Системные и локальные шины

Основной обязанностью системной шины является переда­ча информации между базовым микропроцессором и осталь­ными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происхо­дит обмен специальными служебными сигналами. Таким об­разом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назна­чению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый ар­битром шины.

Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена Для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные Разъемы. Заметим, что системная шина и микропроцессор синхронизиоовались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи дан­ных могла достигать более 4,5 Мбайта/с.

Шина ISA

В компьютерах PC/AT, использующих микропроцессор i80286, впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standard Architecture), полностью реализующая возможности упо­мянутого микропроцессора. Она отличалась наличием дополни­тельного 36-контактного разъема для соответствующих плат рас­ширения. За счет этого количество адресных линий было увели­чено на четыре, а данных — на восемь. Теперь можно было пере­давать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 ад­ресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA — с 4 до 7. Надо отме­тить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC/XT, могли без проблем применяться и в PC/AT 286. Системные платы с шиной ISA уже допускали воз­можность синхронизации работы самой шины и микропроцессо­ра разными тактовыми частотами, что позволяло устройствам, выполненным на платах расширения, работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10—12 МГц. Теперь сис­темная шина ISA стала работать асинхронно с процессором на частоте 8 МГц. Таким образом, максимальная скорость передачи теоретически может достигать 16 Мбайт/с.

Шина EISA

С появлением новых микропроцессоров, таких, как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препят­ствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроиз­водительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить наи­больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфи­гурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC-совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). Заметим, что системные платы с шиной EISA первоначально были ориентированы на вполне конкретную область применения новой архитектуры, а именно на компьютеры, осна­щенные высокоскоростными подсистемами внешней памяти на жестких магнитных дисках с буферной кэш-памятью. Такие ком­пьютеры до сих пор используются в основном в качестве мощ­ных файл-серверов или рабочих станций.

В EISA-разъем на системной плате компьютера помимо, разу­меется, специальных EISA-плат может вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкно­венной PC/AT с шиной ISA. Это обеспечивается простым, но поистине гениальным конструктивным решением. EISA-разъе­мы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) ис­пользует сигналы шины ISA, а второй (нижний) — соответствен­но EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "Зем­ля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генера­ции электромагнитных помех, а также уменьшается восприим­чивость к таким помехам.

Шина EISA позволяет адресовать 4-Гбайтное адресное про­странство, доступное микропроцессорам 180386/486. Однако дос­туп к этому пространству могут иметь не только центральный процессор, но и платы управляющих устройств типа bus master — главного абонента (то есть устройства, способные управлять пе­редачей данных по шине), а также устройства, имеющие возмож­ность организовать режим DMA. Стандарт EISA поддерживает многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" уст­ройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могут обрабаты­ваться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине

EISA в так называемом пакетном режиме (burst mode) может достигать 33 Мбайт/с. В обычном (стандартном) режиме она не превосхо­дит, разумеется, известных значений для ISA.

На шине EISA предусматривается метод централизованного Управления, организованный через специальное устройство — системный арбитр. Таким образом поддерживается использова­ло ведущих устройств на шине, однако возможно также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу.

Как и для шины ISA, в системе EISA имеется 7 каналов DMA. выполнение DMA-функций полностью совместимо с аналогич-

ными операциями на ISA-шине, хотя они могут происходить и несколько быстрее. Контроллеры DMA имеют возможность под­держивать 8-, 16- и 32-разрядные режимы передачи данных. В общем случае возможно выполнение одного из четырех циклов обмена между устройством DMA и памятью системы. Это ISA-совместимые циклы, использующие для передачи данных 8 так­тов шины; циклы типа А, исполняемые за б тактов шины; циклы типа В, выполняемые за 4 такта шины, и циклы типа С (или burst DMA), в которых передача данных происходит за один такт шины. Типы циклов А, В и С поддерживаются 8-, 16- и 32-разрядными устройствами, причем возможно автоматическое изменение раз­мера (ширины) данных при передаче в не соответствующую раз­меру память. Большинство ISA-совместимых устройств, исполь­зующих DMA, могут работать почти в 2 раза быстрее, если они будут запрограммированы на применение циклов А или В, а не стандартных (и сравнительно медленных) ISA-циклов. Такая про­изводительность достигается только путем улучшения арбитража шины, а не в ущерб совместимости с ISA. Приоритеты DMA в системе могут быть либо "вращающимися" (переменными), либо жестко установленными. Линии прерывания шины ISA, по которым запросы прерывания передаются в виде перепадов уровней напряжения (фронтов сигналов), сильно подвержены импульсным помехам. Поэтому в дополнение к привычным сигналам прерываний на шине ISA, активным только по своему фронту, в системе EISA предусмот­рены также сигналы прерываний, активные по уровню. Причем для каждого прерывания выбор той или иной схемы активности может быть запрограммирован заранее. Собственно прерывания, активные по фронту, сохранены в EISA только для совместимо­сти со "старыми" адаптерами ISA, обслуживание запросов на пре­рывание которых производит схема, чувствительная к фронту сиг­нала. Понятно, что прерывания, активные по уровню, менее под­вержены шумам и помехам, нежели обычные. К тому же (теоре­тически) по одной и той же физической линии можно передавать бесконечно большое число уровней прерывания. Таким образом, одна линия прерывания может использоваться для нескольких запросов.