Реферат: Шины персонального компьютера

Конструктивно VLB-слот аналогичен 16-битному обычному MCA-слоту, но является расширением системного слота шины ISA-16, EISA или MCA, располагаясь позади него вблизи от процессора. Из-за ограниченной нагрузочной способности шины процессора больше трех слотов VLB на системной плате не устанавливают. Максимальная тактовая частота шины - 66 МГц, хотя надежнее шина работает на частоте 33 МГц. При этом декларируется пиковая пропускная способность 132 Мбайт/с (33 МГц x 4 байта), но она достигается только внутри пакетного цикла во время передач данных. Реально в пакетном цикле передача 4 x 4 = 16 байт данных требует 5 тактов шины, так что даже в пакетном режиме пропускная способность составляет 105.6 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 т. ч. и микросхемами внешнего кэша) могут привести к неустойчивой работе: все три VLB-слота могут использоваться только на частоте 40 МГц, при нагруженной системной плате на 50 МГц может работать только один слот. Шина в принципе допускает и применение активных (Bus-Master) адаптеров, но арбитраж запросов возлагается на сами адаптеры. Обычно шина допускает установку не более двух Bus-Master адаптеров, один из которых устанавливается в "Master"-слот.

Шину VLB обычно использовали для подключения графического адаптера и контроллера дисков. Адаптеры локальных сетей для VLB практически не встречаются. Иногда встречаются системные платы, у которых в описании указано, что они имеют встроенный графический и дисковый адаптер с шиной VLB, но самих слотов VLB нет. Это означает, что на плате установлены микросхемы указанных адаптеров, предназначенные для подключения к шине VLB. Такая неявная шина по производительности, естественно, не уступает шине с явными слотами. С точки зрения надежности и совместимости это даже лучше, поскольку проблемы совместимости карт и системных плат для шины VLB стоят особенно остро.

5. Шина PCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) - шина соединения периферийных компонентов. Была анонсирована компанией Intel в июне 1992 года на выставке PC Expo.

Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре (mezzanine bus), являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Эта шина разрабатывалась в расчете на Pentium-системы, но хорошо сочетается и с 486 процессорами, а также с не-Intel'овскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. PCI – мультиплексная 32-разрядная шина. Существует также 64-разрядная версия. Частота шины 20-33 МГц. Стандарт PCI 2.1 допускает и частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость 132/264 Mбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц, и 528 Мбайт/с при 66 МГц. Слот PCI достаточен для подключения адаптера (в отличие от VLB), на системной плате он может сосуществовать с любой из шин ввода-вывода и даже с VLB (хотя в этом и нет необходимости).

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). 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.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается 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 в его пространстве ввода-вывода.

В состав 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 фаз данных. Количество фаз данных в пакете неопределенно, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течении которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, значение для которого задается 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. Для согласования быстродействия устройств-участников обмена предусмотрены два сигнала готовности IRDY# и TRDY# . Для адреса и данных на шине используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированных линии C/BE[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных.

Шина имеет версии с питанием 5 В, 3.3 В. Также существует универсальная версия (с переключением линий +V I/O c 5 В на 3.3 В). Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и 50, 51. Для 5 В-слота ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3 В - 12, 13; для универсального - два ключа: 12, 13 и 50, 51. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. 32-битный слот заканчивается контактами A62/B62, 64-битный - A94/B94.

В отличие от адаптеров остальных шин, компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места адаптера с соседним ISA-слотом (Shared slot).

Шина PCI являлась до последнего времени второй (после ISA) по популярности применения. В современных системах происходит отказ от шин ISA, и шина PCI выходит на главные позиции. Некоторые фирмы для этой шины выпускают карты-прототипы, но, конечно же, доукомплектовать их периферийным адаптером или устройством собственной разработки гораздо сложнее, чем карту ISA. Здесь сказываются и более сложные протоколы, и более высокие частоты (8 МГц у шины ISA против 33 или 66 МГц у шины PCI). Также шина PCI обладает плохой помехоустойчивостью, поэтому для построения измерительных систем и промышленных компьютеров используется все еще относительно редко.

На некоторых системных (материнских) платах имеется небольшой разъем, который называется Media Bus. Он расположен позади разъема шины PCI одного из слотов. На этот разъем выводятся сигналы обычной шины ISA, и предназначен он для того, чтобы на графическом адаптере с шиной PCI можно было разместить и недорогой чипсет звуковой карты, предназначенный для шины ISA. Этот разъем, а тем более и такие комбинированные аудио-видео карты, широкого распространения не получили.

6. Шина SCSI

Шина SCSI (Small Computer System Interface - cистемный интерфейс малых компьютеров, произносится "скази") была стандартизована ANSI (American National Standards Institute - Американский институт стандартов) еще в 1986 году. Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI (SCSI Device) - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства - target controller, с помощью которого оно подключается к шине SCSI. С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена, так и целевыми устройствами, однако чаще всего в роли инициатора выступает хост-адаптер. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Широкое распространение получили периферийные устройства со встроенным контроллером SCSI (embeded SCSI controller), к которым, например, относятся накопители на жестких магнитных дисках, CD-ROM, стриммеры.

