Шина ISA (Industrial Standard Architecture)
7. Шины
Что такое шина
Шина — это общий канал связи, используемый в ПК. Применяется она для организации взаимодействия между двумя или более компонентами системы. В компьютере имеется несколько типов шин, в том числе:
· шина процессора;
· шина адреса;
· шина памяти;
· шина ввода-вывода.
Когда говорят о шине, обычно имеют в виду шину ввода - вывода, которую иногда называют шиной расширения. Шина ввода - вывода — это “скоростная магистраль” для передачи данных в компьютере. По этой шине проходит вся информация, передаваемая в разные узлы компьютера (видеоадаптер, дисководы, принтер и т.д.) или считываемая с них. Заметим, что большую часть своего “рабочего времени” шина обслуживает видеоадаптер.
Шина процессора
Рекомендуемые материалы
Шина процессора соединяет микропроцессор (CPU) с несколькими непосредственно связанными с ним микросхемами. Шина процессора используется, например, для передачи данных между CPU и основной системной шиной.
Поскольку шина процессора должна обмениваться информацией с CPU с максимально высокой скоростью, в ПК она функционирует намного быстрее любой другой шины. Сигнальные линии (линии электрической связи), представляющие шину, предназначены для передачи данных, адресов и сигналов управления между отдельными компонентами компьютера.
Шина памяти
Шина памяти предназначена для передачи информации между CPU и основной памятью (RAM). Эта шина либо является продолжением шины процессора, либо представляет собой независимый набор специальных микросхем для передачи информации между шиной процессора и памятью. Системы, основанные на процессоре с тактовой частотой выше 16 МГц, имеют скорость обмена данными, которая превышает возможности стандартных динамических микросхем RAM. В общем, во всех системах с тактовой частотой процессоров выше 16 МГц для сглаживания несоответствий между быстрой шиной процессора и медленной оперативной памятью компьютера используются специализированные микросхемы контроллера памяти. Обычно это те же самые ИС, которые применяются в шине ввода - вывода.
По шине памяти информация передается с гораздо меньшей скоростью, чем по шине процессора, потому что, во - первых, она состоит из меньшего количества линий данных и, во - вторых, информация в микросхемах памяти не может записываться и воспроизводиться с той скоростью, на которую способен процессор. Слоты для модулей памяти подключаются к шине памяти почти так же, как слоты расширения подключаются к шине ввода - вывода.
Шина адреса
Шина адреса фактически является частью шины процессора. Выше уже отмечалось, что шина процессора 486 или Pentium состоит из 32 или 64 линий данных, 32 линий адреса и нескольких линий управления (В Pentium Pro и Pentium II - по 36 линий адреса). Именно эти линии адреса и образуют шину адреса. В большинстве блок - схем она не отделяется от шины процессора.
Шина адреса необходима для выполнения операций с памятью. С ее помощью определяется, в какой ячейке хранится следующее значение. Разрядность шины адреса связана с объемом памяти, адресуемой процессором.
Шина ввода – вывода
Шина ввода - вывода позволяет процессору взаимодействовать с периферийными устройствами. Эта шина и подключенные к ней слоты расширения предназначены для того, чтобы компьютер мог выполнить все предъявляемые запросы. Шина ввода - вывода позволяет подключать к компьютеру дополнительные устройства для расширения его возможностей. В слоты расширения устанавливают такие жизненно важные узлы, как контроллеры накопителей на жестких дисках и платы видеоадаптеров, к ним можно подключить и более специализированные устройства, например звуковые платы, сетевые интерфейсные платы адаптер SCSI и др.
Количество слотов расширения может быть разным. Например, в первых компьютерах класса PC их было пять, а в компьютерах PC/XT и более поздних PC/AT - восемь; обычно количество слотов расширения не превышает восьми. Чем больше слотов, тем меньше расстояние между устанавливаемыми платами. В первых ПК шаг между ними составлял приблизительно 1" (2,54 см), в PC/XT он был уменьшен до 0,8" На системных платах некоторых компьютеров имеется один слот расширения, в который вставляется вертикальная выносная плата. На ней с обеих сторон есть разъемы - слоты. В них устанавливаются платы адаптеров, которые при этом располагаются параллельно системной плате.
Выносные платы используются тогда, когда нужно сделать конструкцию максимально плоской для ее установки в корпус с уменьшенной высотой. Однако независимо от конструкции шина остается такой же, как в обычных компьютерах; единственное отличие заключается в установке выносной платы.
