Локальные шины (Local bus и VL-bus)
Локальная шина (Local bus)
Все описанные ранее шины имеют общий недостаток – сравнительно низкую пропускную способность. Это связано с тем, что шины разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики шин улучшались в основном «экстенсивно», за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:
l создание нового поколения процессоров типа Intel 80486, работающих на частотах до 66 MHz;
l увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров;
l разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).
Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus). Рис. 15.6.1 и 15.6.2 наглядно демонстрируют различие между обычной архитектурой и архитектурой с локальной шиной.
 |
Локальная шина не заменяла собой прежние стандарты, а дополняла их. Основными шинами в компьютере по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись один или несколько слотов локальной шины. Первоначально эти слоты использовались почти исключительно для установки видеоадаптеров, при этом к 1992 году было разработано несколько несовместимых между собой вариантов локальных шин, исключительные права на которые принадлежали фирмам-изготовителям. Естественно, такая неразбериха сдерживала распространение локальных шин, поэтому VESA (Video Electronic Standard Association) – ассоциация, представляющая более 100 компаний – предложила в августе 1992 года свою спецификацию локальной шины.
 |
Рис. 15.6.1. «Обычная» архитектура шин
Рис. 15.6.2. Архитектура компьютера с локальной шиной
Локальная шина VESA (VL-bus)
Основные характеристики VL-bus таковы:
l Поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разработана для использования в однопроцессорных системах, при этом в спецификации предусмотрена возможность поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridge chip);
l Максимально число bus master – 3 (не включая контроллер шины). При необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего числа masterов;
l Несмотря на то, что изначально шина была разработана для поддержки видеоконтроллеров, возможна поддержка и других устройств (например, контроллеров жесткого диска);
l Стандарт допускает работу шины на частоте до 66 MHz, однако электрические характеристики разъема VL-bus ограничивают ее до 50 MHz (это ограничение, естественно, не относится к интегрированным в материнскую плату устройствам);
l Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных поддерживает и 16-разрядный обмен. В спецификацию заложена возможность 64-разрядного обмена;
l Поддержка DMA обеспечивается только для bus masters. Шина не поддерживает специальных "инициаторов" DMA;
l Максимальная теоретическая пропускная способность шины – 160 МВ/сек (при частоте шины 50 MHz), стандартная – 107 МВ/сек при частоте 33 MHz;
l Поддерживается пакетный режим обмена (для материнских плат 80486, поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификации типа и скорости процессора, сигнал Burst Last (BLAST#) используется для активизации этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается в 0;
l Шина использует 58-контактный разъем МСА. Максимально поддерживается 3 слота (на некоторых 50-мегагерцовых шинах возможна установка только 1 слота);
l Слот VL-bus устанавливается в линию за слотами ISA/EISA/MCA, поэтому VL-платам доступны все линии этих шин;
l Поддерживается как интегрированный кэш процессора, так и кэш на материнской плате;
l Напряжение питания – 5В. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3В поддерживаются при условии, что они могут работать с уровнем входного сигнала 5В.
Шина VL-bus явилась огромным шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то, что она позволяла создавать карты, работающие с существующими чипсетами и не содержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В результате VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие:
l Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин Pentium и Pentium Pro/Pentium II;
l Ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus – не больше 50 MHz. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2-66 частота шины будет 33 MHz);
l Схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определенных параметрах нагрузки каждой линии шины. По мнению Intel, установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и к повреждению системы;
l Ограничение количества плат. Это ограничение вытекает также из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.
Несмотря на существующие недостатки, VL-bus была несомненным лидером на рынке, так как позволяла устранить узкое место сразу в двух подсистемах – видеоподсистеме и подсистеме обмена с жестким диском. Однако лидерство было недолгим, поскольку корпорация Intel разработала новинку – шину PCI.
15.7. Интерфейс FireWare
Последовательная шина FireWire (IEEE 1394) предлагается для устройств, требующих более высокой скорости обмена, чем может обеспечить шина USB. Она впервые предусмотрена в спецификации PC97.
