Полтавський Військовий Інститут Зв’язку
Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем
напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»
Організація шин МПС.
Полтава – 2006
Навчальна література.
1. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 39 – 42.
2. Мюллер, Скотт. Модернізація і ремонт ПК, 16-е изд.: -- М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. с. 371 – 400.
Будь-яка МПС є, в першу чергу, системою оброблення інформації, однією з головних задач при її розробці та побудові є забезпечення високошвидкісного проходження інформаційних потоків між її складовими частинами та між самою системою і зовнішніми пристроями. Саме це забезпечують шини та інтерфейси ПК. Звичайно у ЕОМ класичної архітектури виділяють такі магістральні (системні) шини: адреси, даних, керування. Однак, конструктивно системні шини розподіляються на ряд локальних шин, кожна з котрих має своє специфічне призначення. Це обумовлено одночасним використанням декількох відносно незалежних інформаційних потоків між компонентами ПК.
Часто терміни „шина” та „інтерфейс” застосовують як слова – синоніми. Це не зовсім вірно. Як було показано на попередніх лекціях, поняття „інтерфейс” більш широке, ніж „шина”, тому, коли мова іде про характеристики шини як засіб, який забезпечує взаємодію деяких компонентів ПК, більш точним є термін „шинний інтерфейс”.
1. Загальні поняття про організацію шин МПС.
Шинний інтерфейс -- це сукупність правил уніфікованої взаємодії між окремими пристроями комп'ютера, а також сукупність схемних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для реалізації цих правил. Основою побудови шинних інтерфейсів є уніфікація і стандартизація. Вона забезпечується:
Інформаційною сумісністю -- єдиними вимогами до складу ліній та шин інтерфейсу, алгоритмів взаємодії, способів кодування і форматів даних, керуючої та адресної інформації, часовим співвідношенням між сигналами.
Електричною сумісністю -- погодженістю параметрів електричних сигналів, що передаються інтерфейсом, погодженістю логічних рівнів сигналів. Електрична сумісність визначає вимоги до навантажувальної спроможності компонентів та характеристик ліній передачі сигналів (довжина, допустима активна та реактивна складові навантаження, порядок підключення схем погодження і т.д.).
Конструктивною сумісністю -- можливістю механічного з'єднання електричних ланцюгів, а інколи і механічного підключення декількох блоків. Цей вид сумісності забезпечується стандартизацією з'єднувальних елементів, кабелів, конструкцій плат і т.д.
Основна задача шин -- об'єднати в єдину систему всю номенклатуру модулів обчислювальної системи, забезпечити їх належну роботу. При цьому до системи шин ставляться такі вимоги:
відкритість -- можливість модернізувати одні рівні системи без порушення інших;
сумісність -- системи з різним виконанням підсистем повинні бути взаємозамінюваними, сумісність повинна виконуватися на рівнях hardware i software;
однотипність - модернізація системи не повинна приводити до необхідності заміни раніш використаних типів пристроїв;
гнучкість -- можливість підключення різних підсистем без порушення функціонування вже існуючих;
надійність -- будь-яка модернізація системи не повинна знижувати показників надійності;
ремонтопридатність -- модернізація системи не повинна приводити до необхідності конструктивних змін, ускладнення її конструкції;
ефективність -- виконання перерахованих вище умов повинно бути економічно оправданим.
Сутність цих вимог можна сформулювати так: заміна одних шин іншими не повинна приводити до архітектурних змін. На практиці, однак, таке буває рідко. Реалізація стикування різних обчислювальних модулів визначається як реалізація інтерфейсу.
В ПК система шин представляє собою інтерфейс типу відкритої шини: шину може захоплювати лише один модуль, під керуванням якого організується передача даних. Наявність суттєвої різниці в швидкодії різних модулів приводить до необхідності створення системи шин.
Узагальнена класифікація шинних інтерфейсів
За призначенням шинні інтерфейси ПК поділяються на внутрішньосистемні і зовнішні. Перші служать для забезпечення взаємозв'язку компонентів ядра обчислювальної системи, другі -- для приєднання різних периферійних пристроїв. Зовнішні інтерфейси ПЕОМ будуть розглянути на наступної лекції.
Слід відзначити, що частина внутрішньосистемних шин є вузькоспеціалізованими, друга частина – універсальними шинами розширення, що призначені для підключення до ядра системи додаткових компонентів – карт розширення, адаптерів або контролерів зовнішніх пристроїв.
За способом передачі інформації шинні інтерфейси ПК поділяються на паралельні і послідовні. Паралельний шинний інтерфейс для передачі кодових слів використовує окремі сигнальні лінії, по яким окремі біти передаються одночасно. Послідовний шинний інтерфейс передає кодові слова побітовим способом, звичайно починаючи з молодшого біту.
По способу синхронізації інтерфейси поділяються на асинхронні і синхронні. асинхронні.
