Шинная архитектура ЭВМ

 

Содержание

 

Введение 

1. Внутренняя структкра ЭВМ
2. Шины расширений
1. Шина PC/XT bus
2. Шина PC/AT bus
3. Шина ISA
4. Шина EISA
5. Шина МСА
3. Локальные шины
1. Шина VLB
2. Шина PCI
3. Шина SCSI

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

С середины 60-х годов существенно изменился  подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло понятие «архитектура ЭВМ» - это совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ— это общее описание структуры  и функций ЭВМ. Архитектура не несет в себе описание деталей технического и физического  устройства компютера.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса  аппаратных и программных средств  и учитывающих множество факторов.

Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а один из главных компонентов архитектуры является аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислит средства, описание кот. выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Внутренняя структура ЭВМ

 

Внутренняя  структура ЭВМ содержит интелектуальные  контроллеры. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей: 

1. шина данных, по которой передается информация; 
2. шина адреса, определяющая, кому передаются данные; 
3. шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Кодовая шина данных (КШД), содержит провода  и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда.

Кодовая шина адреса (КША), включающая провода  и схемы сопряжения предназначена  для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства.

Кодоваю шина инструкций (КШИ), содержащая провода  и схемы сопряжения, служит  для  передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины.

Шина  питания, имеющаю провода и схемы  сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

 Системная  шина обеспечивает три направления  передачи информации:

1. между микропроцессором и основной памятью;
2. между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3. между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через  соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему — контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких  машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое  время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

•  

                     Рис.1 Шинная архитектура ЭВМ.

 

 

 

В подавляющем  большинстве современных ПК в  качестве системного интерфейса используется системная шина.

Важнейшими  функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

• шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Шины расширений

 

1.  Шина PC/XT bus

 

Первой  системной шиной, разработанной  для компьютеров PC / XT, в основе которых  лежали микропроцессоры, была шина PC / XT-bus. Она была 8-и разрядной, а ее контролер обеспечивал работу на частоте микропроцессора (4,77 МГц) ; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086,8088.

 

2. Шина PC/AT bus

 

 С появлением машин типа PC / AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры  80286, а позже и 80386 (версия SX), была  создана шина PC / AT-bus. Она имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.

 

 

 

3. Шина ISA

 

Шина  ISA (Industry Standart Architecture) – шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. В PC моделей XT применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса – 20 бит. В моделях AT шина была расширена до 16 бит данных и 24 бита адреса, какой она остается до сих пор. Конструктивно шина выполнена в виде двух слотов. Подмножество ISA-8 использует только первый 62-контактный слот, в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот. Тактовая частота – 8 МГц. Скорость передачи данных до 16 Мбайт\с. Обладает хорошей помехоустойчивостью.

Шина  обеспечивает своим абонентам возможность  отображения 8- или 16-битных регистров  на пространство ввода-вывода и памяти. Диапазон доступных адресов памяти ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти), но для шины ISA-16 специальными опциями BIOS Setup может быть разрешено и пространство в области между15-м и 16-м мегабайтом памяти (правда при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под устройства систнемной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса A[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. 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 A[9:0] во всей допустимой области четыре раза.

В распоряжении абонентов  шины ISA-8 может быть до 6 линий запросов прерываний IRQ (Interrupt Request), для ISA-16 их число  достигает 11. Заметим, что при конфигурировании BIOS Setup часть из этих запросов могут  отобрать устройства системной платы  или шина PCI.

Абоненты  шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти), а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управления 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 "отдать" 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 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. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и в жертву совместимости старательно тиражируется уже много лет.

Задача распределения  ресурсов в старых адаптерах решалась с помощью джамперов, затем появились  программно-конфигурируемые устройства, которые практически вытеснены  автоматически конфигурируемыми платами PnP.

Для шин ISA ряд фирм выпускает  карты-прототипы (Protitype Card), представляющие собой печатные платы полного  или уменьшенного формата с крепежной  скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи - буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальное поле платы представляет собой "слепыш", на котором разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для макетной проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

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

 

 

4. Шина EISA

 

С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других фирм, была создана 32-разрядная шина EISA, полностью совместимая с ISA.

Шина EISA (Extended ISA) - жестко стандартизованное  расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость  с ней и обычных ISA-адаптеров. Узкие  дополнительные контакты расширения расположены  между ламелями разъема ISA и ниже таким образом, что адаптер ISA, не имеющий дополнительных ключевых прорезей в краевом разъеме, не достает  до них. Установка карт EISA в слоты ISA недопустима, поскольку ее специфические  цепи попадут на контакты цепей ISA, в  результате чего системная плата  окажется неработоспособной.

Расширение шины касается не только увеличения разрядности данных и  адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. В обычном (не пакетном) режиме передачи за каждую пару тактов может быть передано до 32 бит данных (один такт на фазу адреса, один - на фазу данных). Максимальную производительность шины реализует пакетный режим (Burst Mode) – скоростной режим пересылки  пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета. Внутри пакета очередные  данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета может  достигать 1024 байт. Шина предусматривает  и более производительные режимы DMA, при которых скорость обмена может  достигать 33 Мбайт/с. Линии запросов прерываний допускают разделяемое использование, причем сохраняется и совместимость с ISA-картами: каждая линия запроса может программироваться на чувствительность как по перепаду, как в ISA, так и по низкому уровню. Шина допускает потребление каждой картой расширения мощности до 45 Вт, но полную мощность, как правило не потребляет ни один адаптер.

Каждый  слот (максимум - 8) и системная плата  могут иметь селективное разрешение адресации ввода-вывода и отдельные  линии запроса и подтверждения  управления шиной. Арбитраж запросов выполняет  устройство ISP (Integrated System Peripheral). Обязательной принадлежностью системной платы  с шиной EISA является энергонезависимая  память конфигурации NVRAM, в которой  хранится информация об устройствах EISA для каждого слота. Формат записей  стандартизован, для модификации  конфигурационной информации применяется  специальная утилита ECU (EISA Configuration Utility). Архитектура позволяет при использовании  программно-конфигурируемых адаптеров  автоматически разрешать конфликты  использования системных ресурсов программным путем, но в отличие  от спецификации PnP, EISA не допускает  динамического реконфигурирования. Все изменения конфигурации возможны только в режиме конфигурирования, после выхода из которого необходима перезагрузка компьютера. Изолированный  доступ к портам ввода-вывода каждой карты во время конфигурирования обеспечивает просто: сигнал AEN, разрешающий  декодирования адреса в цикле  ввода-вывода, на каждый слот приходит по отдельной линии AENx, в это время программно-управляемой. Таким образом можно по отдельности обращаться и к обычным картам ISA, но из это бесполезно, поскольку карты ISA не поддерживают обмена конфигурационной информацией, предусмотренного шиной EISA. На некоторых идеях конфигурирования EISA выросла спецификация PnP для шины ISA (формат конфигурационных записей ESCD во многом напоминает NVRAM EISA).