Функциональное устройство компьютерной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

1. Функциональное устройство компьютерной техники. Системные платы архитектуры HyperTransport

Архитектура системной платы (mainboard)

По мере развития компьютеров постоянно расширяются функции чипсета системной платы и изменяются подходы к его построению. В задачу чипсетов для 80286/386 входили увязка шины процессора с относительно несложным контроллером памяти и подключение к этой связке шины (E) ISA, на которой располагались все устройства. Постепенно стала усложняться подсистема памяти -- появился кэш на системной плате, а потом к нему добавился встроенный кэш процессора. Но появилась шина PCI, для которой пришлось строить мост от системной шины. Поначалу ее называли «пристроечной» (mezzanine bus), но вскоре она надолго стала центральной шиной, вокруг которой компоновались все остальные элементы, поскольку шина PCI имела высокую производительность -- 132 Мбайт/с. Традиционно на схемах шину PCI изображают посередине, как экватор. Процессор и память (вместе с кэш-памятью) изображают выше -- «севернее», а шину ISA и все устройства, подключаемые к PCI и ISA, изображают ниже -- «южнее экватора». Соответствующие части чипсета получили укоренившиеся названия северных (north) и южных (south).

Архитектура системной платы прошла путь от шинно-мостовой к хабовой, особняком держится архитектура HyperTransport.

Шинно-мостовая архитектура

В шинно-мостовой архитектуре имеется центральная магистральная шина, к которой остальные компоненты подключаются через мосты. В роли центральной магистрали сначала выступала шина (E)ISA, затем ее сменила шина PCI. Шинно-мостовая архитектура чипсетов просуществовала долгое время и пережила много поколений процессоров (от 2-го до 7-го). Перемещение вторичного кэша с системной платы на процессор (Р6 и Pentium 4 у Intel и К7 у AMD) несколько упростило северную часть чипсета -- в ней не надо управлять статической кэш-памятью, а остается лишь обеспечивать когерентность процессорного кэша с основной памятью, доступ к которой возможен и со стороны шины PCI.

Шина PCI в роли главной магистрали удержалась недолго: видеокартам с 3D-акселератором ее пропускной способности, разделяемой между всеми устройствами,оказалось недостаточно.

Рис. 1.1 Шинно-мостовая архитектура на примере AMD-760

Тогда и появился порт AGP как выделенный мощный интерфейс между графическим акселератором и памятью (а также процессором). При этом задачи северного моста усложнились: контроллеру памяти приходится работать уже на три фронта -- ему посылают запросы процессор (ы), мастера шины PCI (и ISA, но тоже через PCI) и порт AGP. Пропускная способность AGP в режиме 2х/4х/8х составляет 533/1066/2133 Мбайт/с, так что шина PCI по производительности стала уже второстепенной. Однако в шинно-мостовой архитектуре она сохраняет свою роль магистрали подключения всех периферийных устройств (кроме графических). В качестве мощного представителя шинно-мостовой архитектуры можно рассматривать чипсет AMD-760 (рис. 1). Здесь имеются первичная шина PCI на 64 бит и 66 МГц, являющаяся «экватором», и вторичная шина для подключения рядовой периферии.

Шина, к которой подключается множество устройств, является узким местом по ряду причин. Во-первых, из-за большого числа устройств, подключенных (электрически) к шине, не удается поднять тактовую частоту до уровня, достижимого в двухточечных соединениях. Во-вторых, шина, к которой подключается множество разнотипных устройств (особенно расположенных на картах расширения), обременена грузом обратной совместимости со старыми периферийными устройствами. Например, предусмотренные возможности повышения производительности PCI используются не всегда: расширение разрядности до 64 бит обходится слишком дорого (большое число проводников порождает свои проблемы), а повышение частоты до 66 МГц для шины возможно лишь, если все ее абоненты поддерживают эту частоту. Достаточно установить одну «простую» карту PCI, и производительность центральной шины падает до начальных 133 Мбайт/с.

Хабовая архитектура

С введением высокоскоростных режимов UltraDMA (ATA/66, ATA/100 и ATА/133) связь двухканального контроллера IDE с памятью через шину PCI стала сильно нагружать эту шину. Кроме того, появились высокоскоростные интерфейсы Gigabit Ethernet, FireWire (100/200/400/800 Мбит/с) и USB 2.0 (480 Мбит/с). Ответом стал переход на хабовую архитектуру чипсета. В данном контексте хабы -- это специализированные микросхемы, обеспечивающие передачу данных между своими внешними интерфейсами. Этими

Рис. 1.2 Хабовая архитектура на примере чипсета Intel с ICH-6

интерфейсами являются «прикладные» интерфейсы подключения процессоров, модулей памяти, шин расширения и периферийные интерфейсы (ATA, SATA, USB, FireWire, Ethernet). Поскольку к одной микросхеме все эти интерфейсы не подключить (слишком сложна структура и много требуется выводов), чипсет строится, как правило, из пары основных хабов (северного и южного), связанных между собой высокопроизводительным каналом.

Северный хаб чипсета выполняет те же функции, что и северный мост шинно-мостовой архитектуры: он связывает шины процессора, памяти и порта AGP. Однако на южной стороне этого хаба находится уже не шина PCI, а высокопроизводительный интерфейс связи с южным хабом (рис. 6.2). Пропускная способность этого интерфейса составляет 266 Мбайт/с и выше, в зависимости от чипсета. Если чипсет имеет интегрированную графику, то в северный хаб входит и графический контроллер со всеми своими интерфейсами (аналоговыми и цифровыми интерфейсами дисплея, шиной локальной памяти). Чипсеты с интегрированным графическим контроллером могут иметь внешний порт AGP, который становится доступным при отключении встроенного графического контроллера. Есть чипсеты, у которых порт AGP является чисто внутренним средством соединения встроенного контроллера, и внешний графический контроллер к ним может подключаться только по шине PCI.

