Иерархия шин эвм. Типы шин эвм.
Типы шин.
Важным критерием , определяющий характеристику шины, служит ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:
Шины «процессор-память»
Шины ввода-вывода
Системные шины
Шина «процессор-память». Эта шина обеспечивает непосредственную связь между ЦП ВМ и основной памятью (ОЗУ). В современной трактовке такую шину называют шиной переднего плана (FSB-Front- Side Bus).По этой шине происходит интенсивный обмен информацией. Что требует высокой полосы пропускания, т.е. количество информации. Проходящей в единицу времени, была наибольшей. Обычно роль этой шины выполняет системная плата. Однако в плане эффективности выгоднее использовать отдельную шину для выполнения операций между ЦП и памятью.
К рассматриваемому виду шины можно отнести также шину, связывающую ЦП с кэш-памятью (она известна как шина заднего плана- BSB- Back- Side Bus). Шина BSB позволяет вести обмен с большой скоростью, чем FSB. Это позволяет реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.
Быстродействие фон-неймановских машин определяет обмен информацией между ЦП и памятью. Поэтому разработчики ВМ уделяют особое внимание связи ЦП с памятью. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины « процессор-память» всегда проектируется с учетом особенностей организации системы памяти, и длина шины делается по возможности минимальной.
Шина ввода-вывода. Эта шина служит для соединения ЦП или памяти с устройствами ввода-вывода(УВВ). Имеется большое разнообразие устройств ввода-вывода. Поэтому эти шины унифицируются и стандартизируются. Большинство УВВ низкоскоростные и поэтому не требуется от шины ввода-вывода высокой пропускной способности (кроме видеосистем).такие шины содержат меньше линий по сравнению с шиной «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.
Системная шина. Для снижения стоимости некоторых ВМ организуется только одна шина как для памяти так для устройств ввода-вывода. Такая шина носит название системной (рис.3).Эти шины размещаются на монтажной плате.
Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Можно выделить еще и шину для подачи питающего напряжения.
Физически системная шина представляет собой совокупность параллельных электрических проводников. Такими проводниками служат металлические полоски на печатной плате. К шине подключаются все модули ВМ через разъемы.
Среди стандартизированных системных шин универсальных ВМ известны шины Unibus, Fastbus, VME, Nubus, Multibus-II. ПК строятся на основе системной шины в стандартах OSA, EISA и MCA.
Физическая реализация шин (механические и электрические аспекты).
Механические аспекты. Основная шина, которая объединяет устройства ВМ, обычно размещается на материнской плате. К ним припаивают разъемы для подключения дополнительных устройств. Дополнительные устройства выполняются в виде печатных плат, называемых модулями (дочерние платы).Для подключения питания дорожки выполняются в виде широких полосок(размещается на внутреннем слое платы или на обратной стороне материнской платы).
Контактные пружины в разъемах обеспечивают независимое подключение сигнальных линий, расположенных по обеим сторонам вставляемой в разъем дочерней платы. При установке модуля нужно прилагать значительные усилия, чтобы гарантировать надежный контакт после многократного извлечения из разъема, а также при длительной(многолетней)эксплуатации разъема в загрязненной среде.
Механические спецификации обычно включают такие детали, как разъемы плат, размеры и размещение направляющих для установки платы, разрешенное место для кабельного разъема, максимальная высота элементов на плате и т.д.
Электрические аспекты. По линиям шин передаются сигналы для каких-либо приемников информации. Схему, меняющую напряжение на шине, называют драйвером или возбудителем шины. В этом качестве может быть любая цифровая схема, если на ее выходе может формироваться один из двух возможных уровней напряжения, соответствующих 0 или 1.В ВМ возможно совместное использование шин несколькими устройствами. Тогда возникает проблема разъединения шины для каждого пользователя шины. Проблему можно решить , если не активное устройство будет отключено от шины, используемой в это время другим устройством. Это решается схемой драйвера. Разрабатываемый драйвер должен иметь на своем выходе три состояния: высокий уровень напряжения(high), низкий уровень напряжения(low) и отключен(off). Режим отключения эквивалентно отключению выхода драйвера от линий шины, чтобы активное устройство могло использовать шину.
Разработчикам приходится решать и другие проблемы: скорость распространения сигналов на линиях шины; отражение сигналов; перекос сигнала эффекты перекрестного влияния.
Теоретическая граница скорости распространения сигнала по линии шины -скорость света в свободном пространстве, т.е. около 300 мм/нс. Реальная скорость распространения сигнала определяется физическими характеристиками сигнальных линий и нагрузкой, которая не должна превышать 70% от скорости света.
