Системні та локальні шини
У обчислювальній системі, що складається з безлічі підсистем, необхідний механізм їхньої взаємодії. Ці підсистеми мають швидко та ефективно обмінюватися даними. Наприклад, процесор, з одного боку, повинен бути пов'язаний з пам'яттю, з іншого боку, необхідний зв'язок процесора з пристроями вводу/виводу. Одним із найпростіших механізмів, що дозволяють організувати взаємодію різних підсистем, є єдина центральна шина, до якої приєднуються всі підсистеми. Доступ до такої шини поділяється між усіма підсистемами. Подібна організація має дві основні переваги: низька вартість та універсальність. Оскільки така шина є єдиним місцем приєднання для різних пристроїв, нові пристрої можуть бути легко додані, і ті самі периферійні пристрої можна навіть застосовувати в різних обчислювальних системах, що використовують однотипну шину. Вартість такої організації виходить досить низькою, оскільки для реалізації безлічі шляхів передачі інформації використовується єдиний набір ліній шини, що розділяється безліччю пристроїв.
Головним недоліком організації з єдиною шиною є те, що шина створює вузьке горло, обмежуючи, можливо, максимальну пропускну здатність вводу/виводу. Якщо весь потік вводу/виводу повинен проходити через центральну шину, таке обмеження пропускної здатності є реальним. У комерційних системах, де введення/виведення здійснюється дуже часто, а також у суперкомп'ютерах, де необхідні швидкості введення/виводу дуже високі через високу продуктивність процесора, одним із головних питань розробки є створення системи кількох шин, здатних задовольнити всі запити.
Одна з причин великих труднощів, що виникають при розробці шин, полягає в тому, щомаксимальна швидкість шини головним чином лімітується фізичними факторами: довжиною шини і кількістю пристроїв, що під'єднуються (і, отже, навантаженням на шину). Ці фізичні обмеження неможливо довільно прискорювати шини. Вимоги швидкодії (малої затримки) системи введення/виводу та високої пропускної спроможності є суперечливими. У сучасних великих системах використовується цілий комплекс взаємопов'язаних шин, кожна з яких забезпечує спрощення взаємодії різних підсистем, високу пропускну здатність, надмірність (для збільшення стійкості до відмов) і ефективність.
Магістраль - сукупність всіх шин.
Магістрально-модульний принцип організації ЕОМ - підхід до організації ЕОМ, що дозволяє без конструктивних змін материнської плати підключати (відключати) додаткові пристрої.
Магістрально-модульна організація набула широкого поширення, оскільки в цьому випадку всі пристрої використовують єдиний підхід поєднання модулів центральних процесорів та пристроїв вводу/виводу за допомогою стандартних шин.
Традиційно шини діляться на шини, що забезпечують організацію зв'язку процесора з пам'яттю, та шини вводу/виводу. Шини вводу/виводу можуть мати велику довжину, підтримувати приєднання багатьох типів пристроїв і зазвичай дотримуються одного з шинних стандартів. Шини процесор-пам'ять, з іншого боку, порівняно короткі, зазвичай, високошвидкісні і відповідають організації системи пам'яті для забезпечення максимальної пропускної здатності каналу пам'ять-процесор. На етапі розробки системи для шини процесор-пам'ять заздалегідь відомі всі типи та параметри пристроїв, які повинні з'єднуватися між собою, у той час як розробник шини вводу/виводу повинен мати справу з пристроями,розрізняються за затримкою і пропускною спроможністю.
Як було зазначено, з метою зниження вартості деякі комп'ютери мають єдину шину для пам'яті та пристроїв вводу/виводу. Така шина часто називається системною. Персональні комп'ютери, зазвичай, будуються з урахуванням однієї системної шини.
Необхідність збереження балансу продуктивності зі зростанням швидкодії мікропроцесорів призвела до дворівневої організації шин у персональних комп'ютерах з урахуванням локальної шини.
Локальною шиноюназивається шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора. Вона зазвичай поєднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини та її контролер, а також деякі допоміжні схеми. Типовими прикладами локальних шин є VL-Bus та PCI.