С появлением PCI-E архитектура не слишком изменилась: северный хаб (мост) вместо порта AGP теперь предлагает высокопроизводительный (8х или 16х) порт, а то и пару портов PCI-E для подключения графического адаптера. Маломощные (1х) порты PCI-E могут предоставляться как северным, так и южным хабами (это решает разработчик чипсета). Использования PCI-E как единой коммуникационной базы внутри чипсета пока не наблюдается.

Северные мосты и хабы

Северный хаб (как и мост) определяет основные возможности системной платы:

- Поддерживаемые процессоры -- типы, частоты системной шины, возможности мультипроцессорных или избыточных конфигураций. Типы процессоров определяются протоколами системной шины.

- Типы памяти и частота работы шины памяти (На системных платах для процессоров со встроенным контроллером памяти характеристики памяти (тип, число каналов, частоту) задает процессор).

- Максимальный объем памяти.

- Число каналов памяти -- один, два канала.

- Возможность и эффективность применения разнородной памяти.

- Поддержка контроля достоверности памяти и исправления ошибок (ЕСС).

- Возможности системы управления энергопотреблением (ACPI или АРМ) -- реализуемые энергосберегающие режимы процессора и памяти, управление производительностью, SMM.

Южные мосты и хабы

Южный хаб чипсета обеспечивает подключение шин PCI, PCI-X и «маломощных» портов PCI-E, АТА (2 канала), SATA, USB, FireWire, а также контроллеров ввода-вывода, памяти CMOS и флэш-памяти с системным модулем BIOS. В южной части располагаются таймер (8254), контроллер прерываний (APIC), контроллер DMA. Если в чипсет интегрирован звук, то южный хаб (мост) имеет контроллер интерфейса AC-Link или HDA Link для подключения аудиокодека, а то и сам аудиокодек. Для контроллеров ввода-вывода, ввели новый интерфейс LPC (Low Pin Count).

Флэш-память для хранения системной памяти BIOS стали помещать в специальный хаб (firmware hub), соединяемый с южным хабом отдельной шиной (аналогичной LPC). Флэш-память может подключаться и прямо к шине LPC. Для обслуживания процессоров, имеющих дополнительную сервисную шину SMBus, хаб может иметь последовательный интерфейс I2C для чтения идентификаторов модулей памяти.

В южный хаб интегрированных чипсетов вводят и контроллер локальной сети (как правило, Ethernet).

Архитектура HyperTransport

Технология (архитектура) HyperTransport (HT) задумывалась как альтернатива шинно-мостовой архитектуре системных плат. Технология разработана компаниями AMD, Apple Computers, Broadcom, Cisco Systems, NVIDIA, PMC-Sierra, SGI, SiPackets, Sun Microsystems, Transmeta. Первый релиз вышел в 2001 году, в 2003-м -- версия 1.10. Прежнее кодовое название -- LDT (Lighting Data Transport).

Основная идея НТ -- замена шинного соединения компонентов (периферийных устройств) системой двухточечных встречно направленных соединений. При этом достижима более высокая тактовая частота интерфейсов, что обеспечивает их более высокую (по сравнению с шиной) пропускную способность. Структурная схема компьютера архитектуры НТ приведена на рис. 6.3. Главный мост (host bridge) обеспечивает связь НТ с ядром -- процессором и памятью. Периферийные контроллеры, требующие высокой пропускной способности, реализуются в виде НТ-туннелей. В архитектуре предусматривается и мостовая связь с шиной PCI.

Архитектура НТ обеспечивает все типы транзакций процессоров и устройств PCI, PCI-X и AGP, используемые в PC. Транзакции выполняются в виде серий передач пакетов различных типов. Транзакции выполняются расщепленным способом: инициатор посылает пакет-запрос и данные для транзакции записи, целевое устройство посылает пакет-ответ и данные для транзакций чтения.



Рис. 1.3 Архитектура HyperTransport

Сигнализация прерываний в НТ реализуется тоже пакетами: устройство посылает сообщение -- выполняет транзакцию записи по адресу, указанному ему при конфигурировании. Обработчик прерывания посылает сообщение о завершении обработки прерывания (End Of Interrupt, EOI), делая запись по другому адресу, связанному с данным устройством. Такой механизм сигнализации запросов и подтверждений позволяет преодолеть неэффективность традиционного для PC механизма прерываний с помощью специальных линий IRQ.

Архитектура НТ основана на двусторонней пакетной передаче данных между парой устройств. Устройство НТ может выступать в роли инициатора или/и целевого устройства транзакций. По топологическим свойствам различают несколько типов устройств НТ:

- Туннель (tunnel) -- устройство с двумя интерфейсами НТ; такие устройства могут собираться в цепочку (daisy chain), образующую логическую шину. Цепочка подключается к хосту (процессору с главным мостом), отвечающему за конфигурирование всех устройств и управляющему работой НТ.

- Мост (bridge) -- устройство, соединяющее одну логически первичную шину (подключенную к хосту) с одной или несколькими логически вторичными шинами (цепочками). Мост имеет набор регистров, информация которых позволяет управлять распространением транзакций между этими шинами (аналогично мосту PCI).

- Коммутатор (switch) -- устройство с несколькими интерефейсами НТ, по структуре аналогичное нескольким мостам PCI, подключенным к одной (внутренней) шине.

- Тупик, или пещера (cave) -- устройство с одним интерфейсом НТ.

