12

Тема: ШИНЫ РАСШИРЕНИЯ

Учебные вопросы:

1.Шины расширения: назначение, виды и место в архитектуре.

2.Шина ISA и ее модификации.

3.Шина PCI.

4.Магистральный интерфейс AGP.

Литература: 1 вопрос: [2] стр.142…145, 419…421;

2 вопрос: [2] стр. 421…432;

3 вопрос: [2] стр. 436…447;

4 вопрос: [2] стр. 447…451.

1.Шины расширения: назначение, виды и место в архитектуре

Стандартизованные шины расширения (Expansion Bus) ввода/вывода обеспечивают основу функциональной расширяемости PC-совместимого персонального компьютера, который с самого рождения не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач. Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на платах расширения, постепенно переселяются на системную плату, для настольных компьютеров набор шин расширения ввода/вывода имеет важное значение.

К шинам расширения ввода/вывода, реализованным в виде слотов на системной плате, относятся следующие:

• ISA-8 и ISA-16 - традиционные универсальные слоты подключения периферийных адаптеров, не требующих высоких скоростей обмена (раньше была единственной шиной расширения);

• EISA - дорогая (по стоимости и системной платы, и плат расширения) 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков, и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытесняется шиной РСI, хотя и применяется в серверных платформах, где необходимо установить множество дополнительных плат расширения (системную плату, у которой слотов PCI больше, чем 4, найти довольно трудно, а для шины EISA 6-8 слотов - явление обычное);

• МСА - шина компьютеров PS/2, до сих пор применяемая и в некоторых серверных платформах. Производительность средняя. Адаптеры для шины МСА распространены не широко;

• VLB - быстродействующее 32- (64-) битное расширение (локальная шина процессора), используемое в паре со слотом ISA/EISA, применявшееся в среднем поколении системных плат компьютеров на процессоре 486. Используется для подключения контроллеров дисков, графических адаптеров и контроллеров локальных сетей. С процессорами пятого поколения и старше не применяется;

• PCI - самая распространенная высокопроизводительная 32/64-битная шина, применяемая в компьютерах на процессорах 486 и старше. Используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, видео-, коммуникационных и других адаптеров. На системной плате чаще всего устанавливают 3 или 4 слота PCI. Слот PCI иногда имеет дополнительный маленький слот расширения Media BUS, на который выведены сигналы шины ISA (это позволяет на платы PCI устанавливать и дешевые ISA-устройства, например звуковой канал);

• PC Card, он же PCMCIA - слот расширения блокнотных компьютеров, который, в принципе, может присутствовать и в компьютерах настольного исполнения (встречать на практике не доводилось). Предназначен для обеспечения еще одного уровня совместимости блокнотных и настольных PC.

Кроме шин, реализованных щелевыми разъемами-слотами, имеется ряд шин, в которых устройства соединяются кабелями. К ним относятся следующие:

• SCSI - интерфейсная шина системного уровня, предназначенная для подключения широкого спектра внутренних и внешних периферийных устройств, требующих высокой производительности обмена данными. Системная плата со встроенным SCSI-адаптером имеет разъем одного из типов, принятых для этого интерфейса, который со внутренними и внешними устройствами соединяется обычно ленточным кабелем-шлейфом;

• USB - последовательная шина среднего быстродействия для подключения разнообразных внешних устройств, включая принтеры, сканеры, диски (разные), цифровые акустические системы и многие другие. Системная плата может иметь два порта USB, выведенных на 4-штырьковые разъемы. Внешние разъемы устанавливаются на задней или лицевой панели корпуса компьютера;

• FireWire (он же IEEE 1394) - высокопроизводительная последовательная шина подключения внешних устройств, предназначенная в основном для подключения видеоаппаратуры. С помощью этой же шины возможно и объединение нескольких компьютеров в локальную сеть. Системные платы с этой шиной пока еще редкость.

Кроме шин расширения, современные системные платы могут иметь и вспомогательные шины, используемые для тестирования и передачи конфигурационной информации. К ним относятся следующие:

• JTAG - последовательный интерфейс тестирования, реализованный в большинстве процессоров старших поколений, а также входящий в спецификацию разъема шины PCI;

• I²C - последовательная шина, используемая для передачи конфигурационной информации новых модулей памяти DIMM, а также в цифровом канале связи с монитором (DDC).

Карты расширения (интерфейсные карты) устанавливаются в соответствующие слоты системной платы. Их количество и состав на различных платах варьируется. Типы слотов легко определить визуально, в этом поможет рис. 4.1. На этом рисунке, конечно, присутствие всех типов шин показано условно - реально на системных платах присутствует не более двух-трех типов слотов. Распространенные сочетания: ISA+PCI, ISA+VLB, EISA+PCI, EISA+VLB. Шина МСА обычно держится особняком. Слот «Media BUS», дополняющий слот PCI сигналами шины ISA, применяется, пожалуй, только фирмой ASUSTek.

Рис.4.1

У адаптеров для шины PCI, в отличие от ISA/EISA и VLB, компоненты расположены на левой стороне печатной платы. Для экономии площади печатной платы часто используют так называемый разделяемый слот (Shared Slot). На самом деле это разделяемое окно на задней стенке корпуса, которое может использоваться либо картой ISA, либо картой PCI. Таким образом, максимальное суммарное количество установленных адаптеров ISA и PCI оказывается на единицу меньшим, чем видимое количество слотов на системной плате.