Управление шиной
В некоторых типах шин используется технология, называемая управлением шиной, предусматривающая возможность передачи управления одной из плат адаптеров. Такая плата, по сути, является специализированным процессором, который может осуществлять обмен данными по шине независимо от основного процессора. Работу адаптеров координирует устройство, называемое арбитром шины, которое иногда называют периферийным контроллером ISP (Integrated System Peripheral). Арбитр временно предоставляет всю систему в полное распоряжение той или иной платы адаптера. При этом все операции могут быть выполнены очень быстро. Например, контроллер диска, способный управлять шиной, обеспечивает более высокую скорость обмена данными с быстродействующим накопителем, чем контроллер, не обладающий такими возможностями.
При распределении функций управления шиной арбитр учитывает уровень приоритета, которым обладает какое - либо устройство или операция. Таких уровней четыре:
· регенерация системной памяти;
· прямой доступ к памяти (ПДП);
· процессор;
· адаптеры шины.
Если плате адаптера необходим полный контроль над шиной, она сообщает об этом арбитру. При первой же возможности (после обработки запросов с более высокими приоритетом) арбитр передает ей управление шиной. В свою очередь, на самих платах адаптеров имеются устройства, которые предотвращают перехват управления системой в те моменты, когда это может помешать выполнению операций с более высоким приоритетом, например регенерации памяти.
Разновидности шин ввода-вывода
За время, прошедшее после появления первого ПК, в особенности за последние годы, было разработано довольно много вариантов шин ввода - вывода. Объясняется это просто: для повышения производительности компьютера нужна быстродействующая шина ввода - вывода. Производительность компьютера определяется тремя основными факторами:
· быстродействием CPU;
· качеством программного обеспечения;
· характеристиками видеосистем.
Для улучшения каждого из этих параметров нужна шина ввода - вывода с максимальным быстродействием. Как это ни удивительно, значительное число компьютеров до сих пор выпускается с такой же архитектурой шины, которая применялась в компьютерах фирмы IBM класса PC/AT. Однако сейчас ситуация изменилась, поскольку в новых компьютерах используются принципиально другие шины ввода - вывода; их структура постоянно совершенствуется, а стоимость снижается.
Одной из главных причин, препятствующих появлению новых структур шины ввода - вывода, является их несовместимость со старым стандартом PC, который, как надежный якорь, связывает нас с прошлым. В свое время успех компьютеров класса PC предопределила стандартизация — многие фирмы разработали тысячи плат, соответствующих требованиям этого стандарта. Новая, более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом, иначе все старые платы придется просто выбросить. Поэтому технология производства шин эволюционирует медленно, без резких скачков.
Шины ввода - вывода различаются по архитектуре. Основными из них на сегодняшний день были и являются:
· ISA (Industry Standard Architecture) промышленная стандартная архитектура;
· MCA (Micro Channel Architecture) микроканальная архитектура;
· EISA (Extended Industry Standard Architecture) расширенная промышленная стандартная архитектура;
· LB (Local Bus) локальная шина;
· VESA (Video Electronics Standards Association) также называемая VL - Bus или VLB;
· PCMCIA (PC Card - Personal Computer Memory Card International Association);
· PCI (Peripheral Component Interconnect bus) шина взаимосвязи периферийных компонентов;
· AGP (Accelerated Graphic Port) Ускоренный графический порт;
· FireWire (IEEE-1394);
· USB (Universal Serial Bus) Универсальная последовательная шина;
Различия между этими шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием). Каждая шина строится на основе специальных микросхем, которые подключаются к шине процессора. Обычно эти же микросхемы используются и для управления шиной памяти. Рассмотрим каждую из шин более подробно.
7.1. Шина ISA (Industrial Standard Architecture)
Шина ISA (Industrial Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура использовалась в первом компьютере IBM PC в 1981 г. , а в 1984 г. — в расширенном 16 ти разрядном варианте в компьютерах IBM PC/AT. На сегодняшний день это раритетный тип шины.
И ещё раз повторимся - Шина, как известно, представляет из себя, собственно, набор проводов (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В “минимальной комплектации” шина имеет три типа линий:
· линии управления;
· линии адресации;
· линии данных.
Устройства, подключенные к шине, делятся на две основных категории - bus masters и bus slaves. Bus masters - это устройства, способные управлять работой шины, т.е инициировать запись/чтение и т.д. Bus slaves - соответственно, устройства, которые могут только отвечать на запросы. Правда, есть еще “интеллектуальные слуги” (intelligent slaves).