Хост (host) -- это «хозяин шины», подключающийся к ней через главный мост и выполняющий функции конфигурирования (аналогично и совместимо с PCI). Основной вариант топологии -- цепочка устройств-туннелей, подключенная к хосту. Каждый интерфейс НТ состоит из двух независимых частей: передатчика и приемника. Каждому устройству при конфигурировании выделяются свои области в адресном пространстве. В цепочке устройства-туннели транслируют пакеты сверху вниз (нисходящий трафик) и снизу вверх (восходящий). Если в нисходящем управляющем пакете устройство обнаруживает свой адрес, оно «понимает», что обращаются к нему, и принимает соответствующую информацию (управляющие пакеты и данные). Восходящий трафик туннель транслирует «вслепую». На полученные запросы устройство отвечает посылкой пакетов вверх, включая их в транслируемый восходящий трафик. Таким образом, обеспечивается программное взаимодействие процессора с устройствами. Собственные запросы на доступ к памяти устройство посылает тоже вверх, как и запросы (обращения) к другим устройствам (независимо от положения целевого устройства -- выше или ниже в цепочке). Доставку пакета адресату обеспечивает главный мост: он разворачивает пакет, принятый из цепочки (адресованный не к ОЗУ), и посылает его вниз -- так организуется одноранговое взаимодействие. На пакет, адресованный к ОЗУ, главный мост организует ответ от контроллера памяти, реализуя, таким образом, прямой доступ к памяти.

Возможны и более сложные топологии, например дерево (с мостами), позволяющее подключать больше тупиковых устройств.

Технология HyperTransport предназначена для соединения компонентов компьютеров и коммуникационной аппаратуры, но только в пределах платы -- слоты и карты расширения технологией НТ не рассматриваются. Для передачи информации используются два встречных однонаправленных набора высокоскоростных сигналов.

Сигналы передаются по дифференциальным парам проводов с импедансом 100 Ом, сигналы -- LVDS (низковольтные дифференциальные, уровень 1,2 В). Частота синхронизации 200, 300, 400, 500, 600, 800 и даже 1000 МГц обеспечивает физическую скорость передачи 400, 600, 800, 1000, 1200, 1600 и 2000 МТ/с (миллионов передач в секунду), что при самых больших разрядности (32 бит) и частоте обеспечивает пиковую скорость передачи данных до 8 Гбайт/с. В первой версии предельная частота была 800 МГц, что давало скорость 6,4 Гбайт/с. Поскольку пакеты могут передаваться одновременно в обоих направлениях, можно говорить о суммарной пропускной способности 12,8 или 16 Гбайт/с.

По замыслу разработчиков, НТ должна стать архитектурой построения PC, однако пока что используется лишь технология НТ. В вышеприведенном примере главный мост реализует интерфейс AGP. В 64-битных процессорах AMD, в которых применяется НТ, главный мост размещается в самом процессоре. При этом у процессора оказывается два интерфейса: интерфейс памяти (пока что DDR SDRAM) и НТ в качестве системной шины. В распространенных чипсетах (от VIA, SiS) к интерфейсу НТ подключается только северный хаб, обеспечивающий лишь интерфейс подключения графического адаптера -- AGP или PCI-E. Южный хаб соединяется с северным собственным интерфейсом, так что использования НТ как универсальной транспортной структуры для множества компонентов пока не наблюдается.

В следующих главах мы подробнее расскажем об основных составных элементах, которые находятся на материнской плате.

2. Шины

Как уже отмечалось, совокупность линий (проводников на системной плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства PC (рис. 2.1), называются шиной (Bus).

Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами.

Рис. 2.1 Схематическое представление шины

Обычно шина имеет места для подключения внешних устройств, которые в результате сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Различают параллельные и последовательные шины.

Рассмотрим параллельные шины.

Линии параллельной шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемых данных:

Линии данных (шина данных)

Линии адреса (шина адреса)

Линии управления (шина управления)

Наличие трех групп линий является отличительным признаком шины от других систем соединения.

Различают много разновидностей шин и их работу обеспечивает соответствующий контроллер.

Назначение линий шины.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие ее свойства -- возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними.

Архитектура любой шины включает следующие компоненты:

Линии для обмена данными (шины данных)

Линии для адресации данных (шины адреса)

Линии для управления данными (шины управления)

Контроллер шины

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо интегрируется в микросхемы Chipset.

Шина данных.

По этой шине происходит обмен данными между CPU, памятью и периферийными устройствами. Особую роль при этом играет так называемый режим DMA (Direct Memory Access). Управление обменом данными в этом режиме осуществляется соответствующим контроллером, минуя CPU. DMA-контроллер, реализованный ранее на отдельной микросхеме, в настоящее время интегрируется в одну из микросхем Chipset.

Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и выше производительность PC. Компьютеры с процессором 80286 имели 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 -- 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium имеют уже 64-разрядную шину данных.

Шина адреса.

Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент PC, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. Для адресации к какому-либо устройству PC и служит шина адреса, по которой передается уникальный идентификационный код (адрес).

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных -- RAM, при этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и, тем самым, от максимально возможного количества адресов, генерируемых процессором на адресной шине, иными словами, от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Очевидно, что количество ячеек RAM не должно превышать 2n, где n -- разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним. В двоичной системе счисления выражение для определения максимально адресуемого объема памяти выглядит следующим образом:

Объем адресуемой памяти = 2n

n -- число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (220 - 1048576 байт = 1024Кбайт). В PC с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а современные процессоры Pentium имеют уже 36-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 64 Гбайт физической памяти.

Шина управления.

Для успешной передачи данных недостаточно установить их на шине данных и задать адрес на шине адреса. Для того чтобы данные были записаны (считаны) в регистры устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера DMA и др. Все эти сигналы передаются по шине управления.

Основные характеристики шины.

Разрядность шины.

Важнейшей характеристикой шины является разрядность шины (иногда говорят ширина шины), которая определяется количеством данных, параллельно "проходящих" через нее.

Примечание.

Здесь и далее под разрядностью шины понимается разрядность шины данных.

Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать лишь 8 бит. Шина ISA -- 16-разрядная, а шины ввода/вывода VLB и PCI -- 32-разрядные. Системные шины современных PC на базе процессоров последнего поколения -- 64-разрядные.

Пропускная способность шины.

Второй характеристикой шины является пропускная способность, которая определяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так:

(16 бит х 8,33 МГц) : 8 = (133,28 Мбит/с) : 8 = 16,66 Мбайт/с.

Отметим, что при расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в 2 раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в 2 (режим 2х) или в 4 (режим 4х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее количество раз (до 133 и 266 МГц соответственно). В табл. 2.1 представлены характеристики некоторых шин.

Таблица 2.1 Характеристики шин

Шина	Разрядность, бит	Тактовая частота, МГц	Пропускная способность, Мбайт/с
ISA 8-разрядная	08	8,33	0008,33
ISA 16-разрядная	16	8,33	0016,6
EISA	32	8,33	0033,3
VLB	32	33	0132,3
PCI	32	33	0132,3
PCI 2.1 64-разрядная	64	66	0528,3
AGP (1x)	32	66	0262,6
AGP (2x)	32	66x2	0528,3
AGP (4x)	32	66x4	1056,6
AGP (8x)	32	266x8	~2Гбайт/с

Интерфейс.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом (Interface- Сопряжение) периферийного устройства PC понимают устройство, которое обеспечивает организацию обмена информацией между периферийным устройством и шинной к которой подключен. Интерфейс включает в себе электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. При этом обмен данными между компонентами PC возможен только в случае совместимости их интерфейсов.

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов PC, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать периферийные различные устройства. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигается за счет введения стандартных промежуточных интерфейсов, таких как интерфейсы последовательной и параллельной передачи данных, являющиеся необходимыми для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

3. Паралельные шины

Паралельные шины необходимы для обеспечения высоких скоростей обмена данными, с которыми последовательные шины пока не могут конкурировать. К ним относятся системные шинны, шинны PCI, AGP, ATA, SCSI и др.

Шина ISA

Шина ISA долгие годы являлась стандартом в области PC (Industry Standart Ahitecture, ISA -- Промышленная стандартная архитектура) и считается самой "старой" в семействе шин.

8-разрядные шины

Родоначальником в семействе шин ISA была 8-разрядная шина (8 Bit ISA Bus), которая использовалась в компьютерах класса XT.

Как известно, пропускная способность шины определяет производительность всей системы. Очевидно, что при этой разрядности и тактовой частоте 4,77 МГц пропускная способность шины очень низкая.

16-разрядная шина

Если вы посмотрите на слот 16-разрядной шины, обозначаемой иногда AT BUS, то увидите, что он состоит из двух частей, одна из которых в точности соответствует слоту 8-разрядной шины ISA, а на контакты второй выведены линии для дополнительных адресов ввода/вывода, прерываний и каналов DMA.

Основная проблема шины ISA была в том, что при оптимальной тактовой частоте процессоров 80386 и 80486 она не могла передавать данные по шине с той же скоростью, с какой их обрабатывает CPU. Поэтому процессор в ожидании данных вынужден простаивать (цикл ожидания). Это и явилось причиной появления шин других стандартов.

Шина MCA

Снижение производительности системы из-за низкой тактовой частоты шины привело к появлению так называемой шины микроканал (MicroChannel). Эта шина была разработана фирмой IBM в 1987 г. и установлена в компьютерах IBM класса PS/2.

Отличительной чертой этой шины явилась повышенная пропускная способность (до 20 Мбайт/с) за счет увеличения тактовой частоты до 10 МГц и разрядности до 32 бит.

Шина МСА являлась "интеллектуальной" -- не было необходимости вручную конфигурировать внешние устройства, установленные в слоты расширения МСА.

Однако архитектура MicroChannel не нашла широкого распространения. Причины здесь очевидны. Повышение производительности шины достигалось за счет полной несовместимости с шиной ISA: при переходе к использованию шины МСА нужно было заменить не только материнскую плату, но и карты расширения.

Шина EISA

Необходимость повышения производительности системы наряду с обеспечением совместимости ее компонентов привела к дальнейшему развитию шины ISA.

Под руководством ведущих изготовителей аппаратного обеспечения (Epson, Hewlett-Packard, NEC, Compaq и Wyse) появилась расширенная (Extended) версия шины ISA -- EISA.

Хотелось бы отметить следующие достоинства шины EISA.

Слот EISA полностью совместим со слотом ISA. Это достигается благодаря "двухэтажной" конструкции слота. На "первом этаже" расположены контакты, соответствующие контактам слота ISA, а на "втором этаже" находятся контакты EISA. Поэтому в слоты шины EISA можно устанавливать карты ISA, в связи с чем при переходе на новую шину нет необходимости менять сразу все карты расширения.

Шина EISA является 32-разрядной, т.е. все 32 линии данных CPU выведены на слот, что делает возможным использование соответствующих карт (сетевых, графических, жесткого диска), которые больше не тормозятся шиной ISA. Хотя шина работает с частотой 8,33 МГц, повышение ее разрядности до 32 бит дает максимальную скорость передачи данных 33 Мбайт/с.

Как и МСА, шина EISA -- интеллектуальная, т.е. конфигурация карт расширения происходит не аппаратно, с помощью DIP-переключателей и джамперов, а программно.

Так как расположение контактов слота ISA полностью совместимо с расположением контактов слота EISA, получается, что "первый этаж" разъема остался без изменения. Для предотвращения электрического контакта разъема карт ISA с контактами "второго этажа" слота EISA установлена заглушка (рис. 3.3). Карты EISA в данном месте имеют прорезь.

Шина EISA не получила широкого распространения по причине высокой стоимости и отсутствия в достаточном количестве карт расширения EISA. Кроме того, ее пропускная способность была ниже пропускной способности появившейся в 1992 г. локальной шины VESA.



