Учебное пособие 2109

встроенный графический и дисковый интерфейсы с шиной VLB, но сами слоты VLB отсутствуют. С точки зрения надежности и совместимости такой вариант наиболее оптимален, поскольку проблемы совместимости адаптеров и согласования нагрузок для шины VLB стоят очень остро.

При всех своих достоинствах шина VLB имеет ряд недостатков, основными из которых являются:

Ориентация на процессор I80486. Уже отмечалось, что VLB

является по существу продолжением шины процессора I80486, хотя возможно ее использование и с процессором I80386. Для процессоров Pentium была разработана спецификация 2.0 шины VLB, в которой число линий данных было увеличено до 64. Кроме того, спецификация включала аппаратный преобразователь шины Pentium в VLB. Однако дальнейшего развития эта версия не получила.

Ограниченное быстродействие. Стандарт VLB допускает работу с тактовыми частотами до 66 МГц, но частотные характеристики разъемов VLB ограничивают ее на уровне 50 МГц. Если в компьютере установлен переключатель для повышения тактовой частоты процессора (например, для увеличения ее в два раза), то VLB продолжает использовать в качестве тактовой основную частоту МП.

Схемотехнические ограничения. К качеству импульсных сигналов,

передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, причем они могут быть разными для различных типов ИС процессоров. Соблюсти их можно только при определенных параметрах нагрузки каждой из линий шины, т.е. к шине процессора должен быть подключен вполне конкретный "набор" элементов, например внешний кэш и ИС контроллера шины. При добавлении новых плат нагрузка на линии шины возрастает. Если не принять соответствующих мер, это может привести к искажениям импульсных сигналов ("звонам", завалу фронтов, изменениям логических уровней), а в результате – к потерям данных, нарушениям синхронизации и другим сбоям как самого процессора, так и адаптеров VLB.

Ограничение количества плат. По указанным в предыдущем пункте соображениям количество одновременно используемых адаптеров VLB ограничено. Стандарт VLB допускает одновременную установку трех плат, но это возможно только при тактовой частоте до 40 МГц и малой нагрузке на шину. При ее увеличении и повышении тактовой частоты возможное количество адаптеров уменьшается. При частоте 50 МГц и большой нагрузке разрешается устанавливать всего одну плату VLB.

Указанные недостатки оказались настолько существенными, что в современных IBM PC шина VLB не используется.

290

9.6.2. Локальная шина PCI

В начале 1992 года на фирме Intel была организована группа, перед которой была поставлена задача разработать новую шину. В результате в июне 1992

года появилась шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus), в апреле

1993 она была модернизирована. Ее создатели отказались от традиционной концепции, введя еще одну шину между МП и обычной шиной ВВ. Вместо того чтобы подключаться непосредственно к шине процессора, чувствительной к подобным вмешательствам (о чем сказано выше), новый комплект ИС (чипсет) позволял создавать новую архитектуру шин IBM PC. Первые компьютеры с шиной PCI появились в середине 1993 года, и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров класса high end.

Новая локальная шина существенно превосходила своих предшественниц по функциональным возможностям, производительности, надежности. Наличие чипсета делает шину PCI процессорно-независимой, что позволяет ее использовать с платформами не только на Intel-подобных процессорах. Это является очевидным преимуществом с точки зрения производителей плат расширения (адаптеров), которые стараются избегать разных версий одной и той же платы. Кроме того, наличие чипсета позволяет шине PCI работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней со своими запросами. Это даѐт возможность процессору работать с данными, находящимися во внешнем кэш, в то время как по шине PCI может происходить обмен между ПУ и ОП в режиме ПДП (DMA).

Первоначально в IBM PC использовалась только версия 2.0 шины PCI, поддерживаемая чипсетами малой интеграции (5-6 микросхем) типа Neptun или Saturn. Однако с появлением чипсетов большей интеграции типа Intel 430 (Triton), Intel 440, Intel 810 в IBM PC стала использоваться новая версия шины PCI-2.1, которая вскоре была заменена версией PCI-2.2 (например, чипсет Intel 815). Эта версия используется и в настоящее время (чипсеты

Intel 850, Intel 860, VIA KT 266 для процессоров AMD и др.). Версии 2.0, 2.1

и 2.2 имеют обратную совместимость на тактовой частоте 33 МГц. Основные возможности шины PCI следующие:

Синхронный 32или 64-разрядный обмен данными. Для уменьшения числа линий шины и контактов слота (а следовательно, и стоимости) используется мультиплексирование ША и ШД, т.е. для передачи адресов и данных используются одни и те же линии шины. Следует отметить, что 64-разрядная PCI, судя по всему, в обычных IBM PC пока не используется.

