 |
Тема: Организация шин. Типы шин. Иерархия шин.
|
|
|
|
ЭВМ и периферийные устройства
Лектор: доц. Осмоналиев А.Б.
Лекция 13. (2 часа)
Тема: Организация шин. Типы шин. Иерархия шин.
1. Организация шин
Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между:
• центральным процессором и памятью;
• центральным процессором и модулями ввода/вывода;
• памятью и модулями ввода/вывода.
Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны рис. 13.1.
Рис. 13.1. Информационные потоки в вычислительной машине
С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (рис. 13.2). На начальной стадии преобладали непосредственные связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и особенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее, и их рассмотрению посвящен один из разделов учебника. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.
|
|
|
Рис. 13.2. Эволюция структур взаимосвязей (ЦП - центральный процессор, ПАМ - модуль основной памяти, МВВ - модуль ввода/вывода)
Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.
Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать (рис. 13.3):
• совокупность сигнальных линий;
• физические, механические и электрические характеристики шины;
Рис. 13.3. Параметры, характеризующие шину
• используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;
• правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).
Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.
Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций - транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.
|
|
|
Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства назывют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» - это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных.
Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.
Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.
Здесь рассматрим только общие вопросы, касающиеся организации, функционирования и применения шин, без ориентации на конкретные реализации.
Типы шин
Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:
• шины «процессор-память»;
• шины ввода/вывода;
• системные шины.
Шина «процессор-память»
Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наиболбшей.
|
|
|
Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, вызывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина заднего плана - BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей скоростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.
Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.
Шина ввода/вывода
Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.
Системная шина
С целью снижения стоимости некоторые ВМ имеют общую шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.
|
|
|
Системная, шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы (рис. 13.4): шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.
Рис. 13.4. Структура системной шины
Особенности каждой из этих групп и распределение сигнальных линий подробно рассматриваются позже.
Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен выполнить два действия: получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какойто модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, пошлет данные.
Физически системная шина представляет собой совокупность параллельных электрических проводников. Этими проводниками служат металлические полоски на печатной плате. Шина подводится ко всем модулям, и каждый из них подсоединяется ко всем или некоторым ее линиям. Если ВМ конструктивно выполнена на нескольких платах, то все линии шины выводятся на разъемы, которые затем объединяются проводниками на общем шасси.
Среди стандартизированных системных шин универсальных ВМ наиболее известны шины Unibus, Fastbus, Futurebus, VME,NuBus, Multibus-II. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA.
Иерархия шин
Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность падает, поскольку слишком частая передача прав управления шиной от одного устройства к другому приводит к ощутимым задержкам. По этой причине во многих ВМ предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих определенную иерархию. Сначала рассмотрим ВМ с одной шиной.
|
|
|