Рис. 3.3 Конструкция контакта слота EISA

Шина VESA

Для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами были разработаны локальные шины VESA, PCI и др.

Локальная шина VESA, или VLB (VESA Local Bus), разработана Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (Video Electronics Standart Assotiation), VESA, основанной в начале 80-х годов.

Необходимость создания VLB была вызвана тем, что передача видеоданных по шине ISA происходит слишком медленно.

Локальная шина VESA представляет собой не новое устройство на материнской плате, а, скорее, расширение шины ISA для обмена видеоданными.

Обмен информацией с CPU осуществляется под управлением контроллером, расположенных на картах, устанавливаемых в слот VLB, напрямую в обход стандартной шины ввода/вывода. Шина VLB являлась 32-разрядной и работала на тактовой частоте процессора.

Системные шины

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU и другими устройствами, входящими в систему.

Шины GTL+ и EV6.

Системная шина GTL+ (Р6) является каналом взаимодействия CPU и Chipset, была разработана корпорацией Intel для процессоров шестого поколения. Разрядность шины -- 64 бита, а тактовая частота -- 66, 100 и 133 МГц. Пропускная способность шины составляет 528, 800 и 1,06 Мбайт/с соответственно. На шине GTL+ "висят" CPU, модули оперативной памяти, шина PCI и AGP (при их наличии в системе).

Шина EV6 разработана компанией Digital Equipment для CPU Alpha 21264. В мире PC она используется корпорацией AMD для систем с CPU K-7. Ниже перечислены основные ее отличия от шины GTL+.

Передача информации осуществляется на обоих фронтах сигнала, что позволяет вдвое увеличить пропускную способность шины. Спецификация шины позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Современная шина AGTL+ использует тактовую частоту 200, 266 МГц.

Шина PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) local bus - шина соединения периферийных компонентов. Шина разрабатывалась в расчете на Pentium. Первая версия РСI 1.0 появилась в 1992 году. В РСI 2.0 (1993 г.) введена спецификация коннекторов и карт расширения. В версии 2.1 (1995 г.) введена частота 66 МГц. В настоящее время действует спецификация PCI 2.2 (декабрь 1998 г.), которая уточняет и разъясняет некоторые положения предшествующей версии 2.1. Данное описание основано на тексте стандарта «PCI Local Bus Specification. Revision 2.2» от 18.12.1998, опубликованном организацией PCI SIG (Special Interest Group).

Шина PCI соединяется с системной шиной процессора высокопроизводительным мостом («северным»), входящим в состав чипсета. Остальные шины расширения подключаются к шине PCI через «южный» мост.

Шина является синхронной -- фиксация всех сигналов выполняется по положительному перепаду (фронту) сигнала CLK. Номинальной частотой синхронизации считается 33 МГц. Начиная с версии 2.1, допускается повышение частоты до 66 МГц при согласии всех устройств на шине.

Номинальная разрядность шины данных -- 32 бита, спецификация определяет и расширение разрядности до 64 бит. При частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32-битной шины и 264 Мбайт/с для 64-битной; при частоте синхронизации 66 МГц -- 264 и 528 Мбайт/с соответственно. Однако эти пиковые значения достигаются лишь во время передачи пакета, а из-за протокольных накладных расходов реальная средняя суммарная (для всех задатчиков) пропускная способность шины будет ниже.

Понятия каналов DMA для шины PCI нет, но агент шины может сам выступать в роли задатчика, поддерживая высокопроизводительный обмен с памятью (и не только), не занимая ресурсов центрального процессора. Таким образом, к примеру, может быть реализован обмен в режиме DMA с устройствами IDE, подключенными к контролеру PCI IDE.

Устройством PCI называется микросхема или карта расширения, использующая для идентификации выделенную ей линию IDSEL. Устройство может быть многофункциональным, то есть состоять из множества так называемых функций. Каждой функции отводится конфигурационное пространство в 256 байт (Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 регистров (8-битных), не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода). Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write. Номер функции (function number), к которой производится обращение в конфигурационных транзакциях, передается по линиям AD[10:8] (младшие линии требуются для адресации регистров внутри конфигурационного пространства). Таким образом, устройство может содержать до 8 функций. Простые (однофункциональные) устройства, в зависимости от реализации, могут отзываться либо на любой номер функции (игнорировать значение AD[10:8] в конфигурационном цикле), либо только на номер функции 0. Многофункциональные устройства должны отзываться только на конфигурационные циклы с номерами функций, для которых имеется конфигурационное пространство. При этом функция с номером 0 должна быть обязательно, номера остальных функций назначаются произвольно.

На одной шине PCI может присутствовать несколько устройств, каждое из которых имеет свой номер устройства (device number). И, наконец, в системе может присутствовать несколько шин PCI, каждая из которых имеет свой номер шины (PCI bus number). Шины нумеруются последовательно; шина, подключенная к главному мосту, имеет нулевой номер.

Протокол шины PCI

В каждой транзакции (обмене по шине) участвуют два устройства -- инициатор обмена (Initiator или Master, инициирующее устройство, ИУ) и целевое устройство (Target или Slave, ЦУ).

Шина PCI все транзакции трактует как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных.

В каждый момент времени шиной может управлять только один мастер, получивший на это право от арбитра. Каждый мастер имеет пару сигналов -- REQ# (Request -- запрос от PCI-мастeра на захват шины) для запроса на управление шиной и GNT# (Grant -- предоставление мастеру управления шиной) для подтверждения предоставления управления шиной. Устройство может начинать транзакцию (устанавливать сигнал FRAME# (FRAME# - Кадр)) только при активном полученном сигнале GNT#. Введением сигнала отмечается начало транзакции (фаза адреса), снятие сигнала указывает на то, что последующий цикл передачи данных является последним в транзакции. Снятие сигнала GNT# не позволяет устройству начать следующую транзакцию, а при определенных условиях (см. ниже) заставляет прекратить начатую транзакцию. Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный узел, входящий в чипсет системной платы. Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный) определяется программированием арбитра.