Интерфейс FireWire поддерживает синхронную и асинхронную передачу данных и предоставляет возможность подключения до 63 устройств на один порт. При этом поддерживается скорость передачи 100, 200 и 400 Мбит/сек (т. е. 12.5, 25, 50 Мбайт/сек), прорабатываются варианты на 800 и 1600 Мбит/сек. При этом различные пары устройств могут обмениваться данными на различной скорости, например, на 100 и на 400 Мбит/сек. Для связи используется 6-жильный медный кабель или оптоволокно. Из этих шести проводов два идут к источнику питания, а четыре других, организованные как две экранированные витые пары, используются для передачи данных. Кабель в целом также экранирован. По проводам питания может подаваться напряжение от 8 до 40 В (ток до 1,5 А), что позволяет отказаться от источников питания в периферийных устройствах.
Каждое устройство FireWire может содержать до 6 разъемов (чаще всего 3) для подключения других устройств. Длина сегмента FireWire может достигать 4,5 метров. Сеть FireWire может включать до 63 узлов, а несколько сетей могут быть соединены между собой мостами (до 1023). Таким образом, в системе может быть до 64449 устройств IEEE 1394.
FireWire поддерживает автоопределение Plug-n-play, «горячее» включение и изохронный режим работы, обеспечивающий гарантированную полосу пропускания для подключенных устройств. Подобно контроллерам SCSI, контроллеры FireWire могут самостоятельно обрабатывать большинство операций ввода/вывода, не занимая время процессора.
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику интерфейсов.
2. Для чего применяются последовательный и параллельный интерфейсы?
3. Опишите шину USB.
4. Опишите назначение контактов разъема USB.
5. Что такое PCMCI?
6. В чем отличия шины ISA от PCI?
7. Каковы характеристики шины MCA?
8. Опишите конфигурационное пространство шины PCI.
9. Какие вы знаете локальные шины и в чем их отличия?
10. Что такое FireWire?
Литература
1. Путилин А.Б. Вычислительная техника в информационно-измерительных системах. М:
2. Информационно-измерительная техника и технологии. В.И.Калашников, С.В.Нефёдов, А.Б.Путилин и др., под ред. Раннева Г.Г. М.: Высшая школа, 2002 г. 454 с.
3. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергия, 1979 г. 512 с.
4. Анисимов Б.В., Голубкин В.Н., Петраков С.В. Аналоговые и гибридные ЭВМ. М.: Высш. шк., 1986 г., 288 с.
5. Цифровая и вычислительная техника. Под ред. Евреинова Э.В. М.: Радио и связь, 1991 г., 464 с.
6. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.Н. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981 г.
7. Путилин А.Б., Введение в теорию преобразования и обработки сигналов. М.: «Квадрат-С», 2000г.130с.
8. Дж. Хилбурн, П. Джулич. Микро-ЭВМ и микропроцессоры. М.: Мир. 1979 г., 464 с.
9. Ч. Гилмор. Введение в микропроцессорную технику. М.: Мир.1984г.
10. Левенталь Л. Введение в микропроцессоры. М.: 1983 г.
11. Мирский Г.Л. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.:
1984 г.
12. Микропроцессоры. Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов. Под ред. Преснухина Л.Н. М.: Высш. шк. 1986 г.
13. Щелкунов И.И., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. М.: 1989 г.
14. Микропроцессорные системы и микро-ЭВМ в измерительной технике. Под ред. Филиппова А.Г. М.: Энергоатомиздат. 1995 г.
15. Калабеков Б.В. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1998 г.
16. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. М.: издательство Нолидж. 1998 г.
17. Путилин А.Б. Стандартные интерфейсы для информационно-измерительных систем. М., МГОУ. 1995 г., 110с.
18. Гельман М.М. Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов. М., Мир, 1999г., 559с.
19. Александровский А.Д. Delphi 5. Среда визуальной разработки., ДМК 2000 г.
20. Стив Тейксера и Ксавье Пачеко, Delphi 5. Руководство разработчика. Том 1,2. Вильямс, 2000 г.;
Термины и определения
Информация - слово “информация” (с латинского) обозначает сообщение, осведомление о чем-либо. Информация – философское определение, есть отражение реального мира; узкое практическое, которым пользуются инженеры - информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.
Сигнал - материальный носитель информации.
Восприятие - состоит в том, чтобы формируя образ объекта, произвести отделение полезной информации от шумов.
Передача информации - перенос ее на расстояние посредством сигналов различной физической природы по каналам различной физической природы: акустический, гидравлический, электрический, оптический и т.д.
Обработка информации - заключается в решении задачи преобразования информации с целью выделения полезного объема данных для принятия решения согласно поставленной задаче.
Хранение - может быть промежуточным этапом как в начале, так и в конце процесса и операций обработки.
