83

является интерфейсом подключения таких ПУ к хосту ПК, а периферийные и малые ИВВ непосредственно входят в их состав. Встраиваемые и внешние ПУ подключаются к хосту через кабели и разъемы периферийных или малых ИВВ и их адаптеры, следовательно и эти ИВВ относятся к интерфейсам периферийных устройств.

В главах второй части мы кратко рассмотрим, в качестве примеров реализации, ряд основных внутренних ИВВ PC-совместимых ПК, а в главах третьей части ряд аппарат- ных внешних ИВВ и ряд подсистем взаимодействия с объектами внешнего мира.

Контрольные вопросы

25.Охарактеризуйте понятие«аппаратный интерфейс».

26.Дайте характеристику интерфейсам, представленным на рис. 3.1. и рис. 3.2.

27.Охарактеризуйте интерфейсы системной(материнской) платы ПК (рис. 3.3).

28.Охарактеризуйте малые и периферийные ИВВ, представленные на рис. 3.3.

29.Какие ИВВ, представленные на рис. 3.3 относятся к внешним ИВВ?

30.Охарактеризуйте ИВВ хоста, представленные на рис3.4.

31.Охарактеризуйте шинно-мостовую архитектуру системной платы ПК, представленной на рис 3.5.

32.	Охарактеризуйте	хабовую архитектуру системной платы ПК, представленной на рис
	3.6.
33.	Охарактеризуйте	архитектуру Hyper Transport, вариант реализации которой представ-
	лен на рис. 3.7.

34.Охарактеризуйте последовательную, параллельно-последовательную, параллельнопараллельную и последовательно-параллельную форму передачи данных.

35.Охарактеризуйте синхронную и асинхронную передачу данных.

36.Какие возможности должна предоставлять устройству организация интерфейса?

37.Охарактеризуйте радиальный интерфейс.

38.Охарактеризуйте магистральный интерфейс.

39.Охарактеризуйте цепочный интерфейс.

40.Охарактеризуйте комбинированные интерфейсы.

41.Охарактеризуйте разновидности организации линий интерфейсов.

42.Охарактеризуйте зависимость скорости передачи от длины линии.

43.Охарактеризуйте передачу сигналов по однопроводной и двухпроводной однонаправленной линии.

44.Охарактеризуйте особенности передачи сигналов по двунаправленным линиям.

45.Объясните принцип работы схем с тремя состояниями на выходе.

46.Охарактеризуйте особенности оптоволоконных линий.

47.Охарактеризуйте особенности беспроводных линий.

Информацию по оптоволоконным линиям можно найти[23],в [44]. Более детальную функциональную классификацию интерфейсов можно найти в [66].

В данной главе использованы материалы из [1], [8], [13], [17], [18], [22], [43], [66].

84

ЧАСТЬ II. Внутренние интерфейсы ввода-

вывода PC-совместимых персональных компьютеров

Глава 4.

Интерфейсы ввода-вывода системного уровня

4.1. Общие сведения

ИВВ хоста (ИВВ системного уровня) PC-совместимых ПК обеспечивают подключение устройств к хосту PC-совместимых ПК на системном уровне, т.е. организация обмена по этим интерфейсам осуществляется с использованием системных ресурсов (каналов прямого доступа к памяти, линий запросов аппаратных прерываний, адресного пространства ввода-вывода и основной памяти). Устройства, подключенные к шинам и слотам ИВВ хоста, могут выполнять функции хост-контроллера этих ИВВ, получая доступ к другим ресурсам компьютера.

Стандартизованные ИВВ хоста составляют основу функциональной расширяемостиРС совместимых ПК в соответствии с концепцией систем с переменным составом оборудования . Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на картах (модулях, устройствах) расширения, постепенно перемещаются на системную плату, для настольных компьютеров набор шин расширения ввода/вывода уровня ИВВ хоста (системного уровня) имеет важное значение.