По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с. Впоследствии (1991 г.) появилась новая спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса, но такие устройства пока не распространены из-за неоправданно высокой стоимости интерфейса. Комбинации тактовой частоты и разрядности обеспечивают широкий диапазон пропускной способности, достигающей 40 Мбайт/с для реальной версии Ultra Wide SCSI-2.

Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, которая включает набор базовых команд, обязательных для всех периферийных устройств, и специфических команд для периферии различных классов. Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств на шине, включая структуры передаваемой информации. Поддержка устройствами возможности исполнения цепочек команд, очередей (до 256 команд) и независимости их работы друг от друга обуславливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) позволяет обеспечить разделяемое использование периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку Plug and Play. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса. Транспортный уровень может использовать различные протоколы с соответствующей поддержкой физических соединений:

· SIP (SCSI-3 Interlocked Protocol) - протокол обмена традиционного интерфейса, физически реализуемый параллельным интерфейсом SCSI.

· FCP (Fibre Channel Protocol) - протокол оптоволоконного канала с соответствующим физическим уровнем FC-PH со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с.

· SBP (Serial Bus Protocol) - протокол последовательной шины, реализуемый интерфейсом 1394 (FireWire).

· GPP (Generic Packetized Protocol) - обобщенный пакетный протокол, реализуемый любым пакетным интерфейсом.

· SSP (Serial Storage Protocol) - последовательный протокол памяти.

Современные устройства с интерфейсом SCSI выпускаются в соответствии со стандартом SCSI-2 или SCSI-3. В отличие от стандарта SCSI-2, который явно подразумевал более высокую производительность шины и устройств, чем SCSI-1, заявка о поддержке устройством стандарта SCSI-3 непосредственно на повышение производительности не указывает. Эта заявка прямо означает лишь соответствие новому поколению документов. Однако всвязи с общей тенденцией к росту производительности устройства SCSI-3 в большинстве случаев показывают более высокую производительность, чем SCSI-2. Стандарт SCSI-3 предполагает различные варианты протокольного и физического уровня интерфейса, включающие как параллельные, так и последовательные шины.

Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач за секунду - MT/sec (Mega Transfer/sec) и разрядностью. Название SCSI Fast указывает на частоту передач 10 MT/sec, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Название SCSI Fast-20 указывает на частоту передач 20 MT/sec. Этот режим, более известный как SCSI Ultra, определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. SCSI Fast-40 указывает на частоту передач 40 MT/sec. Этот режим, определенный в SCSI-3 и называемый как Ultra2 SCSI, в настоящее время является самым быстрым для параллельной шины. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса LVD. Для будущих версий стандарта в SCSI-3 заложен режим и SCSI Fast-80 , но говорить о его реализации еще преждевременно. Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит в “узкой”(Narrow) версии. "Широкий" (Wide) вариант шины, появившийся с SCSI-2, имеет разрядность 16-бит (32-битные расширения не распространены). Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 1.

Таблица 1. Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI.

*реализации не встречаются

Разрядность шины, бит	Разновидность
	Обычный	Fast	Fast-20 (Ultra)	Fast-40 (Ultra2)
8 (Narrow)	5 Мбайт/с	10 Мбайт/с	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с
16 (Wide)	10 Мбайт/с	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с	80 Мбайт/с
32 (Wide) *	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с	80 Мбайт/с	160 Мбайт/с

Интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает прекрасное сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI. Здесь используется дифференциальная передача сигналов, но с низким уровне напряжения. В настоящее время традиционный дифференциальный интерфейс получил название "высоковольтный" - High Voltage Differential (HVD), поскольку в SCSI-3 ему появилась низковольтная альтернатива - Low Voltage Differential (LVD). Низковольтный вариант позволяет достичь частоты передачи 40 MT/sec при длине шины до 25 м (до 8 устройств) или до 12 м (до 16 устройств). Новые устройства с интерфейсом LVD могут иметь возможность работы на шине вместе с устройствами с линейным (Single ended) интерфейсом - для этого их буферные схемы содержат автоматический определитель типа интерфейса. Однако эта совместимость относится только к LVD - традиционные устройства с HVD могут работать только с себе подобными.

Последовательный интерфейс FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как Fibre Channel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Двухпортовые устройства могут достигать пиковой скорости обмена до 200 Мбайт/с.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства SCSI-2 и SCSI-3, которые в значительной степени сохраняют совместимость и с исходной версией, теперь называемой SCSI-1. Однако смешивать устройства SCSI-1 и SCSI-2 на одной шине не эффективно, да и не всегда возможно из-за некоторых проблем.

Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью джамперов установить следующие основные параметры:

• Идентификатор устройства - SCSI ID - адрес 0-7 (для Wide-SCSI допустимы адреса 0-15), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается адрес 7 (15 для Wide SCSI).
• Контроль паритета - SCSI Parity . Если хоть одно устройство на шине не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен на всех устройствах данной шины. Контроль паритета, особенно для дисковых устройств, является надежным средством защиты от искажения данных при передаче по шине.