АТА появился в результате переноса контроллера  жёстко-

го диска непосредственно в накопитель и т.о. появления  устройств  IDE (Integrated Device Electronics).

Такое решение позволило  повысить быстродействие и  унифицировать интерфейсы различных по физической сущности накопителей.

Первоначальный интерфейс позволял подключать два ЖД (ведущий и ведомый). Сначала скорость передачи составляла 3,3Мб/сек, но потом с использованием режимов PIO и DMA была увеличена  до  8,3Мб/сек.  Но  емкость дисков до 512Мб.

В 1993 году появился новый интерфейс EIDE  (E  -  enhanced)  или Fast ATA-2 с расширенными возможностями ( 2 канала по 2  устройства  в каждом, скорость до 16.6Мб/сек, емкость дисков до 8,4Мб).

Далее последовали Ultra DMA/33 (Ultra ATA) - 33Мб/сек, Ultra DMA/66.



Для связи с контроллером из шины ISA выбрали  минимальный  набор

сигналов: шина данных, шина адреса и  несколько  сигналов  управления,

часть из которых буферизуется на специальной  плате  -  адаптере  (или

входит в чипсет), старшие разряды адреса  дешифрируются. 

Совокупность средств сопряжения  называют  хост  -  адаптером. Компьютер  -  просто хост. Непременный атрибут контроллера - буферная память,  позволяющая согласовать скорости: процессор - адаптер и адаптер - накопитель.

Каждый адаптер может быть подключён к двум устройствам, но  обмен

может вести только с одним (поэтому устройства, между которыми  должен

вестись обмен должны подключаться к разным адаптерам).

Каждое устройство имеет набор регистров:

     - регистр данных

     - регистр управления

     - регистр состояния

     - регистр команд

     - регистр ошибок

     - регистр номера устройства и головки

     - регистр счётчика секторов

     - регистр номера сектора

     - регистры старшего и младшего байта номера цилиндра

///Стандарт АТА определяет и систему команд - 43 команды.

Интерфейс АТА поддерживает следующие режимы обмена



Режим PIO



Мб/сек     



Режим DMA



Мб/сек     





0



3,3



SW DMA M0



 2,08





1



5,2



SW DMA M1



4,16





2



8,3



SW DMA M2



8,33





3



11.1



MW DMA M0



4,12





4



16



SW DMA M1



13,3





5



22,2



Ultra DMA/33*



33



* В каждой передаче два байта: по переднему и заднему фронту.

     Режим PIO рекомендуется для однозадачных ОС, а DMA - для многозадачных.

     Не рекомендуется подключать к одному адаптеру устройства с разны-

ми режимами.

     Имеется несколько электрически совместимых  разновидностей  использования интерфейсов АТА:

     - САМ АТА - обеспечивает совместимость сигналов и команд (2 уст).

     - АТА-2 - с расширенными возможностями (2 канала, 4 устройства.).  Режимы обмена с хостом: РIO M3, MWDMA M1 объём диска до 8Мгб.)



     - Fast ATA-2 - c повышенным быстродействием ( PIO M4, MVDMA M2).

     - АТА-3 с повышенной надёжностью.

     - ATAPI- поддерживает минимальный набор команд  АТА,  а  для  его

расширения использует пакет команд, посылаемых хостом  в  устройство. Применяется для подключения накопителей компакт-дисков, стримеров  и  других устройств, которым недостаточно системы команд АТА.

     -ATASPI- программно управляемый (Windows)

     - E-IDE - расширение для шины PCI (PIO M3, MW DMA M1).

     Ограничения - длина шлейфа до 45см, и его  объем  (31  сигнальный

провод).

     Новый интерфейс Sserial ATA обеспечивает  теоретическую  пропускную способность 1,5Гбит/сек (150Мбайт/сек) с перспективой до 6Гбит/сек.

     Топология подключения "звезда"

                                                                                                                                                                                                     

     Он заменит параллельный АТА и позволит передавать данные со  скоростью 1,5ГБ/с (затем 3 и 6) и совместим с существующими драйверами.

Необходимость SATA.

1.     Малая длина кабеля  IDE-ATA (до 45см), что ограничивает создание RAID массивов.

2.     Высокий уровень (5в) сигнала, что создаёт проблемы с помехозащищенностью.

3.     Ограничения по скорости передачи.

4.      Не позволяет замены на ходу.

Сравнение быстродействия интерфейсов АТА.



Тип



МБ/сек



IDE - ATAPI



3,3 – 8,3



EIDE ( ATA-2)



11,1 – 16,7



Ultra ATA (Ultra DMA/33)



33,3



Ultra ATA/66



66,6



Ultra ATA/100



100



SATA/1500



150



SATA/3000



200



SATA/6000



400

Особенности SATA

1.     Сохранён протокол (заменены только приёмо-передатчики). И более того разработаны дешёвые переходники.