Шины расширения ИВВ хоста механически реализуются в виде слотов(щелевых разъемов). Эти шины могут и не выводиться на разъемы, а использоваться для подключения устройств, интегрированных в системные платы.

В истории развития ИВВ хоста ПК насчитывается уже три поколения.

К первому поколению относитсяISA - синхронный параллельный ИВВ хоста с возмож- ностью поддержки асинхронного режима обмена. Он обладал относительно низкой пропуск- ной способностью (единицы мегабайт в секунду), и не имел средств обеспечения надежности обмена и автоконфигурирования.

Второе поколение началось с EISA - синхронного параллельного ИВВ хоста с возможностью поддержки асинхронного режима обмена (а также асинхронного параллельного интерфейса МСА), за которыми последовал синхронный параллельный ИВВ хоста PCI и его расширение

- PCI-X. Это поколение отличается надежностью передачи данных и поддержкой средств автоконфигурирования. Имеются варианты, снабженные возможностью «горячего» подклю- чения-отключения устройств расширения. Скорость передачи достигает единиц гигабайт в секунду. Для подключения большого числа устройств применяется иерархическое объедине- ние шин этих ИВВ в древовидную структуру с помощью мостов.

Для третьего поколения (шина PCI Express, она же 3GIO, Hyper Transport, Advanced Switching и InfiniBand) характерен переход от шинной топологии к двухточечным соединениям с последовательным интерфейсом; средством объединения множества абонентов являются «коммутационные фабрики». По сути, коммуникационная среда хоста с ИВВ системного уровня третьего поколения приближается к сугубо локальным (в пределах системной платы) сетям.

В относительно современных компьютерах основными ИВВ хоста являютсяPCI и его расширение PCI-X; их дополняет AGP. В современных ПК широко используетсяPCI Express,

85

как средство подключения графического видеоадаптера, постепенно вытесняя AGP. Шина ИВВ хоста ISA из настольных компьютеров ушла, но она сохраняет свои позиции в промышленных и встраиваемых компьютерах как в традиционном слотовом варианте, так и в «бутербродном» варианте РС/104. В блокнотных компьютерах широко применяются слоты

PCMCIA с ИВВ PC Card и Card Bus, появляется и Express Card.

Как правило, каждый ИВВ хоста имеет свой тип слота, который не совместим со слотами других ИВВ хоста, с разъемами ИВВ других уровней и с разъемами вспомогательных интерфейсов. Их количество и состав на различных платах варьируется. Типы слотов легко определить визуально пользуясь рис. 4.1. На этом рисунке присутствие всех типов слотов показано условно - реально на системных платах присутствует не более двух-трех типов слотов ИВВ хоста.

Рис. 4.1. Вид и положение слотов расширения шин ИВВ системного уровня ПК.

У карт PCI, PCI-E и AGP, в отличие от ISA/EISA и VLB, компоненты расположены на левой стороне печатной платы. Для экономии площади печатной платы часто использовали так называемый разделяемый слот (Shared Slot). На самом деле это разделяемое окно на задней стенке корпуса, которое могло использоваться либо картой ISA, либо картой PCI. Таким образом, максимальное суммарное количество устанавливаемых модулей(карт) расширения ISA и PCI оказывалось на единицу меньшим, чем видимое количество слотов на системной плате.

Конфигурирование ИВВ хоста предполагает, в основном, настройку их временных параметров.

-Для PCI/PCI-X задаются: частота синхронизации, режимы PCI-X (Mode 1, Mode 2) и другие параметры

-Для AGP задаются: частота (номинал 66 МГц), поддерживаемые режимы, апертура AGP.

-Для VLB применяется перемычка, управляющая делителем частоты сигнала синхронизации в зависимости от того, превышает ли системная частота значение 33,3 МГц.

- Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка8 МГц) задают время

86

восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления шины ISA.

-Для шин ISA и PCI иногда опциями BIOS Setup приходится распределять системные ресурсы (главным образом, линии запросов прерываний).

Сравнительные характеристики шин ИВВ хостаPC-совместимых компьютеров представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Сравнительные характеристики шин ИВВ хоста ПК.

