KT-p22

Универсальные внутренние интерфейсы

Данный вид интерфейсов прошел довольно значительную эволюцию в сторону увеличения пропускной способности и интеллектуальности. Ос-

новное применение подобных интерфейсов - контроллеры переферийного оборудования и платы-адаптеры, например звуковой и сетевой адаптеры, модем и др. В настоящее время происходит смена очень распространенной, но уже достаточно устаревшей параллельной шины PCI на последовательные шины PCI-X и PCI Express. Производителям системных плат очень сложно полностью отказаться от PCI, так как имеется много оборудования хотя и устаревшего,но полностью удовлетворяющее пользователя по своим функциональным возможностям. При значительном апгреде системы (смена процессора,оперативной памяти,видеоадаптера и некоторых других компонентов) пользователь желает сохранить привычное переферийное оборудование (аналогичный процесс наблюдался при переходе с ISA-шины на PCI).

Шина ISA (Industry Standard Architecture). Это первая универ-

сальная внутренняя шина PC компьютеров. Сначала появилась ISA для

XT PC (ISA XT - 8 разрядная), затем для AT PC (ISA AT - 16 разрядная).

Архитектурная особенностей шины состоит в централизованном методе обмена с процессором. Для этого всем устройствам присваивается фиксированный уровень приоритета. Шина снабжена пятью линиями запроса на прерывания от различных устройств ПК к центральному процессору . Каждая линия имеет фиксированный приоритет. Для шины ISA выпускаются два типа плат расширения - 16- и 8-разрядные платы. Шина ISA включалась

в архитектуру системных плат до шестого поколения и в настоящее время не используется.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture). Пред­ ставляетсобой дальнейшее развитие шины ISA. Шина позволяетоднозначно определять устройства,подключенные к каждому изразъемных соединителей расширения (технология автоматического конфигурирования Plug&Play). Специальные коды плат расширения считываются ПЭВМ во время ее загрузки. Используется «географический» принцип адресации устройств,когда магистральные линии системной шины дополнены индивидуальными (радиальными) линиями связи от каждого разъема расширения. При создании EISA использован ряд технических новшеств, позволивших существенно

улучшить характеристики шины,в частности шина поддерживает програм- мно-конфигурируемые адаптеры, позволяющие автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем. В шине применен режим Burst Mode - скоростной режим пересылки пакетов данных, что существенно повышает производительность шины. Активное устройство,подсоединенное к шине (bus master), может использовать два режима передачи данных - стандартный и пакетный. EISA - дорогая,но оправдывающая себя архитектура,применяющаяся в многозадачных системах,

11

на файл-серверах и везде,где требуется высокоэффективное расширение шины ввода-вывода.

Шина MCA (MicroChannel Architecture). MCA - микроканальная архитектура для архитектуры PS/2 - несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами. Состав управляющих сигналов,протокол и архитектура ориентированы на асинхронное функционирование шины и процессора, что снимает проблемы согласования скоростей процессора и периферийных устройств.

Основные преимущества шины МСА заключаются в следующем:

1.Микроканал позволяет эффективно и автоматически конфи­ гурировать все устройства программным путем .

2.Шина МСА дает возможность реализовать многопользовательский

имногозадачный режимы работы микропроцессора. Этому способствует схема арбитража САСР (Central Arbitration Control Point), с помощью ко-

торой различные устройства получают доступ к системной шине данных, если два и более устройства одновременно пытаются получить управление МСА,аппаратные средства МСА разрешаютэтотконфликт. Аппаратные сред­ ства дают возможность поддерживать до 16 «интеллектуальных» устройств, взаимодействующих по шине без всяких помех.

4.Такие секции шины,как видеорасширения отображаемой памяти,а также аудиоканал,позволяют адаптерным платам соответственно: получать доступ к контроллеру VGA на системной плате; реализовывать специальный режим передачи данных Matched Memory; обмениваться аудиосигналами с системной платой.