Для адреса и данных используются общие мультиплексированные линии АD. Четыре мультиплексированные линии С/ВЕ[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных. В начале транзакции ИУ активизирует сигнал FRAME#, по шине AD передает целевой адрес, а по линиям С/ВЕ# -- информацию о типе транзакции (команде). Адресованное ЦУ отзывается сигналом DEVSEL#, после чего ИУ может указать на свою готовность к обмену данными сигналом IRDY#. Когда к обмену данными будет готово и ЦУ, оно установит сигнал TRDY#. Данные по шине AD могут передаваться только при одновременном наличии сигналов IRDY# и TRDY#. С помощью этих сигналов ИУ и ЦУ согласуют свои скорости, вводя такты ожидания. На рис. 3.6 приведена временная диаграмма обмена, в которой и ИУ, и ЦУ вводят такты ожидания. Если бы они оба ввели сигналы готовности в конце фазы адреса и не снимали их до конца обмена, то в каждом такте после фазы адреса передавались бы по 32 бита данных, что обеспечило бы выход на предельную производительность обмена.

Рис. 3.6 Цикл обмена на шине PCI

Каждая транзакция на шине должна быть завершена планово или прекращена, при этом шина должна перейти в состояние покоя (сигналы FRAME# и IRDY# пассивны). Завершение транзакции выполняется либо по инициативе мастера, либо по инициативе ЦУ.

Количество фаз (циклов) данных в пакете заранее не определено, но перед последним циклом ИУ при введенном сигнале IRDY# снимает сигнал FRAME#. После последней фазы данных ИУ снимает сигнал IRDY#, и шина переходит в состояние покоя (PCIIdle) -- оба сигнала FRAME# и IRDY# находятся в пассивном состоянии.

Работа шины контролируется несколькими таймерами, не позволяющими попусту расходовать такты шины и обеспечивающими планирование распределения полосы пропускания.

Каждое ЦУ должно достаточно быстро отвечать на адресованную ему транзакцию. Задержка первой фазы данных не должна превышать 16 тактов шины. Кроме того, ЦУ имеет инкрементный механизм слежения за длительностью циклов (Incremental Latency Mechanism), который не позволяет интервалу между соседними фазами данных в пакете (target subsequent latency) превышать 8 тактов шины.

Инициатор тоже не должен задерживать поток -- не задерживать фазы данных. Каждый мастер, способный сформировать пакет с более чем двумя фазами данных, должен иметь собственный программируемый таймер задержки (Latency Timer), регулирующий поведение мастера, когда у него отбирают право управления шиной. В зависимости от исполняемой команды и состояния сигналов мастер должен либо сократить транзакцию, либо продолжать ее до запланированного завершения.

При конфигурировании устройства-мастеры сообщают свои потребности, указывая максимально допустимую задержку предоставления доступа к шине (Max_Lat) и минимальное время, на которое им должно предоставляться управление шиной (Min_GNT). Эти потребности определяются присущим устройству темпом передачи данных и его организацией.

В каждой команде шины указывается адрес данных, передаваемых в первой фазе данных пакета. Адрес для каждой последующей фазы данных пакета увеличивается на 4 (следующее двойное слово). Байты шины AD, несущие действительную информацию, выбираются сигналами С/ВЕ[3:0]# в фазах данных.

Команды шины PCI определяются значениями бит С/ВЕ# в фазе адреса.

Команда подтверждения прерывания служит для передачи вектора от контроллера прерываний (0000 - Interrupt Acknowledge - подтверждение прерывания)

Специальный цикл предназначен для генерации широковещательных сообщений -- их могут читать любые «заинтересованные» агенты шины.

Команды чтения и записи ввода-вывода служат для обращения к пространству портов. Для адресации портов на шине PCI доступны все 32 бита адреса, но процессоры х86 могут использовать только младшие 16 бит.

Команды обращения к памяти кроме обычного чтения и записи включают чтение строк кэш-памяти, множественное чтение (нескольких строк), запись с инвалидацией.

Команды конфигурационного чтения и записи адресуются к конфигурационному пространству устройств. Для генерации данных команд используется специальный аппаратно-программный механизм

Двухадресный цикл позволяет по 32-битной шине обращаться к устройствам с 64-битной адресацией.

Для соединения шины PCI с другими шинами и между собой применяются специальные аппаратные средства -- мосты PCI (PCI Bridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (системной памяти и процессору), одноранговый мост (Peer-to-Peer Bridge) -- для соединения двух шин PCI.

Соединения нескольких шин PCI характерно для серверов - таким образом, увеличивают число подключаемых устройств. Мосты образуют иерархию шин, на вершине которой находится главная шина с нулевым номером. Главный мост чипсета системной платы может соединять процессор и память, с несколькими равноранговыми шинами PCI, из которых условно главной будет шина с нулевым номером. Мосты выполняют преобразование интерфейсов соединяемых ими шин, синхронизацию и буферизацию обменов данных. Мосты (включая и мосты PCI-PCI) допускают различие частот синхронизации на соединяемых ими шинах.

Каждый мост программируется - ему указываются диапазоны адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, отведенные устройствам его шин. Если адрес ЦУ текущей транзакции на одной шине (стороне) моста относится к шине противоположной стороны, мост перенаправляет транзакцию на соответствующую шину и обеспечивает согласование протоколов шин. Таким образом, совокупность мостов PCI выполняет маршрутизацию (routing) обращений по связанным шинам. Считается, что устройство с конкретным адресом может присутствовать только на одной из шин, а на какой именно, «знают» запрограммированные мосты.