Поддержка режима пакетных передач (linear burst), позволяющего не расходовать время шины на установку адреса каждого элемента данных при обмене блоком информации. Адрес автоматически модифицируется чипсетом для каждого последующего элемента данных. Это существенно повышает производительность шины при

291

обмене ядра ЭВМ с видеосистемами и жесткими дисками большими блоками информации.

Тактовая частота шины 33 МГц или 66 МГц (только для версий выше 2.0). Это позволяет обеспечить следующие максимальные пропускные способности шины с использованием пакетного режима:

132 Мбайт/с при 32-бита/33 МГц;

264 Мбайт/с при 32-бита/66 МГц;

264 Мбайт/с при 64-бита/33 МГц;

528 Мбайт/с при 64-бита/66 МГц.

Работа на тактовой частоте 66 МГц возможна, если все адаптеры шины поддерживают эту частоту.

Поддержка внешнего кэш с обратной и сквозной записью (write back и write through).

Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

Полная поддержка режима multiply bus master, при котором на шине одновременно могут работать, например, несколько контроллеров жестких дисков.

Установка запросов прерывания осуществляется по уровню (а не по фронту, как в шинах ISA и VLB), что делает систему прерывания более надежной и позволяет использовать одну линию прерывания для обслуживания нескольких ПУ.

Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной плате (например, видео + звук + и т.д.).

Шина позволяет устанавливать до четырех слотов расширения, конструкция которых существенно отличается от конструкции слотов шины ISA (EISA). Для увеличения числа подключаемых устройств (необходимость в этом возникает обычно в мощных серверных платформах) предусмотрено использование двух и более шин PCI, соединяемых одноранговыми мостами (peer-to-peer bridge). Следует отметить, что с разработкой нового поколения чипсетов (например, Intel 850, Intel 845, Intel 815, VIA KT 266 и др.) число слотов расширения, устанавливаемых на одной шине PCI, увеличилось до 5-6.

Шина PCI имеет версии с питанием 5 В и 3.3 В. Разъемы для плат с питанием 5 В и 3.3 В различаются расположением ключей. Существуют и универсальные платы с переключаемым напряжением питания. Тактовая частота 66 МГц поддерживается только логикой питания 3.3 В.

Наличие в устройстве шины PCI таймера, используемого для определения максимального интервала времени, в течение которого устройство может занимать шину при передаче блока информации.

Рассматривая возможности шины PCI, необходимо иметь в виду, что чипсет является не просто согласующим элементом между различными шинами PC.

292

Он основное связующее звено между всеми компонентами системной платы. Набор решаемых им задач очень обширен и во многом определяет характеристики конкретной модели компьютера, поэтому рассмотрение функциональных возможностей PCI-архитектуры в отрыве от функций чипсета весьма затруднительно. Так, например, возможность выполнения обмена данными между процессором и ОП одновременно с обменом между другими устройствами шины PCI (concurrent PCI transferring),

предусмотренная в спецификации шины, реализована не во всех типах чипсетов.

Вобщем случае чипсет можно разделить на две функциональные части. Одна часть чипсета обеспечивает взаимодействие шины PCI с локальной системной шиной (т.е. с шиной процессора и шиной памяти). Эту часть принято называть главным мостом (host bridge). Вторая часть обеспечивает взаимодействие шины PCI с ШР ISA и ряд других функций. Эту функциональную часть чипсета принято называть мостом PIIX (PCI, IDE, ISA Xcelerator bridge). Такому функциональному делению соответствует и разделение набора задач, решаемых чипсетом.

Вфункции главного моста входит решение следующих задач:

Обслуживание управляющих и конфигурационных сигналов процессора.

Мультиплексирование адреса и формирование управляющих сигналов динамической памяти (ОП), связь шины данных памяти с локальной шиной.

