4. Шины расширения (общие понятия).

Шины расширения ввода-вывода являются средствами подключения системного уровня. Они позволяют адаптерам и контроллерам периферийных устройств непосредственно использовать ресурсы компьютера, то есть пространства адресов памяти, прерывания, прямой доступ к памяти. Устройства, подключенные к шинам расширения, могут и сами управлять этими шинами, получая доступ к остальным ресурсам компьютера. Шины расширения механически реализуются в виде слотов или штыковых разъемов. Для них характерна малая длина проводников, то есть не сугубо локально, что позволяет достигать высоких скоростей работы. Эти шины могут не выводиться на разъемы, а использоваться для подключения устройств в интегрированных системных платах. В истории шин расширения ПК насчитывается 3 поколения.

К первому поколению относится ISA- это асинхронная параллельная шина с низкой пропускной способностью (единицы Мб/с), не имеющие средств обмена и автоконфигурирования.

Второе поколение началось с шины EISA/MCA, за которой последовали шины PCI и её расширения PCI-Х. Это поколение синхронных надежных шин со средствами автоконфигурирования. Имеются варианты снабженные возможностью горячего подключения/отключения. Здесь скорость передачи данных достигает единиц Гб/сек. Для подключения большого числа устройств применяется иерархическое объединение шин, с помощью мостов древовидной структуры.

Для третьего поколения (PCI exspress) характерен переход от шин к двухточным соединениям с последовательным интерфейсом. Средством объединения множества абонентов, являются коммутационные фабрики. По сути третье поколение по расширению ввода/вывода приближается к сугубо локальным (в пределах системной платы) сетям. К примеру, ISA8 пиковая скорость передачи была 4Мб/сек, PCI exspress скорость от 496 до 15800 Мб/сек.

5. Организация шин pci и pci-X.

PCI и PCI-X синхронные параллельные шины с расширением ввода/вывода, обеспечивающие надежный, высокопроизводительный обмен и автоматическое конфигурирование устройств. Шины PCI и PCI-X являются ближайшими родственниками с полностью взаимной совместимостью устройств. Большинство положений относящиеся к PCI, относятся и к PCI-Х. Шины PCI позволяют объединять одноранговые устройств. Любое устройство шины может уступать как в роле инициатора транзакций (задатчика), так и в роле целевого устройства. Целевое устройство отвечает на транзакции, адресованные к его ресурсам (областям памяти и портам ввода/вывода). Ядро компьютера(ЦП и память) для шины PCI так же предоставляется устройством, то есть главным мостом. Транзакции к устройствам PCI инициируемые ЦП, главный мост является датчиком. Наличие активных устройств, помимо ЦП, позволяет в компьютере выполнять в параллель несколько операций обмена, то есть одновременно с обращением процессора, могут выполняться транзакции от мастеров шин PCI. Эта параллельность возможна лишь для обмена по не пересекающимся путям. В системах с несколькими шинами PCI, возможно параллельное программирование мастеров на разных шинах PCI. Каждая физическая шина PCI позволяет объединять лишь небольшое число устройств. Для увеличения числа подключаемых устройств меняются мосты PCI, то есть PCI под PCI. Мосты позволяют объединять шины PCI и PCI-Х с разными характеристиками, а так же подключать PCI и иные шины: ISA, EISA, MCA, PCI exspress.

Шины PCI и PCI-Х имеют несколько вариантов конструктивного оформления. Некоторые из них при наличии специального контроллера, запускают горячую замену устройств:

1. Шина объединения компонентов на печатной плате (системной плате или карте расширения)

2. Слотовые разъемы для установки карт расширения

3. Разъемы для малогабаритных карт расширения (mini PCI, small PCI, Card Bus)

4. Модульные конструктивы для промышненных и инструментальных видов (compact PCI, PXI)

Важной частью шины PCI является система автоматического конфигурирования. Конфигурирование выполняется каждый раз при включении питания и инициализации системы. Специальное конфигурационное ПО, позволяет обнаружить и идентифицировать все установленные устройства, а так же выяснить их потребности в ресурсах, то есть областях памяти, адресах ввода/вывода, прерывания.

Взаимодействия устройств.

С программной точки зрения, устройство PCI может иметь следующие компоненты:

1. Конфигурационый регистр, используемый для идентификации и начального конфигурирования устройства при инициализации системы (для всех устройств) предусмотрен обязательный набор конфигурационных регистров, остальные регистры могут применяться для текущего направления.

2. Операционные регистры (необязательные) эти регистры используются для текущего управления и взаимодействия с устройством.

3. Локальная память (не обязательная) отображенная на выделенные области физических адресов в системной памяти

4. Источники запроса на прерывание

5. Мастер шины – обеспечивает прямой доступ к системной памяти и взаимодействие с другими устройствами

С устройствами PCI можно взаимодействовать несколькими способами:

1. Командами обращения к памяти и портам ввода/вывода. Эти команды адресуются к областям, выделенным устройствам при конфигурировании.

2. Командами обращения к конфигурационным регистрам. Эти команды адресуются по идентификатору, номеру шины к устройству и функциям.

3. Специальные широковещательные сообщения, передаваемые для всех устройств выбранной шины

4. Команды пересылки сообщения. Команды адресуются по идентификатору устройства (эта возможность появилась в PCI-Х 2.0)

Наиболее эффективно возможность шин PCI используется при применении активных устройств мастеров шины. Только эти устройства могут обеспечивать скорость передачи данных, приближающуюся к декларированной пиковой пропускной способности. Максимальная производительность обмена по шине PCI достигает только в пакетных транзакциях значительной длины. В транзакциях по инициативе программы, исполняемой в ЦП, проводимой главным мостом, как правило является одиночными или очень короткими пакетными. По этой причине программно управляемый обмен данными с устройством PCI, по производительности значительно уступает обмену, выполняемым устройством мастера. Таким образом, применение активных устройств дает двойной эффект, разгружая ЦП и обеспечивает лучшие пропускные способности шины.