Для низкопрофильных корпусов системные платы имеют всего один слот расширения, в который устанавливается специальная плата-переходник Riser Card. Этот переходник по присоединению обычно специфичен для каждой модели системной платы (а иногда и корпуса), поскольку на его краевой разъем заводятся линии нескольких системных шин (например, ISA+PCI, ISA+VLB). Если Riser Card имеет слоты только шины ISA, он обычно вставляется в стандартный слот ISA-16, что позволяет установить во многие модели корпусов Slim большинство стандартных плат формата Ваbу-АТ. С точки зрения наводок и паразитных емкостей лучше все-таки использовать специальные платы с одним разъемом, чтобы не перегружать шину лишними неиспользуемыми проводниками и разъемами.

Конфигурирование шин расширения предполагает, в основном, настройку их временных параметров.

• Для шины VLB применяется перемычка, управляющая делителем частоты сигнала синхронизации в зависимости от того, превышает ли системная частота значение 33,3 МГц.

• Для шины PCI частота синхронизации определяется частотой системной шины процессора. Кроме того, в BIOS Setup для этой шины могут определяться некоторые ее возможные режимы (см. ниже).

• Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления ISA, но в настоящее время понижение ее производительности не сильно отражается на производительности компьютера в целом.

• Для шин ISA и PCI иногда опциями BIOS Setup приходится распределять системные ресурсы (главным образом, линии запросов прерываний).

Местоположение шин в архитектуре современного компьютера иллюстрирует рис. 4.2.

Рис.4.2

На рисунке не показана еще одна шина - Х-Bus - внутренняя шина системной платы, к которой подключены микросхемы ROM BIOS, контроллера клавиатуры, CMOS-памяти и таймера, контроллеры портов и гибких дисков и прочие 8-битные «мелочи» из состава аксессуаров PC.

Шины расширения системного уровня дают возможность устанавливаемым на них модулям расширения максимально использовать системные ресурсы РС-пространства памяти и ввода/вывода, прерывания, каналы прямого доступа к памяти. За получение этих возможностей разработчикам и изготовителям модулей расширения приходится расплачиваться необходимостью обеспечения точного соответствия протоколам шины, включая и довольно жесткие частотные и нагрузочные параметры, а также временные диаграммы. Отклонения от этих требований могут приводить к проблемам совместимости (точнее, ее отсутствия) с разными системными платами. Если при подключении к внешним интерфейсам эти проблемы приведут к неработоспособности только этого устройства, то некорректное подключение к системной шине может блокировать работу всего компьютера. Кроме того, оказалось, что системных ресурсов PC не так уж и много и самые дефицитные - это линии запросов прерываний. С ocтальными ресурсами тоже бывает напряженность, но ее разрядить легче: области памяти используются не так уж и широко, адресов портов ввода/вывода, в общем, хватает, а каналы прямого доступа можно заменить на активное управление шиной PCI.

Основные характеристики рассматриваемых шин приведены в таблице 4.1.

Развитием шины PCI, нацеленным на дальнейшее повышение производительности обмена, явился порт AGP, специально предназначенный для подключения мощных графических адаптеров.

Таблица 4.1

2. Шины ISA и ее модификации

ISA Bus (Industry Standard Architecture) - шина расширения, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. В компьютерах XT применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса - 20 бит. В компьютерах AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса.

Конструктивно шина выполнена в виде двух щелевых разъемов (слотов) с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма), вид которых изображен на рис 4.3 Подмножество ISA-8 использует только 62-контактный слот (ряды А, В), в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот (ряды С, D).

Рис.4.3

Шина обеспечивает своим абонентам возможность отображения 8- или 16-битных регистров на пространство ввода/вывода и памяти.

Диапазон адресов памяти ограничен областью UMA, но для шины ISA-16 специальными опциями BIOS Setup может быть разрешено и пространство в области между 15-м и 16-м мегабайтом памяти.

Диапазон адресов ввода/вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0 - FFh, зарезервированных под устройства системной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода/вывода, при которой линии адреса А[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h - 3FFh, т.е. всего 758 адресов 8-битных регистров. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h - FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине и старых 10-битных адаптеров, которые «отзовутся» на адрес с подходящими ему битами А[9:0] во всей допустимой области 12-битного адреса четыре раза.

В распоряжении абонентов шины ISA-8 может быть до 6 линий запроса прерываний IRQх;, для ISA-16 их число достигает 11.

Абоненты шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA, а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управление шиной устройством Bus-Master. При этом канал DMA используется для обеспечения арбитража управления шиной, а адаптер Bus-Master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая передать управление шиной процессору не более чем через 15 микросекунд (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

Все перечисленные ресурсы системной шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Бесконфликтность подразумевает следующее:

• каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA. Области адресов для чтения не должны пересекаться. «Подсматривать» не ему адресованные операции записи не возбраняется;

• назначенную линию запроса прерывания IRQx или прямого доступа DRQx абонент должен держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов абонент управлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство.

Задача распределения ресурсов в старых адаптерах решалась с помощью джамперов, затем появились программно конфигурируемые устройства, которые вытесняются автоматически конфигурируемыми платами РnР.

С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме шины EISA.