Представление информации - заключается в демонстрации результатов обработки, с целью контроля результатов человеком или участие его в принятии окончательного решения. Используются устройства, воздействующие на органы чувств человека.
Воздействие на объект - состоит в том, чтобы сигналы, несущие информацию, производили регулирующие или защитные действия, вызывая изменения в самом объекте.
Событие – является первичным и неделимым элементом информации.
Элементарное двоичное событие – это выбор из утверждения или отрицания, истины или лжи, согласие или несогласие, наличие или отсутствие какого-либо явления.
Дискретизация-способ представления непрерывных сигналов дискретными составляющими.
Моделирование – процесс замены одного метода представления объекта другим изоморфным по математическому описанию. Если физика явлений в подлежащем изучению объекте и его модели одинаковы и процессы, протекающие в модели и объекте, описываются одинаковыми математическими и логическими зависимостями, то такое моделирование называется физическим. Если физика явлений, протекающих в модели и в объекте, различна, то моделирование называется математическим, а само описание объекта - математической моделью.
Матричный метод моделирования- предусматривает жесткую коммутацию между функциональными блоками. Его используют обычно в специализированных машинах.
Структурный метод моделирования-использует набор отдельных функциональных блоков, выполняющих различные математические операции (сложение, умножение, интегрирование, дифференцирование и т.д.).
Метод электрических сеток- используется при решении задач, описываемых уравнениями в частных производных (исследование нефтегазоносных слоев, теплопроводности, блуждающих токов и многих других задач), решается на АВУ, построенные по методам электрических сеток или сплошных сред.
Метод сплошных сред - основан на моделировании электрических явлений в сплошной проводящей среде.
Гибридные вычислительные машины - перерабатывают цифровую информацию с помощью методов, используемых при построении АВУ.
Аналоговое вычислительное устройство это схема, использующая совокупность электрических элементов (активных и пассивных), в которой происходят процессы описывающиеся математическими и логическими зависимостями, аналогичными зависимостям в исследуемой системе.
Методические погрешности - это погрешности заложены в методику работы устройства, они заранее могут быть рассчитаны и скомпенсированы частично или полностью.
Инструментальные погрешности - это погрешности определяющиеся первичными погрешностями элементов, возникающими в процессе их производства (погрешности за счет отклонения параметров элементов от их номинальных значений, влияние нестабильности температуры на значение параметров, погрешности от непостоянства питающих напряжений, дрейф нуля операционного усилителя).
Случайная погрешность – это погрешность, которая принимает различные числовые значения при многократном измерении.
Систематические погрешности изменяются по определенному закону, могут быть даже постоянными.
Функциональными устройствами называются такие устройства, которые служат для воспроизведения различных математических зависимостей, за исключением операций интегрирования и дифференцирования.
Суммирующие устройства выполняют операцию суммирования .
Дифференцирующие устройства выполняют операцию дифференцирования.
Интегрирующие устройства выполняют операцию интегрирования.
Свойства конденсатора – это свойство при котором электрический ток, протекающий через конденсатор, пропорционален скорости изменения напряжения на нем.
Активное интегрирующее устройство использует операционный усилитель, охваченный глубокой отрицательной обратной связью и выполняющий математические операции интегрирования.
Номинальное быстродействие под этим понимают количество простейших операций типа “сложение”, выполняемых последовательно АЛУ за 1 секунду. Флоп –миллион операций в секунду
Емкость памяти -измеряется в битах, байтах и т.д., во многом определяет класс решаемых на ЦВМ задач, особенно оперативная память.
Среднее время решения задачи Тср - интегральная характеристика ЭВМ. Эта величина складывается из времени счета Тсч и времени простоя Тпр.
Производительность ЭВМ - оценивается количеством задач, решаемых на ЭВМ за достаточно большой промежуток времени.
Стоимость ЭВМ – главный экономический параметр, влияющий на сферы применения цифровой вычислительной техники.
Непозиционная система счисления - это такая система, в которой значение символа, цифры, знака или иероглифа не зависит от позиции этого символа в изображаемом числе.
Позиционная система счисления - это система счисления, в которой значение символа зависит от позиции этого символа в изображаемом числе.
Естественная форма представления двоичной информации характеризуется тем, что местоположение запятой, отделяющей целую часть числа от его дробной части строго фиксировано.
Кодом называется любое обозначение, отличное от общепринятого.
Переключательной функцией n переменных называется такая функция, которая принимает только два возможных значения - 0 или 1, так же как и переменные, от которых эта функция зависит.