Шина	Пиковая	Каналы	Bus-	ACFG1	Разрядность	Разряд-	Частота,
	пропускная	DMA	Master		данных	ность	МГц
	способность,					адреса
	Мбайт/с
ISA-8	4	3	-	-	8	20	8
ISA-16	8	7	+	-	16	24	8
LPC	6,7	7	+	-	8/16/32	32	33
EISA	33,3	7	+	+	32	32	8,33
MCA-16	16	-	+	+	16	24	10
МСА-32	20	-	+	+	32	32	10
VLB	132	-	(+)	-	32/64	32	33-50 (66)
PCI	133-533	-	+	+	32/64	32/64	33/66
PCI-X	533-4256	-	+	+	16/32/64	32/64	66-133
PCI Express	496-15872	-	+	+	1/2/4/8/12/ 16/32	32/64	2,5 ГГц
AGP 1x/2x/	266/533/	-	+	+	32	32/64	66
4x/8x	1066/2132
PCMCIA	10/20	+	-	+	8/16	26	10
Card Bus	132	-	+	+	32	32	33
1 Поддержка	автоматического конфигурирования. Для ISA PnP (Plug and Play) является поздней

надстройкой, реализуемой адаптерами и ПО.

4.2. Интерфейс ввода-вывода хоста ISA и EISA

4.2.1. Общие характеристики

ИВВ хоста ISA (Industry Standard Architecture) - интерфейс расширения ввода-вывода. Он применявшийся в первых моделей PC и стал промышленным стандартом. В компьютере XT применялась шина интерфейса с разрядностью данных8 бит и адреса20 бит. В компьютерах AT шину расширили до16 бит данных и24 бит адреса. Конструктивно интерфейс выполнен в виде двух щелевых разъемов(слотов) с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма), вид которых изображен на рис. 4.1. Подмножество ISA-8 использует только 62контактный слот (ряды А, В), в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот (ряды С, D).

ИВВ обеспечивает своим абонентам возможность отображения8или 16-битных регистров на пространство ввода/вывода и памяти. Диапазон адресов памяти ограничен областью 1 Мбайт, но для ИВВ ISA-16 он составляет 16 Мбайт.

Диапазон адресов ввода/вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под

87

устройства системной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода/вывода, при которой линии адреса А[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств ИВВ ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h—FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине интерфейса и старых10-битных адаптеров, которые «отзовутся» на адрес с подходящими ему битами А [9:0] во всей допустимой области 12-битного адреса четыре раза.

В распоряжении абонентов ИВВISA-8 может быть до 6 линий запросов прерываний IRQх, для ISA-16 их число достигает 11. Заметим, что при конфигурировании BIOS Setup часть из этих запросов могут отобрать устройства системной платы или ИВВ хоста PCI.

Абоненты ИВВ ISA-8 могут использовать до трех 8-битных каналов DMA, а на ISA-16 могут быть доступными еще три16-битных канала и один8-битный, используемый в РС/ХТ для регенерации динамической памяти. Сигналы 16-битных каналов могут использоваться и для получения прямого управления шиной интерфейса устройствомBus-Master. При этом канал DMA используется для обеспечения арбитража управления шиной интерфейса, адаптер Bus-Master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая передать управление шиной процессору не более чем через15 микросекунд (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

Все перечисленные ресурсы ИВВISA должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Задача распределения ресурсов в старых адаптерах(модулях расширения) решалась с помощью джамперов(перемычек), затем появились программно конфигурируемые устройства, которые были вытеснены автоматически конфигурируемыми модулями РnР (Plug and Play).

С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности интерфейса, но все 32-битные ИВВ ISA не являются стандартизованными, кроме EISA.

ИВВ хоста EISA (Extended ISA) - жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычныхISA-адаптеров

(рис. 4.2).