По мере распространения сигнала по реальной линии сигнал преодолевает участки с различным сопротивлением. Из-за этого происходит следующее: часть сигнала продолжает продвижение, а часть -отражается в противоположную сторону. Прямой и отраженный сигналы могут повторно отражаться. Поэтому на линии формируется сложный результирующий сигнал. Сигнал, дошедший до конца линии, отражается назад. Чтобы не было отражения с конца линии, соединяют такой конец специально подобранным согласующим резистором. Такие резисторы должны размещаться на обоих концах сигнальных линий. Номиналы резисторов очень трудно подобрать.
Сигналы передаются по линиям параллельно, и они достигают приемников не совсем одновременно. Это явление получило название перекоса сигналов.
Сигнал распространяется по линии и вокруг него создается электростатическое и магнитные поля. Сигнальные линии располагаются в непосредственной близости друг от друга, и происходит взаимное влияние полей. Этот эффект называют перекрестной или переходной помехой.
Для уменьшения перекрестной помехи нужно разнести линии так, чтобы их поля не влияли друг на друга. Для печатной платы ограниченного размера такой способ не подходит. К снижению эффекта перекрестного влияния ведет уменьшение взаимной емкости и индуктивности линий. Этого можно добиться, если разместить вблизи сигнальных линий «земляные» линии или включить в многослойную печатную плату «земляные» слои. Это , однако, приводит к нежелательному эффекту увеличения собственной емкости линий. Наиболее распространенной является подход к снижению перекрестной помехи, он состоит в разделении линий изолятором с малой диэлектрической постоянной. В целом, при проектировании шин обычно используется комбинация перечисленных методов борьбы с перекрестной помехой.
////
Распределение линий шины.
Шина ВМ складывается из шин адреса, данных и управления.
Шина адреса. На шине адреса могут передаваться адреса ячеек памяти, номера регистров ЦП, адреса портов УВВ и т.д. Число сигнальных линий, выделенных для передачи адреса(ширина шины адреса), определяет максимально возможный размер адресного пространства. Это одно из базовых характеристик шины, поскольку от нее зависит потенциальная емкость адресуемой памяти и число обслуживаемых портов ввода-вывода.
Шина данных. Совокупность линий, служащих для передачи данных между модулями системы, называют шиной данных. Важнейшая характеристика шины - пропускная способность и ее ширина. Ширина шины данных - это количество бит, которое может быть передано по шине за одну транзакцию(цикл шины). Цикл шины следует отличать от периода тактовых импульсов. Одна транзакция на шине может занимать несколько тактовых импульсов. Ширина шины данных составляет 8, 16, 32, 64 или 128 бит. Ширина шины данных существенно влияет на производительность ВМ. Применение раздельных шин адреса и данных позволяет повысить эффективность использования шины, особенно в транзакциях записи, так как адрес ячейки памяти и записываемые данные можно передавать одновременно.
Шина управления. По ним передается управляющая информация и информация о состоянии участвующих в транзакции устройств. Сигнальные линии, входящие в шину управления, можно условно разделить на несколько групп.
Первая группа. Это такие линии, по которым передаются сигналы управления транзакциями, т.е. сигналы, определяющие:
Тип выполняемой транзакции (чтение или запись)
Количество байтов, передаваемых по шине данных
Какой тип адреса выдан на шину адреса
Какой протокол передачи должен быть применен(синхронный, асинхронный)
На перечисленные цели обычно отводится от 2 до 8 сигнальных линий.
Вторая группа. Сюда входят линии передачи информации о состоянии(статуса).
В эту группу входят от 1 до 4 линий, по которым ведомое устройство может информировать ведущего о своем состоянии или передать код возникшей ошибки.
Третья группа. Это линии арбитража. Арбитраж необходим для выбора одного из нескольких ведущих, одновременно претендующих на доступ к шине. Число линий арбитража может быть от 3 до 11.
Четвертая группа. Это линии прерывания. По ним передаются запросы на обслуживание, посылаемые от ведомых устройств к ведущему. Под запросы отводится от 1 до 2 линий.
Пятая группа. Сюда входят линии для организации последовательных локальных сетей. Наличие от 1 до 4 таких линий становится общепринятой практикой. Последовательная передача данных протекает значительно медленнее, чем параллельная и поэтому выгоднее строить последовательные сети, не загружая быстрые линии основных шин адреса и данных.
Имеется группа линий (от 2 до 6) для тактирования и синхронизации. При проектировании шины таким линиям уделяется особое внимание.