Розробка шин пов'язана з реалізацією низки додаткових можливостей. Рішення про вибір тієї чи іншої можливості залежить від цільових параметрів вартості та продуктивності. Такими можливостями є:
ширші (що мають більшу розрядність) шини даних;
режим групових пересилок (пересилання кількох слів)
Асинхронна шина з іншого боку не тактується. Натомість зазвичай використовується старт-стопний режим передачі та протокол «рукостискання» (handshaking) між джерелом та приймачем даних на шині. Ця схема дозволяє набагато простіше пристосувати широке розмаїття пристроїв і подовжити шину без занепокоєння перекос сигналів синхронізації і про систему синхронізації. Якщо може використовуватися синхронна шина, вона зазвичай швидше, ніж асинхронна, через відсутність накладних витрат на синхронізацію шини кожної транзакції. Вибір типу шини (синхронної чи асинхронної) визначає як пропускну здатність, алетакож безпосередньо впливає на ємність системи введення/виводу в термінах фізичної відстані та кількості пристроїв, які можуть бути приєднані до шини. Асинхронні шини в міру зміни технології краще масштабуються. Шини введення/виведення зазвичай асинхронні.
Стандарти шин
Зазвичай кількість і типи пристроїв вводу/виводу в обчислювальних системах не фіксуються, що дозволяє самому самому підібрати необхідну конфігурацію. Шина введення/виведення комп'ютера може розглядатися як шина розширення, що забезпечує поступове нарощування пристроїв введення/виводу. Тому стандарти відіграють величезну роль, дозволяючи розробникам комп'ютерів та пристроїв введення/виводу працювати незалежно. Поява стандартів визначається різними обставинами.
Іноді широке поширення та популярність конкретних машин стають причиною того, що їхня шина вводу/виводу стає стандартом де-факто. Прикладами таких шин можуть бути PDP-11 Unibus та IBM PC/AT Bus. Іноді стандарти з'являються також у результаті певних досягнень стандартизації в деякому секторі ринку пристроїв вводу/виводу. Інтелектуальний периферійний інтерфейс (IPI – Intelligent Peripheral Interface) та Ethernet є прикладами стандартів, що з'явилися в результаті кооперації виробників. Успіх того чи іншого стандарту значною мірою визначається його прийняттям такими організаціями як ANSI (Національний інститут стандартизації США) або IEEE (Інститут інженерів з електротехніки та радіоелектроніки). Іноді стандарт шини може бути безпосередньо розроблений одним із комітетів зі стандартизації: прикладом такого стандарту шини є FutureBus.
ШинаMCAтакож забезпечує 32-розрядну передачу даних, тактується частотою 10 МГц, має засобиавтоматичного конфігурування та арбітражу запитів. На відміну від EISA, вона не сумісна з шиною ISA і використовується тільки в комп'ютерах IBM.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) також, як і шина VL-bus, підтримує 32-бітовий канал передачі між процесором і периферійними пристроями, працює на тактовій частоті 33 МГц і має максимальну пропускну здатність 120 Мбайт/с. Працюючи з процесорами 80486 шина PCI дає приблизно самі показники продуктивності, як і шина VL-bus. Однак, на відміну від останньої, PCI шина є процесорно незалежною (шина VL-bus підключається безпосередньо до процесора 80486 і тільки до нього). Ee легко підключити до різних центральних процесорів. Серед них Pentium, Alpha, R4400 і PowerPC.