Рис. 4.2. Фрагмент разъема ИВВ EISA

Узкие дополнительные контакты расширения (ряды Е, F, G, Н) расположены между контактами разъема ISA и ниже контактов А, В, С, D таким образом, что адаптер ISA, не имеющий дополнительных ключевых прорезей в краевом разъеме, не достает до них. Расширение шины интерфейса касается не только увеличения разрядности данных и адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. В обычном (не пакетном) режиме передачи за каждую пару тактов может быть передано до32 бит данных (один такт на фазу адреса, один - на фазу данных). Максимальную производительность шины ИВВ EISA реализует пакетный режим (Burst Mode) - скоростной режим пересылки пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета. В пакете очередные данные могут передаваться в каждом

88

такте шины, длина пакета может достигать 1024 байт. EISA предусматривает и более производительные режимы DMA, при которых скорость обмена может достигать33 Мбайт/с. Линии запросов прерываний допускают разделяемое использование, причем сохраняется и совместимость с ISA-модулями расширения: каждая линия запроса может программироваться на чувствительность как по перепаду (как в ISA), так и по низкому уровню.

Многие решения EISA уходят корнями в ИВВ хостаMCA компьютеров PS/2. Каждый слот (максимум - 8) имеет селективное разрешение адресации ввода/вывода и отдельные линии запроса и подтверждения управления шиной интерфейса. Арбитраж запросов выполняет устройство ISP (Integrated System Peripheral). Приоритеты (в порядке убывания): регенерация, DMA, CPU, Bus-Master. Обязательной принадлежностью системной платы с ИВВEISA

является энергонезависимая память конфигурации NVRAM, в которой хранится информация об устройствах EISA для каждого слота. Формат записей стандартизован, для модификации конфигурационной информации применяется специальная утилитаECU (EISA Configuration Utility). Архитектура позволяет при использовании программно-конфигурируемых адаптеров автоматически разрешать конфликты использования системных ресурсов программным путем, но в отличие от спецификацииPnP EISA не допускает динамического реконфигурирования. Все изменения конфигурации возможны только в режиме конфигурирования, после выхода из которого необходима перезагрузка компьютера. Изолированный доступ к портам ввода/вывода каждой карты во время конфигурирования обеспечивается просто: сигнал AEN, разрешающий декодирование адреса в цикле ввода/вывода, на каждый слот приходит по отдельной линии AENx, в это время программно-управляемой.

EISA - дорогая, но оправдывающая себя архитектура, применявшаяся в многозадачных системах, на файл-серверах и везде, где требовалось высокоэффективное расширение ИВВ хоста. Перед ИВВ хоста PCI у нее есть некоторое преимущество в количестве слотов, которое для одной шины интерфейса PCI не превышает четырех, а у EISA может достигать восьми.

4.2.2. Спецификация Plug and Play для ИВВ ISA

Аппаратно-программную спецификацию «Plug and Play ISA Specification» выпустили компании Intel и Microsoft в 1994 г. Она обеспечивает решение задач изоляции картISA, программного распределения системных ресурсов, конфигурирования и передачи параметров операционной системе и прикладному ПО. Вышеперечисленные задачи решаются для карт PnP, которые могут работать и в окружении так называемыхтрадиционных карт (Legacy Cards). С появлением карт ISA PnP возникла необходимость упорядочивания возможностей их использования, и в 1994 году фирмы Compaq, Phoenix и Intel выпустили спецификацию Plug and Play BIOS Specification. Она описывает следующие расширения возможностей традиционной BIOS:

-распределение ресурсов и разрешение конфликтов на этапе выполненияPOST;

-слежение за перехватом вектора загрузкиInt 19h (традиционные ПЗУ расширенияBIOS могли его неконтролируемо переопределять);

-введение контролируемого механизма удаленной загрузки(RPL);

-поддержка конфигурирования в рабочем режиме;

-обеспечение уведомления о динамическом изменении конфигураций(подключения и отключения устройств).

Конфигурирование в системе РnР состоит из следующих шагов:

-Производится изоляция одной карты от всех остальных.