Формирование управляющих сигналов внешнего кэш, сравнение его тегов с текущим адресом обращения на локальной шине (т.е. выполнение функций контроллера кэш-памяти).

Обеспечение когерентности (согласования) данных в обоих уровнях кэш-памяти и ОП при обращении как со стороны процессора, так и контроллеров устройств шины PCI.

Связь мультиплексированной шины адреса и данных шины PCI с шиной процессора и шиной ОП.

Формирование управляющих сигналов шины PCI, арбитраж контроллеров устройств шины (т.е. выполнение функций арбитра шины PCI).

Поддержка магистрального интерфейса AGP (Accelerated Graphic Port), предназначенного для подключения мощных графических адаптеров.

Мост PIIX также является многофункциональным устройством и решает следующие задачи:

Организацию моста между шинами PCI и ISA, EISA, MCA с согласованием частот синхронизации этих шин.

Реализацию высокопроизводительного (обычно двухканального) интерфейса IDE, подключенного к шине PCI.

293

Реализацию стандартных системных средств ВВ – двух контроллеров прерываний, двух контроллеров ПДП, трехканального системного таймера, канала управления динамиком, логики немаскируемого прерывания.

Коммутацию линий запросов прерывания шин PCI и ISA, а также встроенной периферии на линии запросов контроллеров прерываний, управление их чувствительностью (по перепаду или уровню), обслуживание прерывания от сопроцессора.

Коммутацию каналов ПДП.

Поддержку режимов энергосбережения.

Реализацию моста с внутренней шиной X-Bus, используемой для подключения микросхем контроллера клавиатуры, BIOS, CMOS RTC, контроллеров гибких дисков и интерфейсных портов.

Реализацию контроллера магистрали USB.

Микросхемы чипсета при инициализации во время начального тестирования (POST) программируются по многим параметрам, основная часть которых находится в BIOS. Таким образом, системные платы, выполненные даже на одном и том же чипсете, могут иметь различные производительности и диапазоны поддерживаемых устанавливаемых компонентов (процессоров, DRAM, кэш). Соответственно и шины PCI, реализованные в различных моделях РС (особенно у разных производителей), могут несколько отличаться по своим функциональным возможностям.

Очень упрощенная структура шин IBM РС (с учетом функций чипсета) при наличии шины PCI представлена на рис. 118.

Обозначенные на схеме интерфейсы для подключения высокоскоростных ПУ (AGP, SCSI, IEEE 1394, IDE, USB) в настоящем разделе не рассматриваются. Отметим только, что многие модели современных IBM PC имеют еще ряд других (не обозначены на схеме) специализированных интерфейсов для подключения разнообразных типов ПУ.

Для устройств промышленного назначения в начале 1995 года был принят стандарт Compact PCI, разработанный на основе версии PCI 2.1. Шины Compact PCI и PCI имеют электрическую совместимость и одинаковые протоколы обмена по шине, хотя и имеют некоторые отличия в механизме автоконфигурации системы. В отличие от стандарта PCI стандарт Compact PCI позволяет устанавливать на одной шине до восьми слотов расширения, конструкция которых существенно отличается от конструкции слотов PCI и предназначена для работы компьютера в тяжелых условиях – пыль, вибрация, влажность и т.д.

В заключение следует отметить, что появление шины PCI положило начало полному вытеснению из РС фирмы IBM, в общем-то, устаревшей ШР ISA. В настоящее время шина ISA оказалась практически вытесненной из архитектуры IBM PC и все ее функции выполняет шина PCI, которая из локальной превратилась в основную ШР современных IBM PC.

294

Сердцем современного компьютера, как это ни покажется странным, является не процессор, как принято считать (хотя о нем здесь тоже пойдет речь), а материнская плата. Поэтому разберем, что же это такое и с чем ее едят.

Ну, собственно говоря, вы и сами уже знаете, как выглядит материнская плата, а вот о назначении и различии разъемов, перемычек и микросхем дальше и пойдет речь.

9.7.1. CHIPSET

ChipSet – это набор или одна микросхема, на которую и возлагается основная нагрузка по обеспечению центрального процессора данными и командами, а также, по управлению периферией, как-то: видеокарты, звуковая система, оперативная память, дисковые накопители и различные порты ввода/вывода. Они содержат в себе контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда – контроллер клавиатуры. Однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств.