Компания IBM в 1981 г. представила новую шину для использования в компьютерах серии PC/XT. Шина была крайне проста по дизайну, содержала 53 сигнальных линии и 8 линий питания и представляла собой синхронную 8 ми битную шину с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания, изменяя состояние линии соответствующего IRQ с 0 на 1 или обратно. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Кроме того, шина не поддерживала дополнительных bus masters, и единственными устройствами, управляющими шиной, были процессор и контроллер DMA на материнской плате.
62 ух контактный слот включал 8 линий данных, 20 линий адреса (АО÷А19), 6 линий запроса прерываний (IRQ2÷IRQ7). Таким образом, объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт, и при частоте шины 4.77 МГц пропускная способность достигала 1.2 Мбайта/сек.
Забавно, что IBM не опубликовала полного описания шины с временными диаграммами сигналов на линиях данных и адреса, поэтому первым разработчикам плат расширения пришлось изрядно потрудиться. Для особо любопытных предоставляется возможность познакомиться с этой информацией.
Недостатки шины, вытекающие из простоты конструкции, очевидны. Поэтому для использования в компьютерах IBM-AT (Advanced Technology) в 1984 г. была представлена новая версия шины, впоследствии названной ISA. Сохраняя совместимость со старыми 8 ми битными платами расширения, новая версия шины обладала рядом существенных преимуществ, как то:
· добавление 8 линий данных позволило вести 16 ти битный обмен данными;
· добавление 4 линий адреса позволило увеличить максимальный размер адресуемой памяти до 16 MB;
· были добавлены 5 дополнительных trigger-edged линий IRQ;
Лекция "69. Контроль и надзор по охране труда" также может быть Вам полезна.
· была реализована частичная поддержка дополнительных bus masters;
· частота шины была увеличена до 8 MHz;
· пропускная способность достигла 5.3 МВ/сек.
Реализация bus mastering не была особенно удачной, поскольку, например, запрос на освобождение шины (Bus hang-off) к текущему bus master обрабатывался несколько тактов, к тому же каждый master должен был периодически освобождать шину, что бы дать возможность провести обновление памяти (memory refresh), или сам проводить обновление. Для обеспечения обратной совместимости с 8 ми битными платами большинство новых возможностей было реализовано путем добавления новых линий. Так как AT был построен на основе процессора Intel 80286, который был существенно быстрее, чем 8088, пришлось добавить генератор состояний ожидания (wait-state generator). Для обхода этого генератора используется свободная линия (контакт В8 NOWS - No Wait State) исходной 8 ми битной шины. При установке этой линии в 0 такты ожидания пропускаются. Использование в качестве NOWS линии исходной шины позволяло разработчикам делать как 16 ти битные, так и 8 ми битные “быстрые” платы.
Новый слот содержал 4 новых адресных линии (LA20÷LA23) и копии трех младших адресных линий (LA17÷LA19). Необходимость в таком дублировании возникла из-за того, что адресные линии XT были линиями с задержкой (latched lines), и эти задержки приводили к снижению быстродействия периферийных устройств. Использование дублирующего набора адресных линий позволяло 16 ти битной карте в начале цикла определить, что к ней обращаются, и послать сигнал о том, что она может осуществлять 16 ми битный обмен. На самом деле, это ключевой момент в обеспечении обратной совместимости. Если процессор пытается осуществить 16 ми битный доступ к плате, он сможет это сделать только в том случае, если получит от нее соответствующий отклик IO16. В противном случае чипсет инициирует вместо одного 16 ми битного цикла два 8 ми битных. И все бы было хорошо, но адресных линий без задержки всего 7, поэтому платы, использующие диапазон адресов меньший, чем 128Кбайт, не могли определить, находится ли переданный адрес в их диапазоне адресов, и, соответственно, послать отклик IO16. Таким образом, многие платы, в том числе платы EMS, не могли использовать 16 ми битный обмен. Подробнее о функционировании шины ISA можно прочитать в описании.
Несмотря на отсутствие официального стандарта и технических “изюминок” шина ISA превосходила потребности среднего пользователя образца 1984г., а “засилье” IBM AT на рынке массовых компьютеров привело к тому, что производители плат расширения и клонов AT приняли ISA за стандарт. Такая популярность шины привела к тому, что слоты ISA до сих пор присутствуют на всех системных платах, и платы ISA до сих производятся. Правда, Microsoft в спецификации РС99 предусматривает отказ от ISA, но, как говорится, до этого нужно еще дожить.