-Карте назначаетсяCSN (Card Select Number), фигурально выражаясь - «приделывается ручка» (Assign a handle), за которую ее можно «ухватить» дальнейшим командам РnР.

89

-С карты считываются данные о сконфигурированных и поддерживаемых ресурсах.

Эти шаги повторяются для всех карт, после чего:

-Производится распределение (арбитраж) системных ресурсов, выделяемых каждой карте.

-Каждая карта конфигурируется согласно выбранному распределению ресурсов и активируется (переводится в рабочий режим).

Все шаги конфигурирования выполняет POST, если BIOS имеет поддержку РnР, или операционная система при загрузке. PnP BIOS может ограничиться конфигурированием и активацией только устройств, участвующих в загрузке, оставляя конфигурирование и активацию дополнительных устройств операционной системе. BIOS без поддержки PnP может использовать необходимые для загрузки устройства, сконфигурированные с параметрами умолчания, а изоляцией карт, сбором информации и конфигурированием займется операционная система при загрузке. Вариантов много, но все они опираются на единые методы взаимодействия с картами ISA PnP. Конфигурирование выполняется в специальном состоянии плат, в которое их всех можно программно перевести с помощью специального ключа инициализации, защищающего конфигурационную информацию от случайного разрушения.

Информацию о линиях, сигналах, временных диаграммах циклов обмена на шинах интерфей- сов ISA/EISA и о процессе конфигурированияISA модулей расширения, поддерживающих спецификацию PnP можно найти в [21], [22]. [35].

4.3. Интерфейс ввода-вывода хоста VLB

ИВВ хоста ISA, MCA, EISA имели низкую производительность, обусловленную их местом в структуре PC. Новые процессоры (i80486) и приложения (особенно графические) требовали существенного повышения пропускной способности ИВВ. Одним из решений проблемы повышения пропускной способности ИВВ было применение в качестве шины ИВВ хоста локальной шины ИВВ процессораi80486. Шину ИВВ процессора стали использовать как место подключения адаптеров жестких диск и видеоадаптеров.

VLB (VESA Local Bus) - стандартизованный 32-битный ИВВ хоста, практически представляет собой ИВВ процессораi80486, основные линии шины которого выведены на разъемы (слоты) системной платы. ИВВ хоста VLB ориентирован на 486 процессор, хотя возможно его использование и с процессорами класса386. Для процессоров Pentium была принята спецификация 2.0, в которой разрядность шины ИВВ была увеличена до64, но она распространения не получила. Аппаратные преобразователи сигналов и линий(шины) ИВВ новых процессоров в сигналы и шины ИВВVLB, будучи искусственными «наростами» на шинной архитектуре, не прижились, и VLB дальнейшего развития не получила.

Конструктивно VLB-слот аналогичен 16-битному обычному МСА-слоту, но является расширением слота ИВВISA-16, EISA или МСА, располагаясь позади него вблизи от процессора. Из-за ограниченной нагрузочной способности шины ИВВ процессора больше трех слотов VLB на системной плате не устанавливали. Максимальная тактовая частота шины 66 МГц, хотя надежнее шина работает на частоте33 МГц. При этом декларировалась пиковая пропускная способность 132 Мбайт/с (33 МГц´4 байта), но она достигалась только внутри пакетного цикла во время передач данных. Реально, в пакетном цикле передача четырех 32-разрядных слов (16 байт данных) требовала 5 тактов шины. Так что даже в пакетном режиме пропускная способность шины интерфейса составляет105,6 Мбайт/с, а в обычном режиме (такт на фазу адреса и такт на фазу данных) - всего 66 Мбайт/с, хотя это и значительно больше, чем у ISA. Жесткие требования к временным характеристикам процессорной шины при большой нагрузке(в том числе, и микросхемами внешнего кэша) могут привести к неустойчивой работе интерфейса. Поэтому все триVLB-слота могли использоваться только на частоте40 МГц. ИВВ VLB в принципе допускает и применение