Основні можливості шини РСI:
синхронний протокол обміну, що передбачає підтвердження про прийом, що дозволяє пересилати дані зі швидкістю максимально можливою для приймального пристрою (на відміну від ISA);
у PC використовується 32-розрядна шина РСI із частотою 33 МГц. Однак шина РСI процесорно незалежна, і специфікація допускає ширину 64 розряду і частоту 66 МГц. Це використовується, наприклад, у комп'ютерах компанії Sun, у серверах на базі ЦП Alpha та Intel Xeon. Слот 32-розрядної шини РСI має 124 контакти (у 64-розрядної є ще додаткова секція);
плати, що вставляються, автоматично конфігуруються (при старті) за стандартом Plug and Play, тобто. не треба вручну встановлювати перемички та перемикачі, щоб уникнути конфліктів з іншими пристроями;
для користувача шина надає слоти (не більше п'яти). Це так званий сегмент PCI;
специфікація PCI допускає довільну кількість сегментів, що утворюють деревоподібну топологію.Для з'єднання сегментів використовуються PCI-мости;
є режим Bits mastering, що дозволяє пристрою брати управління шиною на себе і тим самим розвантажити ЦП;
починаючи з версії 2.2 (впроваджена в 1999 р.) у шину включена лінія, що управляє пробудженням комп'ютера від РСI-пристрою, наприклад модему, мережевої карти.
Однією з найпопулярніших шин вводу-виводу є шинаSCSI.
Під терміном SCSI - Small Computer System Interface (Інтерфейс малих обчислювальних систем) зазвичай розуміється набір стандартів, розроблених Національним інститутом стандартів США (ANSI) та визначальних механізм реалізації магістралі передачі між системною шиною комп'ютера і периферійними пристроями.
Спочатку SCSI призначався для використання у невеликих дешевих системах і тому був орієнтований на досягнення хороших результатів за низької вартості. Характерною його рисою є простота, особливо щодо забезпечення гнучкості конфігурування периферійних пристроїв без зміни організації основного процесора. Головною особливістю підсистеми SCSI є розміщення у периферійному обладнанні інтелектуального контролера.
Для досягнення необхідного високого рівня незалежності від типів периферійних пристроїв в операційній системі основної машини пристрої SCSI видаються такими, що мають дуже просту архітектуру. Наприклад, геометрія дискового накопичувача представляється у вигляді лінійної послідовності однакових блоків, хоча насправді будь-який диск має складнішу багатовимірну геометрію, що містить поверхні, циліндри, доріжки, характеристики щільності, таблицю дефектних блоків і безліч інших деталей. У цьому випадку сам пристрій або його контролер відповідають за перетворенняспрощена SCSI модель даних для реального пристрою.
Початковий стандарт 1986, відомий тепер під назвою SCSI-1, визначав робочі специфікації протоколу шини, набір команд та електричні параметри. Шина даних SCSI-1 використовувала 50-жильний екранований кабель, мала розрядність 8 біт, а максимальна швидкість передачі становила 5 Мбайт/сек.
У 1992 році цей стандарт був переглянутий з метою усунення недоліків початкової специфікації (особливо в частині синхронного режиму передачі даних) та додавання нових можливостей підвищення продуктивності, таких як "швидкий режим" (fast mode), "широкий режим" (wide mode) та позначені черги. Цей переглянутий стандарт отримав назву SCSI-2 і зараз використовується більшістю постачальників обчислювальних систем.
Стандарт SCSI-2 визначає, зокрема, різні режими: Wide SCSI, Fast SCSI та Fast-and-Wide SCSI. Fast SCSI зберігає 8-бітову шину даних і тому може використовувати ті ж фізичні кабелі, що і SCSI-1. Він відрізняється лише тим, що дозволяє передачі зі швидкістю 10 Мбайт/сек в синхронному режимі. Wide SCSI подвоює або затверджує розрядність шини даних (або 16, або 32 біт), допускаючи відповідно передачі зі швидкістю або 10, або 20 Мбайт/сек. У комбінації Fast-and-Wide SCSI можливе досягнення швидкостей передачі 20 та 40 Мбайт/сек відповідно.
Однак, оскільки у звичайному 50-жильному кабелі просто не вистачає жив, комітет SCSI вирішив розширити специфікацію другим 66-жильним кабелем (так званий B-кабель). B-кабель має додаткові лінії даних та низку інших сигнальних ліній, що дозволяють реалізувати режим Fast-and-Wide.
Реалізація режимів Wide-SCSI та Fast-and-Wide SCSI до 1994 року рідко використовувалася, оскількиефективність їх застосування була досить високою. Однак широке поширення дискових масивів та дискових накопичувачів зі швидкістю обертання 7200 оборотів за хвилину роблять цю технологію дуже актуальною.