Важной особенностью шины PCI является то, что в ней реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор освобождается для выполнения других задач, пока происходит передача данных.

Применительно к устройствам IDE (например, винчестер, CD-ROM) Bus Mastering IDE означает наличие определенных схем на материнской плате, позволяющих осуществлять передачу данных с жесткого диска в обход CPU. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных систем типа Windows, OS/2.

Основное преимущество PCI-технологии заключается в относительной независимости отдельных компонентов системы. В соответствии с концепцией PCI, передачей пакета данных управляет не CPU, а включенный между ним и шиной PCI мост (Host Bridge Cashe/DRAM Controller).

В соответствии со спецификацией PCI 5.0 ширина шины увеличена до 64 разрядов, слоты PCI имеют дополнительные контакты, на которые подается напряжение 3,3 В. Система PCI использует принцип временного мультиплексирования, т.е. когда для передачи данных и адресов применяются одни и те же линии.

Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т.е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug&Play, разработанной корпорацией Intel.

4. Видеосистема

В первые годы существования PC его видеосистемой называли средства вывода текстовой или графической информации на какой-либо экран. В качестве оконечного устройства чаще всего использовали (и продолжают использовать) мониторы с электронно-лучевыми трубками. Адаптеры, позволяющие подключать монитор к шине компьютера, называли видеоадаптерами и подразделяли на алфавитно-цифровые и графические. Последние, естественно, кроме графической, позволяли выводить и текстовую информацию. Вся выводимая информация формировалась в результате действия и под управлением системных и прикладных программ.

Далее, появилась необходимость воспроизведения и обработки движущихся телевизионных изображений -- так называемого «живого видео». Так назрела необходимость корректировки терминологии. Видеосистема современного компьютера состоит из обязательной графической (формирующей изображение программно) и дополнительной подсистемы обработки видеоизображений. Обе эти составляющие части обычно используют общий монитор, а соответствующие аппаратные средства системного блока могут объединяться на одном комбинированном адаптере, который можно назвать адаптером дисплея (Display Adapter).

Графический адаптер служит для программного формирования графических и текстовых изображений и является промежуточным элементом между монитором и шиной компьютера. Изображение строится по программе, исполняемой центральным процессором, в чем ему могут помогать графические акселераторы и сопроцессоры. В BIOS имеется поддержка функций формирования текстовых и графических изображений, называемая видеосервисом. (BIOS Int 10h). В монитор адаптер посылает сигналы управления яркостью лучей RGB (Red, Green, Blue -- красный, зеленый и синий -- базисные цвета) и синхросигналы строчной и кадровой разверток. Кроме этих сигналов, относящихся только к формированию изображения, интерфейс с монитором может содержать и сигналы обмена конфигурационной информацией между монитором и компьютером. Так, например, РnР-мониторы при наличии соответствующей поддержки адаптером способны сообщать системе свои параметры (модель и параметры синхронизации).

Средства работы с видеоизображениями, передаваемыми в стандартах PAL, SECAM или NTSC, относятся уже к мультимедийному оборудованию. От программно-управляемых графических средств они отличаются тем, что оперируют с «живым» изображением, поступающим в компьютер извне (с видеокамеры, TV-тюнера) или воспроизводимым с какого-либо носителя информации (например, CD-ROM или DVD).

Стандартизацией в области видеосистем занимается международная организация VESA (Video Electronic Standard Association -- ассоциация по стандартизации в области видеоэлектроники, доступная по адресу http://www.vesa.org).

Принципы вывода изображений

Видеосистема PC ориентирована на растровый метод вывода изображения. Растровый метод подразумевает, что некий рисующий инструмент, способный оставлять видимый след, сканирует всю поверхность, на которую выводится изображение. Траектория движения инструмента постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать отдельные точки траектории. Видимым изображением являются оставленные им точки. В случае видеомонитора инструментом является модулированный луч (или три луча базисных цветов), построчно сканирующий экран и вызывающий свечение люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность экрана. Каждая строка растра разбивается на некоторое количество точек - пикселов (Pixel -- сокращение от Picture Element - элемент изображения), засветкой каждой из которых по отдельности может управлять устройство, формирующее изображение (например, графическая карта). Видеомонитор является растровым устройством вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует экран с частотой, которая не должна позволять глазу видеть мерцание изображения. Матричные дисплеи, применяемые в блокнотных ПК, также относятся к растровым устройствам. Растровыми устройствами вывода статических изображений являются принтеры, в которых сканирование листа производится однократно (хотя возможны и многократные проходы).

Альтернатива растровым устройствам -- векторные устройства вывода изображений. В этих устройствах инструмент прорисовывает только изображаемые фигуры и его траектория движения определяется выводимым изображением. Изображение состоит из графических примитивов, которыми могут быть отрезки прямых - векторы (откуда и название метода вывода), дуги, окружности. К векторным устройствам вывода статических изображений относятся перьевые плоттеры. Существовали (а, может, где-то используются и сейчас) и векторные мониторы, однако ввиду сложности построения системы управления лучом, обеспечивающей быстрое и точное движение луча по сложной траектории, эта линия угасла. Рассмотрим растровую систему вывода изображений, подразумевая в качестве оконечного устройства монитор с электронно-лучевой трубкой -- CRT (Catode Ray Terminal, дословно -- монитор на катодно-лучевой трубке). Сканирование экрана модулированным лучом обеспечивается генераторами горизонтальной и вертикальной разверток монитора. Луч может оставлять след только во время прямого хода по строке (слева направо). Строка разбивается на некоторое количество точек разложения, каждая из которых может иметь состояние (яркость и цвет), не зависимое от других (для монитора это разбиение условно). На обратном ходе по строке луч принудительно гасится. Следующая строка прорисовывается параллельно предыдущей, но с некоторым вертикальным смещением (вниз), и так происходит сканирование до окончания кадра -- достижения правого нижнего угла экрана. Во время обратного хода луча по вертикали, за время которого генератор горизонтальной развертки успеет сделать несколько строчных циклов, луч также принудительно гасится. В следующем кадре сканирование может производиться по-разному. В системах с прогрессивной (Progressive), или нечередующейся (N1 -- Non-interlaced), разверткой луч идет по тем же самым строкам (рис. 3.7, а). В системах с чересстрочной разверткой (IL -- Interlaced) луч пойдет по строкам, смещенным по вертикали на половину шага строки (рис.3.7, б). Таким образом, всю поверхность экрана луч проходит за два цикла кадровой развертки, называемых полукадрами. Чересстрочная развертка позволяет почти вдвое снизить частоту горизонтальной (строчной) развертки, а следовательно, и темп вывода точек изображения. Выгода от этого снижения будет понятна позже, а пока поясним, как определяются частоты развертки.