2.     Последовательная передача на частоте 1,5ГГц. (до 150Мб/с). У АТА 100МБ/с на частоте 25МГц (с удвоением).



3.     Уровни сигнала – 0,5В.

4.     Пропускная способность



7.1.3. Шина PCI.

     PCI (Peripheral Component Interconnect) - шина подсоединения  периферийных компонентов. Частота 20-66мггц, скорость до 528Мб/с. Шина -синхронная (по фронту с/с). Адрес и данные мультиплексированы, тип операции  представлен в кодированном виде.

Шина предусматривает пакетный режим  обмена: в каждой транзакции за фазой адреса следуют фазы данных. В  каждой транзакции  участвует   ведущий    (Master - Initiator)    и    ведомый (Slave-Target).

                         Сигналы шины.

CLK  -   тактовая частота - до 133мггц

AD(63:0) - мультиплексированная шина (данные следом за адресом); адресация с точностью двойного слова АД(1:0) - 00 линейное  наращивание адреса, 01 - кратно длине строки кэш

PAR      - признак чётности (общий для линий АД  и команд).

PERR     - ошибка чётности (формирует приёмник)

SERR     - системная ошибка (формируется любым устройством на  шине  и           вызывает немаскируемое прерывание)

FRAME    - кадр; начало адрес; конец предпоследний цикл данных

DEVSEL   - ответ ведомого

IRDI     - готовность

TRDI     - готовность ведомого

* Обмен возможен при наличии обоих сигналов, любой может  делать  пропуски.

REQ64    - запрос обмена двойным словом

ACK64    - подтверждение ведомым обмена двойным словом

STOP     - требование останова ведомым

     линии арбитража

REQ(3:0) - требования на захват шины от 4-х разъёмов (слотов)

GNT(3:0) - предоставление шины одному из разъёмов

INTR(A,B,C,D)  - линии запросов прерывания; линии в слотах  циклически сдвигаются и независимо коммутируются на доступные IRQn с помощью конфигурационных регистров чипсет.

C/BE(3:0)  - операция (в фазе адреса); номер байта (в фазе  данных):

        операции

        - подтверждение прерывания (на шине - вектор прерывания),



        - чтение памяти,

        - запись в память,

        - чтение порта в/в,

        - запись в порт,

        - множественное чтение памяти  (основной  памяти  без кэширования),

        - признак двухсловного адреса,

        - чтение строки  памяти,

        - запись строк в основную память и освобождение кэш,

        - признак останова.

        - чтение  и  запись конфигурации,

IDSEL   -  сигнала выбора устройства в операциях конфигурирования.

          Авто конфигурирование устройств ( выбор адресов, запросов прерываний ориентированно на технологию  Plug & Play (P&P).

     Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное  пространство размером до 256 байтных регистров, не приписанных ни к  пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним  осуществляется по конфигурационным операциям после включения или  аппаратного сброса. В этих операциях устройства выбираются  по  индивидуальным сигналам выбора устройства для конфигурирования, они сообщают о потребностях в ресурсах. После распределения ресурсов, выполняемых  программой конфигурирования, в устройства записываются параметры конфигурирования  и становится возможным выполнение остальных операций.

     Пять сигналов обслуживания встроенного тестового контроля.

             7.1.4. Магистральный интерфейс AGP.

     Наибольшие требования к быстродействию шины является  графический адаптер. Рост функциональных возможностей графических ускорителей приводит к необходимости реализации графических построений, что  в  свою

очередь повышает требования к быстродействию шины.

Для этой цели  фирма Интел на базе шины РС1 разработала новый стандарт подключения  графических  адаптеров  АGР - ускоренный  графический  порт  (32 разряда, 66,66мггц). Ускорение достигнуто за счёт:

     - конвейера  операций с памятью

     - сдвоенными передачами данных

     - разделением шин адреса и данных

Особенностью конвейера является то, что ещё до выполнения предыдущего запроса принимаются последующие (и так  до  256),  а  затем они

удовлетворяются в потоке.

За один такт передаётся не 32р-да, а 64 (по фронту и по спаду  синхросигнала).

Хотя под шину адреса отведено 8 линий, по которым за 3 такта синхронизации передаётся - 4 байта адреса, байт длины запроса и байт команды (по  фронту  и  по  спаду синхросигнала).

 Т. о. пропускная способность AGР до 532Мб/сек, но уже сегодня потребность при обмене акселератора с видеопамятью может достигать 1,6Гб/сек.


Содержание раздела