5.Использование новых технологий монтажа и формата адаптерных плат,повышенная плотность размещения выводов микросхем и разъемов, позволили существенно улучшить помехоустойчивость устройств,а соответсвенно надежность работы и время эксплуатации.

При всей прогрессивности архитектуры шина МСА не получила большой популярности из-за узости круга производителей МСА-устройств

иполной их несовместимости с традиционными компонентами ПК. Однако МСА еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обеспечение высоконадежного производительного ввода-вывода.

Локальная шина VLB (VESA Local Bus). При появлении новых

высокопроизводительных процессоров сдерживание производительности всей системы из-за недостаточной пропускной способности внутренних шин стало особенно очевидным.

Для решения проблемы были разработаны так называемые ло­ кальные шины. Локальная шина обеспечивает подключение периферии к скоростной шине собственно процессора (аналогично внешнему кэшу). При

этом шина работает с. частотой системной шины процессора. Передачей данных управляет не центральный процессор,а плата расширения (мост),

12

который высвобождает микропроцессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройства: память,дисплей, дисковые накопители, при этом обслуживание сравнительно медленных устройств - мышь,модем,принтер и др. - производится более медленными интерфейсами.

Спецификация определяет два вида устройства VL-шины - целевые устройства (Local Bus Target - LBT) и активные устройства шины (Local Bus master - LBM). Активное устройство может инициировать передачу данных по шине и иметь собственный процессор. С другой стороны,целевые устройства отвечают на запросы, инициированные активными устройствами шины. Слоты шины VL располагаются в ряд с имеющейся шиной ISA, EISA или МСА.

Шину VLB обычно использовали для подключения графического адаптера и контроллера дисков.

Локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)

- шина соединения периферийных компонентов. Эта шина занимает особое место в современной архитектуре ПК,долгое время являясь мостом между локальной шиной процессеpa и шиной ввода-вывода ISA/EISA или МСА. Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge (одноранговый мост) используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах, дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество

подключаемых устройств.

Вшине PCI поддерживается автоконфигурирование устройств (выбор адресов,запросов прерывания) определяемое средствами BIOS и ориентировано на технологию Plug and Play. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины

Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным

вего пространстве ввода-вывода.

Всостав команд шины PCI введены сигналы для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG. На системной плате эти сигналы не всегда задействованы,но могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса,за которой может следовать одна или несколько фазданных.

Количество фаз данных в пакете не определено,но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течение которого устройство мо-

13

жет пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, параметры которого задаются при конфигурировании устройств шины. В каждом обмене участвуют два устройства - инициатор обмена (Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел,входящий в состав чипсета системной платы. Обмен данными ведется синхронно блоками по 32 или 64 бита. При этом используется мультиплексирование адресов (передача адресов и аданных ведется по одним линиям по очереди). В стандарте шины PCI предусмотрен механизм оповещения об асинхронных событиях. Это механизм используется на ситемных платах,имеющих контроллер прерываний APIC.

Шина предусматривает установку компонентов с уровнями сигналов 5В и 3.3В,большинство современных плат - универсальные (поддерживают два уровня напряжения). Частота работы шины 33 и 66 МГц,в различных сочетаниях с разрядностью,проспускная способность шины варируется в широком диапозоне.

Шина PCI имеет несколько конструктивных вариантов исполнения PCI (традиционный вариант); Low-Profile PCI (низкопрофильный вариант карт расширения с измененным способом крепления для Slim-Line корпусов); Small PCI (миниатюрные карты расшерения со сниженным энергопотреблением,которые устанавливаются в штырьковый 108-контактный разъем или подключаются с помощью шлейфа).