Рис. 4.1 Сканирование экрана: а-- прогрессивная развертка; б-- чересстрочная развертка

Как известно, глаз является инерционным органом зрения -- он воспринимает изменение яркости или освещенности только до какой-то определенной частоты. Существует понятие критической частоты световых мельканий (КЧСМ), которую измеряют так: человек смотрит неподвижно на некоторый безинерционный источник света (например, светодиод), который вспыхивает и гаснет с плавно повышаемой частотой. Сначала человек воспринимает вспышки по отдельности, с повышением частоты он видит уже только мерцание, а начиная с некоторой частоты, мерцания для него сливаются в ровный свет. Эта частота и называется критической, и у разных людей она может находиться в пределах примерно 40-60 Гц. Неподвижность взгляда и источника в нашем опыте оговаривалась, поскольку при движении мелькающего объекта человек будет его воспринимать как трассу прерывистых светящихся точек (стробоскопический эффект). Наблюдение мерцающих объектов раздражает и утомляет зрительную систему, поэтому частота кадров (прорисовки экрана) должна быть по крайней мере не ниже значения КЧСМ. Таким образом, мы получили ориентировочное значение минимальной частоты кадров, равное 50 Гц (эта компромиссная частота применяется во многих телевизионных системах). Теперь посмотрим, что из этого следует. Вполне очевидно, что для качественного изображения экран должен иметь как можно больше точек матрицы разложения -- то есть строк в кадре и точек на строке. Возьмем популярный режим 800х600 (600 строк по 800 точек). За один период прогрессивной кадровой развертки луч должен успеть прочертить 600 видимых строк, да еще некоторое количество невидимых строк (примерно 50) он прочертит на обратном ходе по кадру. Получается, что частота строк должна составить 50 Гц х (600 + 50) - 32,5 кГц (вроде и не так уж много). Этой частоте соответствует период около 30мкс (1/32,5), из которого на прямой ход по строке остается около 25 мкс. За это время необходимо вывести 800 точек строки, так что на каждую точку отводится 25/800 = 0,03 мкс, что соответствует частоте вывода точек в 30 МГц, а это для электронных схем уже высокая частота. Поскольку соседние точки выводимого изображения в принципе друг с другом не связаны, то полоса частот сигнала, модулирующего интенсивность луча, должна быть несколько выше этого значения (примерно на 25 %). Такую широкую полосу пропускания должен обеспечивать весь видеотракт: видеоусилители модуляторов лучей, сигнальные линии интерфейсного кабеля, и, наконец (вернее, сначала), такой широкополосный сигнал должен сформировать графический адаптер. На всех этих стадиях высокие частоты порождают технические проблемы. Если реальная полоса пропускания в этом тракте будет уже, четкого изображения получить не удастся -- переходы будут размыты. При чересстрочной развертке за каждый полукадр сканируется только половина строк разложения (четные в одном полукадре и нечетные в другом), следовательно, строчная частота уменьшается, а длительность прохода видимой части строки увеличивается примерно вдвое. Таким образом, при заданных условиях (разрешении экрана и ограничении минимальной кадровой частоты) чересстрочная развертка позволяет снизить требуемую полосу пропускания вдвое.

Как видно из вышеприведенных выкладок, частотные параметры видеосистемы определяются, исходя из желаемой частоты кадров, разрешения экрана и режима развертки. Заботясь о зрении пользователя, частоту кадров стремятся повышать. При низкой частоте экран начинает мерцать, что особо заметно на больших белых полях изображения (в полном смысле слова яркий тому пример -- белый фон в приложениях Windows). Разрешение экрана стремятся увеличить -- чем оно выше, тем больше информации можно уместить на экране. Поскольку размер экрана постоянно увеличивается-- монитор на 17-19" является уже нормой как и разрешение 1600 х 1200. Но по нашим выкладкам для этого уже требуется полоса 120 МГц (а кадровая частота 50 Гц -- это отнюдь не идеал). Применение чересстрочной развертки годится лишь как вынужденная мера, поскольку имеет свои специфические неприятные «видеоэфекты»: если выводится тонкая (в одну строку точек) горизонтальная линия, она будет заметно мерцать. Это и понятно, ведь прорисовывается она только в одном из полукадров, следовательно, с половинной кадровой частотой. Если изображение будет толще (один и тот же элемент имеет точки в соседних строках), его мерцание будет почти незаметным. Итак, цели ясны: частота кадров -- выше, разрешение (по вертикали и горизонтали) -- больше, развертка -- не чересстрочная (Non Interlaced). Заметим, что чем выше частота развертки, тем ниже производительность графической системы при построении изображений. Современные мониторы и графические адаптеры, применяемые в PC, используют оба режима развертки с различными значениями частоты кадров. Естественно, что работать они должны в согласованных режимах.

...