При асинхронній передачі перед кожним байтом передається старт-біт, що сигналізує приймачу про начало посилки. За старт-бітом слідують біти даних і, можливо, біт паритету (парності). Закінчує посилку байту стоп-біт, що гарантує паузу між посилками. Старт-біт наступного байту посилається в будь який момент після стоп-біта, тобто між передачами можливі паузи довільної довжини.
Синхронний режим передачі передбачає постійну активність каналу зв'язку. Посилка починається з синхробайту, за яким слідує потік інформаційних бітів. Коли у передавача немає даних для передачі, він заповнює паузу посилкою байтів синхронізації.
Очевидно, що послідовний шинній інтерфейс може бути як асинхронним, так і синхронним, паралельний – тільки синхронним.
Практично очевидним здається, що паралельний інтерфейс спроможний забезпечити значно більшу швидкість передавання інформації, ніж послідовний. Тому декілька десятиріч у всіх, без виключення, ПЕОМ використовувався паралельний внутрішньосистемний інтерфейс. Але у останні роки ситуація суттєво змінилась, тому що суттєво збільшились частоти сигналів, що передаються по шинам ПЕОМ. Сутність проблеми використання паралельного інтерфейсу з високою робочою частотою полягає у тому, що зі збільшенням частоти порушується синхронізація сигналів, що передаються по окремим лініям шини. Це обумовлено різною довжиною окремих ліній шини і взаємними перешкодами та перекрученнями сигналів, що розповсюджуються. Крім меншої вимогливості до точності синхронізації, послідовні інтерфейси мають, порівняно з послідовними, ще деякі переваги:
- мала кількість сигнальних ліній;
- можливість використання довгих з’єднувальних кабелів;
- можливість з’єднання пристроїв, які знаходяться під різними електричними потенціалами.
Для шинного інтерфейсу, що з'єднує (фізично або логічно) два пристрої, розрізняють три можливих режими обміну інформацією -- дуплексний, напівдуплексний і симплексний.
Дуплексний режим дозволяє по одному каналу зв'язку одночасно передавати інформацію в обох напрямках. Він може бути асиметричним, якщо пропускна здатність у напрямках "туди" і "назад" має істотно різні значення, або симетричним.
Напівдуплексний режим дозволяє передавати інформацію "туди" і "назад" по черзі, при цьому інтерфейс має засоби переключення напрямку каналу.
Симплексний (односторонній) режим передбачає тільки один напрямок передачі інформації (у зустрічному напрямку передаються тільки допоміжні сигнали інтерфейсу).
2. Чипсет і шини сучасної ПЕОМ.
Взаємодію окремих компонентів ЕОМ між собою в узагальненій структурі обчислювальної системи забезпечує системна шина. У реальної ПЕОМ для об'єднання модулів і інших компонентів у єдине ціле служить материнська (системна) плата. Архітектура системної плати схематично зображена на рис.1.
Фізична реалізація системного інтерфейсу в узагальненій структурі представленого системною шиною і сукупністю портів введення-виводу, являє собою ряд шин, що розрізняються по призначенню, продуктивності, пропускній здатності (USB, PCІ, ІSA, AGP, FSB, шина пам'яті) і чіпсет материнської плати.
Чіпсетом називається багатофункціональний цифровий пристрій, звичайно реалізований у вигляді двох ВІС та призначений для забезпечення підтримки мікропроцесора і забезпечення взаємозв'язку між різними шинами й інтерфейсами.
Сучасні чіпсети містять цілий ряд основних, базових контролерів пристроїв, що підключаються до материнської плати:
- контролер дисководу FDC (Floppy Dіsk Controller), до нього можна підключити 2 дисководи;
- контролер жорсткого диска (ІDE Controller), причому вбудований у чіпсет контролер підтримує два порти для підключення жорстких дисків, а до кожного порту можна підключити по 2 диски, тобто до стандартної материнської плати можна підключити до чотирьох накопичувачів на жорстких магнітних дисках. Слід зазначити, що цей же контролер забезпечує і підключення накопичувачів на оптичних компакт-дисках;
- контролері зовнішніх портів (інтерфейсів периферійних пристроїв), що будуть розглянути на наступному занятті.
Чіпсет материнської плати звичайно складається з двох компонентів. Називаються ці компоненти Північний і Південний міст. Назви „Північний” і „Південний” -- історичні. Вони означають "розташування" чіпсета - моста щодо шини PCІ (по швидкості роботи): Північний знаходиться "вище", а Південний - "нижче". Назва „міст” дали чіпсетам по виконаним ними функціями: вони служать для зв'язку різних шин і інтерфейсів. Північний міст працює із самими швидкісними пристроями (пам'ять, AGP, системна шина процесора і шина зв'язку з Південним мостом), тому сам повинний працювати дуже швидко. Південний міст працює з повільними пристроями, такими як накопичувачі інформації та периферійні пристрої.