Шина SCSI (Small Computer System Interface). Спецификация

SCSI определяет физическую шину ввода-вывода и поддерживаемый ею

логический интерфейс для подключения периферийных устройств. Основная идея разработки – обеспечение возможности подключения разных устройств к единой скоростной шине без необходимости модернизации аппаратной и программной части хост-системы. К шине SCSI могут подключаться накопители различного типа,принтеры,сканеры,фото- и видеокамеры. Из-за довольно значительной стоимости шина SCSI практически не встречается в настольных компьютерах,но рабочие станции и серверы практически всегда имеют ее в составе платформы. В основе SCSI-интерфейса были положены разработки компании Shugart Associates (1970-е годы).

SCSI-1. Первая версия интерфейса SCSI была утверждена в 1986 году (всего было 3 версии), ее особенности состояли в следующем:

-использование дифференциальной передачи электрического сиг нала, обеспечившей высокий уровень помехоустойчивости придлине шины до 25 метров;

-использование режима синхронной передачи данных на скоростях до 5 Мбайт/с;

-определение расширенного набора команд для поддержки дисков большой емкости и возможности самостоятельного конфигурирования

14

устройств;

-определение команд для поддержки других устройств (принтеров,накопителей на магнитных лентах и оптических дисках).

-стандарт позволял подключать до восьми устройств,которые объединялись в цепочку с помощью кабеля, образуя шину, которая терминировалась с обоих концов. Два любых устройства,подключенных к шине,могут установить соединение друг с другом и произвести обмен данными. Устройство,инициирующее соединение,называется инициатором (Initiator), а его абонент называется целевым устройством или адресатом (Target). Спецификацией SCSI предусматривается,что любое устройство,подсоединенное к шине,может быть как инициатором,так и целевым устройством. Соединение в один момент времени возможно только между двумя устройствами на шине.

-Все SCSI-устройства подразделяются на несколько групп,для каждой из которых определен свой базовый набор команд:

1.Direct Access Device – устройство прямого доступа (жесткие диски).

2.Sequential Access Device – устройство последовательного доступа (ленточные накопители).

3.Printer device – принтер (устройство печати).

4.Processor device – устройство обработки данных.

5.Write Once Read Many Device – некоторые виды оптических на-

копителей с однократной записью.

6.CD-ROM Device – оптический накопитель с возможностью чте-

ния данных.

7.Scanner device – сканеры.

8.Other – прочие устройства.

Поскольку для каждого типа периферийных устройств определен базовый набор команд,то установка драйверов требуется только в тех случаях,если набор команд устройства шире,чем базовый. В остальных случаях устройства способны работать со стандартными драйверами,входящими в состав операционной системы.

Физически шина SCSI-1 представляет собой набор из 25 пар проводников,часть которых используется для передачи данных и управляющих сигналов,а другая часть – для служебных целей или же зарезервирована для будущих расширений.

Для адресации каждое устройство, подключенное к шине, должно иметь свой идентификатор – SCSI ID, представляющий собой позиционный код,выдаваемый на шину данных: каждой линии шины данных соответствует определенный идентификатор (и,соответственно,определенное устройство).

Устройства на SCSI-шине неравноправны: каждое имеет свой приоритет в соответствии с номером ID. Максимальный приоритет имеет устройство с

15

максимальным ID. Хост-адаптер шины всегда имеет ID7, для того,чтобы он мог занять шину в любой нужный ему момент.

SCSI-2. В 1988 г. началась работа над спецификацией SCSI-2. Основными направлениями для совершенствования стали увеличение производительности, расширение числа адресуемых устройств, улучшение совместимости,В новой спецификации значительно был расширен список поддерживаемых устройств (сканеры,коммуникационные компоненты,магнитооптические накопители).