296

Внешне микросхемы Chipset'а выглядят как самые большие после процессора, с количеством выводов от нескольких десятков до двух сотен. Название набора обычно происходит от маркировки основной микросхемы – i810, i810E, i440BX, I820, VIA Apollo Pro 133A, SiS630, UMC491, i82C437VX

ит.п. При этом используется только код микросхемы внутри серии: например полное наименование SiS471 – SiS85C471. Последние разработки используют и собственные имена. В ряде случаев это фирменное название (INTEL, VIA, Viper). Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структура и объем кэш, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т.п. На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от простейших до довольно сложных с интегрированными контроллерами портов, дисков, видео и т.д.

9.7.2. РАЗНОВИДНОСТИ СЛОТОВ Слотом называются разъемы расширения, расположенные на материнской

плате (на картинке слева). Они бывают следующих типов: ISA, EISA, VLB, PCI, AGP.

ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта)

– основная шина на компьютерах типа PC AT (другое название – AT-Bus). Разрядность шины – 16/24 бита, тактовая частота – 8 МГц. Предельная пропускная способность составляет 5.55 Мбайт/с. Разделение IRQ невозможно (т.е. на каждый слот заведены все каналы IRQ). Конструктив – 62-контактный разъем XT-Bus с прилегающим к нему 36-контактным разъемом расширения.

EISA (Enhanced ISA – расширенная ISA) – функциональное и конструктивное расширение ISA. Внешне разъемы имеют такой же вид, как

иISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA. Платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с двумя рядами контактов, расположенных в шахматном порядке: одни чуть выше, другие чуть ниже. Разрядность – 32/32 бита, работает также на частоте 8 МГц. Предельная пропускная способность

– 32 Мбайт/с. Предусмотрена возможность разделения каналов IRQ и DMA. VLB (VESA Local Bus – локальная шина стандарта VESA) – 32-разрядное дополнение к шине ISA. Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116-контактный) при разъеме ISA. Разрядность – 32/32 бита. Тактовая частота составляет 25..50 МГц. Электрически выполнена в виде расширения локальной шины процессора – большинство входных и выходных сигналов процессора передаются непосредственно VLB-платам без промежуточной буферизации.

PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних компонент) – PCI является дальнейшим шагом в развитии локальных шин. Разрядность – 32/32 бита (расширенный вариант – 64/64). Тактовая частота – до 33 МГц

297

(PCI 2.1 – до 66 МГц). Пропускная способность – до 132 Мбайт/с (264 Мбайт/с для 32/32 на 66 МГц и 528 Мбайт/с для 64/64 на 66 МГц). Сегментов может быть несколько. Они соединяются друг с другом посредством мостов (bridge). Сегменты могут объединяться в различные топологии (дерево, звезда и т.п.). Это самая популярная шина, которая в настоящее время используется также на других компьютерах. Разъем похож на MCA/VLB, но чуть длиннее (124 контакта). Разъем на 64 разряда имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом. Все разъемы и карты к ним делятся на поддерживающие уровни сигналов 5 В, 3.3 В и универсальные. Первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем. Существует также расширение Media Bus шины PCI, введенное фирмой ASUSTek для подключения звуковых карт, – дополнительный разъем, находящийся за PCI слотом и содержащий сигналы шины ISA.

AGP(Accelerated Graphic Port – ускоренный графический порт) является дальнейшим развитием PCI, нацеленным на ускоренный обмен с графическими акселераторами. Отличие от PCI состоит в физическом расположении слота на материнской плате и его конструкции. Поскольку AGP – слот конструировался для установки видеокарт, которые не нуждаются в двухстороннем скоростном обмене, в нем предусмотрена скоростная передача данных только в память видеокарт. Обратная связь достаточно медленная. Пропускная способность на видеокарту составляет 528 Мбайт/с, а с видеокарты на системную шину до 132 Мбайт/с. Существует также новый стандарт AGP Pro. Кратко, суть его отличий от привычного AGP заключается в том, что к обычному разъему AGP по краям добавлены выводы для подключения дополнительных цепей питания 12 В и 3.3 В. Эти цепи призваны обеспечить повышенное энергопотребление видеокарты.

9.7.3. ТИПЫ РАЗЪЕМОВ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ

298