Набор - конкретная комбинация значений аргументов.
Элементарными переключательными функциями принято называть переключательные функции от одной и двух переменных.
Конституэнтой единицы n переменных называется такое булево произведение (конъюнкция) этих переменных, в которое каждая переменная входит только один раз в прямой или инверсной форме.
Комбинационное цифровое устройство (КЦУ) – это устройство, которое обеспечивает преобразование совокупности цифровых сигналов Х в выходные сигналы Y. При этом выходные сигналы зависят только от сигналов, поступающих на вход в разный момент времени и не зависят от сигналов, поступивших в предыдущие моменты времени (устройство без памяти)
Коэффициент разветвления КЦУ по входу Краз - определяет число входов однотипных ИЛЭ, которые одновременно могут быть подключены к выходу данного логического элемента при сохранении его работоспособности в заданных условиях эксплуатации.
Коэффициент объединения КЦУ по входу Коб - определяет число входных сигналов логического элемента, которые участвуют в формировании заданной логической функции.
Статические характеристики КЦУ - входная, определяющая зависимость входного тока от входного напряжения; выходная, задающая связь между выходными напряжениями и током; передаточная, которая определяет зависимость выходного напряжения от входного.
Временные (динамические) параметры КЦУ – определяют зависимость параметров во времени, быстродействие логического элемента. От них зависит быстродействие логического элемента.
Синтез КЦУ предусматривает построение структурной схемы устройства, т.е. определение состава необходимых логических элементов и соединений между ними, при которых обеспечивается преобразование входных цифровых сигналов в выходные в соответствии с заданными условиями работы устройства.
Дешифратором (декодером) называется КЦУ с несколькими входами и выходами, у которого каждой комбинации входных сигналов соответствует активное значение только одного определенного выходного сигнала. Полный дешифратор с m входами имеет 2m выходов.
Шифраторы – устройства, которые выполняют задачи, обратные дешифрации.
Мультиплексоры - устройства, которые обеспечивают коммутацию на выходе одного из нескольких информационных входных сигналов в соответствии с заданным кодом на управляющих входах.
Сумматоры представляют собой цифровые устройства для сложения двоичных чисел.
Состязания – это неодинаковая задержка прохождения сигнала в отдельных частях КЦУ в скорости переключения логических элементов.
Последовательностное цифровое устройство(ПЦУ) – это устройство в котором выходные сигналы Y зависят не только от текущих значений входных сигналов X, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени (устройство с памятью).
Синхронные триггеры – это устройства, которые реагируют на информационные сигналы при наличии разрешающего сигнала на специальном управляющем входе C, называемым входом синхронизации. Синхронные триггеры подразделяются на триггеры со статическим и динамическим управлением по входу C. Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на С- вход уровня 1 (прямой С- вход). Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении сигнала на С- входе от 0 к 1 (прямой динамический С- вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С- вход).
Одноступенчатые триггеры характеризуются наличием одной ступени запоминания информации.
Двухступенчатые триггеры имеют две ступени запоминания информации. В начале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.
Быстродействие триггера определяется максимальной частотой переключения состояний триггера..
Чувствительность триггера определяется наименьшим напряжением на входе (пороговым напряжением), при котором происходит переключение.
Помехоустойчивость триггера характеризует способность триггера устойчиво работать в условиях помех.
Функциональные возможности триггера характеризуются числом входных сигналов и их взаимодействии.
Регистром называется последовательностное цифровое устройство, используемое для хранения и выполнения логических преобразований над n-разрядным двоичным числом.
Регистром памяти - называется регистр с параллельным приемом и выдачей информации.
Регистром сдвига - называется регистры с последовательным приемом или выдачей информации.
Счетчиком называется последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение информации и выполнение над ним микрооперации счета.
АЦП (Аналого-цифровое преобразование) – под этим понимается преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный цифровой.
Разрешающая способность АЦП – это минимальное значение аналогового сигнала, которое еще может различаться преобразователем.
Точность АЦП – это получение в процессе квантования входного сигнала Uвх на шаг Q по уровню округления его до ближайшего цифрового значения в пределах самого младшего разряда цифрового кода
Погрешность нелинейной характеристики АЦП - это отклонение передаточной характеристики преобразователя от идеальной прямой линии.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это устройство, которой осуществляет преобразование двоичного кода в выходное напряжение, пропорциональное весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления (8,4,2,1).
Интерфейс -