Увеличение максимального числа устройств на шине при сохранении I прежнего механизма адресации обеспечено за счет ее расширения с 8 до16 или32 бит. Для сохранения совместимости была оставлена поддержка 8-разрядной шины. Кроме увеличения числа адресуемых устройств,такой подход позволяет также поднять производительность. Для обозначения разновидностей шины были введены два термина: узкая (Narrow) и широкая (Wide). Термин «узкая» относится к первоначальной 8-разрядной шине,а термин «широкая» – к 16-разрядной. Также была увеличена до 10 МГц частота шины при работе в синхронном режиме. Шина,работающая на такой частоте,получила название Fast (отсюда и второе название стандарта – FastSCSI). Таким образом,стандарт SCSI-2 обладает следу ющими возможностями:

-узкая шина,работающая на частоте 10 МГц {FastSCSI или SCSI-2) обеспечивает передачу данных на скорости 10 Мбайт/с и поддерживает до 8 устройств;

-широкая шина на частоте 10 МГц (WideFastSCSI или WideSCSI-2) переда-

ет данные на скорости 20 Мбайт/с и поддерживает до 16 устройств.

-механизм организации маркированных очередей. Маркированные очереди для канала инициатор-целевое устройство-логическое устройство позволяют создавать очередь размером до 256 процессов, каждый из которых маркируется тегом. Очередность выполнения процесса определяется передаваемыми с ним сообщениям в момент постановки

вочередь.

SCSI-3. Разработка стандарта SCSI-3 началась в 1993 г. Основное

направление модификации – создание универсальной шины,за счет снятия ограничений на скорость и протяженность соединений. Внутри спецификации определены специальные разделы,описывающие отдельные шины.

Стандарт SPI–1 описывает шину с тактовой частотой до 20 МГц, благодаря чему он получил название UltraSCSI. Пропускная способность достигает 20 Мбайт/с для «узкой» и 40 Мбайт/с для «широкой» версий шины. Хотя теоретически число поддерживаемых устройств осталось прежним (8 для узкой и 16 для широкой версий), при использовании кабельного

соединения более четырех устройств объединять нельзя.

Стандарт SPI-2 описывает шину с тактовой частотой 40 МГц, что

16

обеспечивает пропускную способность 40 Мбайт/с или 80 Мбайт/с,в зависимости от ширины шины. Стандарт получил название Ultra2SCSI. На шине применена технология низковольтных уровней дифференциального сигнала (Low Voltage Differential, LVD), По аналогии прежняя технология получила название High Voltage Differential {HVD). Устройства HVD и LV не могут использоваться одновременно. Максимальная длина соединения составляет 12 метров для шины LVD и 25 метров для шины HVD.

Стандарт SPI-3 (иногда называется Ultra3SCSI) принят в 1998. В спецификации произошел полный отказ от высоковольтных сигнале и ликвидирована 32-разрядная шина. Изнововведений к наиболее существенным относятся двойная синхронизация,использование контрольных циклических кодов (CRC) (для повышения надежности передачи) и контроль окружения. Повышение пропускной способности шины до 160 Мбайт/с достигнуто за счет синхронизации по обоим фронтам тактового сигнала. Контроль окружения выполняется в автоматическом режиме и представляет собой процедуру,проверяющую канал передачи данных на соответствие выбранному режиму. Если обнаружится опасность потери данных,будет автоматически осуществлен переход в менее скоростной режим.

Стандарт SPI-4 (Ultra 320 SCSI) описывает 16-битную шину с тактовой частотой 80 МГц и двойной синхронизацией,что обеспечивает пропускную способность 320 Мбайт/с. Спецификация содержит несколько технологических новшеств,повышающих надежность обмена данными.

Стандарт SPI-5 (Ultra 640 SCSI) описывает параллельный интерфейс со скоростью передачи 640 Мбайт/с. Окончательная спецификация шины

так и не была утверждена,хотя некоторые компании выпускали устройства Ultra 640 SCSI. Промышленная ассоциация SCSI отвергла планы по его разработке и сфокусировалась на Serial Attached SCSI.

Шина Serial Attached SCSI. Новый стандарт Serial Attached SCSI (SAS) был утвержден в 2004 г. Пиковая пропускная способность шины Serial Attached SCSI составляет до 5 Гбит/с (около 600 Мбайт/с).

По аналогии с другими высокоскоростными последовательными интерфейсами (USB и FireWire) SAS поддерживает полнодуплексный режим работы,который обеспечивает возможности подключения до 128 корневых устройств (всего до 16256 устройств с учетом всех веток), в обратной совместимости на физическом уровне с шиной Serial ATA.

В качестве сигнальных линий шины SAS используются две дифференциальные пары,что позволяеторганизовать полнодуплексный режим работы. Обмен данными по дифференциальным парам происходит низковольтными сигналами в противофазе,что исключает перекрестные помехи. Один или несколько физических каналов,каждый из которых образован дифферен-

циальной парой,образуют порт. Порт с одним каналом называют «узким» (Narrow port), порт с двумя и более каналами называют «широким» (Wide

17

port). SAS-устройства классифицируются на оконечные (например,жесткие диски) и расширители (Expander), к которым подключаются как оконечные устройства,так и другие расширители. Причем используется два типа рас-

ширителей: оконечный (Edge Expander) и корневой (Fanout Expander). К

оконечным расширителям подключаются только конечные .SAS-устройства, например жесткие диски. Корневой расширитель предназначен для подключения к нему только оконечных расширителей и выполняет функции маршрутизатора. Использование корневого и оконечных расширителей позволяет создавать разветвленные топологии шины SAS.

К SAS контроллеру возможно подключение SATA-устройств (к SATAконтроллеру SAS-устройства подключать нельзя). Так же,как параллельный интерфейс SCSI применялся практически только на серверах и рабочих станциях,так,аналогично,используется и современный последовательный интерфейс SAS – отличительная особенность рабочих станций и серверов.

Интерфейс Fibre Channel <FCAL> (Fibre Channel Arbitrated Loop - кольцо волоконного канала с арбитражем) занимает промежуточное положение между интерфейсами переферийных устройств и технологиями локальных сетей. В настоящее время применяется для подключения накопителей к серверам,когда необходимо значительное удаление устройств друг от друга.

Шины управления

Интерфейс ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)

- расширяемый интерфейс конфигурирования и управления питанием. Сис-

тема ACPI занимается менеджментом энергосберегающих функций ком-

;

пьютера и распределением системных ресурсов посредством расширенного контроллера прерывания APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller).

Поддержка обширного перечня функций со стороны ACPI вызывает определенные трудности в реализации интерфейса. С момента своего появления в 1997 г. и до настоящего времени некоторые возможности ACPI либо не поддерживаются, либо поддерживаются лишь частично платформами настольных ПК (в более качественно сбалансированных переносных компьютерах ACPI обычно полноценно поддерживается аппаратурой,BIOS и приложениями).

Функция энергосбережения и управления питанием реализуется по технологии On-Now, согласно спецификации ACPI компьютер может находиться в следующих состояниях:

-G1 - спящий режим (suspend);

-G2 - питание отключено, но блок питания находится под напряже нием (soft-off);

-G3 - питание отключено механическим выключателем (mechanical off).

Для режима G1 добавляются следующие уровни функционирова-

18

ния:

-S1 (Standby 1) — останавливаются таймеры системной платы, но сохраняется состояние оперативной памяти. Выход из режима S1 в

рабочий режим происходит мгновенно.

-S2 (Standby 2) — дополнительно отключается питание кэш-памяти системной платы и процессора, а данные, хранившиеся там, пере правляются в оперативную память. Переход в рабочий режим про исходит достаточно быстро.

-S3 (Suspend-to-memory) — обесточиваются все компоненты сис темы, кроме оперативной памяти. Текущее состояние системы за писывается в оперативную память. Включение с восстановлением предыдущего состояния компьютера занимает чуть больше време ни,чем из режима S2.

-S4 (Suspend-to-disk) — данные о состоянии системы и содержимое памяти записываются в специально отведенное место на жестком диске. Переход в рабочий режим занимает сравнительно много вре мени.

Для поддержки режима S3 необходимо,чтобы системная плата имела

схемы раздельного питания компонентов и обеспечивала запись в память на уровне BIOS.

Функция распределения ресурсов реализуется технологией IRQ Sharing (поддерживается APIC), занимающаяся динамическим распределением прерываний между компонентами,при конкуренции между устройствами на получение линии IRQ. Физически в компьютере имеется 16 линий аппаратных прерываний,но некоторые прерывания имеют статус системных,

поэтому их использование или переназначение линии невозможно. В со­ временной компьютерной системе устройств,требующих своего прерывания все больше,поэтому свободных прерываний осталось очень мало.

Все линии прерываний имеют свои приоритеты. Чем выше приоритет у линии прерывания,тем быстрее процессор ответит на запрос устройства, находящегося на этой линии. Совместное использование ресурса означает пропорциональное снижение эффективности компонентов. Если устройство может функционировать в режиме кооперации с другими устройствами,то ACPI с большой вероятностью посадитих на одну физическую линию. Так на одном физическом прерывании могут оказаться практически все устройства,

установленные в компьютере,даже если есть свободные прерывания. Это приводит к определенному снижению эффективности системы,но гарантирует отсутствие конфликтов между устройствами.

В процесс распределения прерываний может вмешаться пользователь, например,отключить неиспользуемые устройства,требующие прерывания или отключить ACPI и распределить прерывания самостоятельно.

Шина SMBus (System Managment Bus) - шина системного уп-

равления представляет собой двухпроводную низкоскоростную шину пред-

19

ложенная совместно компаниями Intel и Duracell в начале 1995 года для связи между различными компонентами системы,включая батареи,блоки питания и системные датчики.

Протоколы работы SMBus основаны на принципах технологии I2C (Inter IC Bus - шина соединения микросхем), разработанной фирмой Phillips. SMBus обеспечивает гибкую адресацию и поддержку стандарта Plug and Play, позволяющую переносить компоненты SMBus на PCIплаты расширения. Механизм адресации шины SMBus позволяет устройствам сообщать о системных сбоях,даже если операционная система не загружена.

Шина системного управления SMBus продолжает функционировать даже при тех состояниях энергопотребления,при которых PCI-устройства отключены,поддерживая связь в режиме ожидания без активизации потребляющей большую мощность PCI-шины. Особенностью шины является возможность автономной работы подключенных к ней устройств безучастия центрального процессора и других основных устройств ПК.

Шины накопителей

Шина ATA (AT Attachment for Disk Drives) - интерфейс подклю-

чения дисковых устройств со встроенным контроллером - IDE (Integrated Device Electronic). Основными устройствами,подключаемые по шине ATA

стали жесткие диски. Спецификация предусматривает подключение двух устройств на одной шине. Для организации взаимодействия пары устройств на шине ввели несколько дополнительных сигналов.

В системе адресации данных интерфейса ATА изначально указывает­

ся адрес цилиндра {Cylinder), головки (Head) и сектора (Sector) - CHS. Позже

стали различать физическую (реальную для накопителя) и логическую (по которой с устройством общается программа) адресацию CHS. В настоящее время используется линейная адресация логического блока LBA (Logical Block Addressing), где адрес блока (для дисков - сектора) определяется 28-битным числом.

Архитектурой интерфейса АТА предусмотрены следующие компо­ ненты:

-хост-адаптер для сопряжения интерфейса АТА с системной шиной;

-шлейф с 40 или 80 проводниками,с двумя или тремя разъемами;

-ведущее устройство (Master), официально именуемое Device 0;

-ведомое устройство (Slave), официально именуемое Device 1.

Если к шине АТА подключено одно устройство,оно должно быть веду­ щим. Если подключены два устройства,одно должно быть ведущим,другое - ведомым. Все иные варианты назначения устройств неработоспособны. Существует два способа задания адреса устройства на канале шины АТА: с помощью кабельной выборки (перемычка Cable Select) или явным заданием адреса на каждом из устройств. Недостатком кабельной выборки является привязка физического положения устройств к кабелю: ведущее устройство

20