Системные интерфейсы и шины расширения

Основой высокой производительности вычислительной машины любого типа является центральный процессор (ЦП), состоящий из микропроцессора (МП) и оперативной памяти, связанных шиной передачи информации. Из этих трех составляющих определяющим является МП, т.к. он преобразует информацию и управляет передачей данных. Процессор – активное устройство, а ОЗУ и шина – пассивные.

Оптимальным условием, с точки зрения производительности ЭВМ является равенство скоростей МП, ОЗУ и шины. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности, частоты работы и числа синхроимпульсов на передачу одного слова.

Внутренние шины подразделяют на шины, обеспечивающие связь процессора с памятью и шины ввода-вывода. Шины процессор-память сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Такие шины стали называть системными шинами.

Шины ввода-вывода длиннее и могут поддерживать подсоединение многих типов устройств и соответствуют их стандартам.

 

Эти шины стали называть шинами расширения, поскольку они как бы расширяет системную шину с точки зрения количества подключаемых устройств. ПУ подсоединяют к шине ввода-вывода посредством интерфейсов ПУ.

Все устройства различаются по задержке и пропускной способности.

Рассмотрим, как изменялась пропускная способность системной шины (МП-память) в зависимости от скоростей работы МП и памяти.

В таблице 1 приведены некоторые характеристики микропроцессоров фирмы Intel, расположенных по годам, начиная с 1978 г., года появления ПК.

 

Pentium3	450-1400		32-36		2x16
Pentium4	1300-3800				2x16

 

В таблице 2 даны характеристики памяти (время доступа) и системной шины процессор-память (частота шины данных, максимальная и реальная пропускная способность). Под пропускной способностью понимают скорость передачи двоичных данных по шине.

 

Напомним, что означают аббревиатуры типов памяти в левой колонке.

 

FPM RAM (от англ. Fast Page Mode Random Access Memory — память с произвольным доступом, поддерживающая быстрый страничный режим) — тип оперативной памяти, используемой в компьютерах в 1990-х годах. Увеличение быстродействия по сравнению с обычной RAM достигалась следующим образом: в случае, когда последовательно выбираемые элементы расположены на одной странице (строке), полный адрес (строка + столбец) подается только один раз для выборки первой ячейки строки. Для доступа к другим ячейкам той же страницы используется только адрес столбца.

 

EDO RAM (Extended Data Out Random Access Memory) — память произвольного доступа к данным с расширенным выводом — усовершенствованный тип памяти FPM RAM (другое название Hyper Page Mode).

 

SRAM - статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные можно только если есть питание, то есть SRAM энергозависимый тип памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из байтов, обусловлена особенностью конструкции, в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequential access memory).

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

SDRAM - синхронная оперативная память — это первая технология оперативной памяти, со случайным доступом разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. Память SDRAM разработана на основе стандартной DRAM, но в отличие от асинхронной памяти, имеет таймер ввода данных. Таймер пошагово контролирует деятельность микропроцессора, может также управлять работой SDRAM. Это означает, что контроллер памяти знает точный временной цикл таймера, на котором запрошенные данные будут обработаны. В результате, это освобождает процессор от необходимости состояния ожидания, между моментами доступа к памяти.

RDRAM — стандарт оперативной памяти, разработанный компанией Rambus в сотрудничестве с Intel в 1996 году. Высокие частоты памяти обеспечивают 99% загрузку канала, в то время, когда у конкурирующих стандартов загрузка достигает максимум 70%. Пропускная способность памяти 1 Гб/с, а позже и 4 Гб/с. Право использовать RDRAM-планки лицензировали компании LG, Samsung, Mitsubishi. Позже к ним присоединилась компания AMD.

 

Для повышения пропускной способности системной шины увеличивают ее ширину, т.е. число одновременно передаваемых байтов. За весь период число разрядов шины данных увеличился с 8 до 128. Это позволило увеличить пропускную способность системной шины, до величины 1600 Мбайт/сек.

Отметим, что применение новых технологий увеличило производительность ОЗУ к настоящему моменту, где то в 10 раз. Под производительностью памяти понимается соотношение объема и скоростных характеристик ОЗУ с точки зрения их влияния на общую производительность системы. Влияние оценивается при помощи специальных тестов и специального программного обеспечения.

В то же время, как видно из таблицы 1, тактовая частота МП с 1978 г. возросла в 720 раз.

Таким образом, между производительностью МП и памяти существует большой разрыв.

Для того чтобы МП не простаивал, используют дополнительную высокоскоростную память КЭШ на основе SRAM, располагаемую как на кристалле МП (КЭШ-память 1-го уровня), так и вне кристалла (КЭШ-память 2-го уровня). В последних МП типа Pentium3, 4 КЭШ-память 2-го уровня располагается в одном корпусе с МП и имеет объем до 1 МВт, что позволяет увеличивать частоту работы шины связи этой памяти с ядром МП.

Производительность и качество работы компьютера определяется не только высокой скоростью центрального процессора и производительностью ОЗУ, но и скоростью и качеством работы ПУ. Очень важными являются такие параметры, как емкость, время доступа, скорость передачи данных у внешних запоминающих устройств, возможность отображения на экране монитора трехмерной графики со сложными ее преобразованиями в реальном масштабе времени, показ "живого видео" и т.п.

Поэтому в компьютере требуется организация оптимального взаимодействия ЦП и ПУ, чем и занимаются шины ввода-вывода.

Рассмотрим их развитие и трансформацию, начиная с первых компьютеров IBM PC. Следует подчеркнуть, что развитие шин ввода-вывода шло таким образом, чтобы сохранить преемственность с ранее разработанными и выпускаемыми аппаратными и программными средствами.

Важным свойством интерфейсов ввода-вывода является поддержка режима автоконфигурации (Plug and Play). При конфигурации систем, каждому ПУ задается определенный уровень прерываний и диапазон адресов для регистров этого устройства. Этот процесс требует времени и определенной квалификации пользователя. Введение режима Plug and Play автоматизирует этот процесс, существенно облегчая конфигурирование при подключении нового ПУ.

В таблице 3 приведены характеристики шин ввода-вывода (шин расширения), используемых в персональных компьютерах начиная с 80-х годов. В таблице приведена пиковая пропускная способность (теоретически возможная), реальная примерно в 2 раза ниже за счет прерываний, регенерации, протокольных процедур. Пропускная способность зависит от частоты работы шины, разрядности шины данных и количества тактов на передачу одного слова. Шина использует все свои возможности, если слово передается за один синхроимпульс шины.

Одной из первых шин персональных компьютеров была системная шина IBM PC/XT, обеспечивавшая передачу 8 бит данных. Кроме того, эта шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа к памяти (DMA). При этом системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4.77 МГц. Теоретическая скорость передачи данных могла достигать немногим более 4 Мбайт/с.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в персональных компьютерах IBM PC/AT на базе процессора i286. В этой системной шине количество адресных линий было увеличено, что позволило передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено до 15, а каналов прямого доступа - до 7. Системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины. Шина ISA позволяет синхронизировать работу процессора и шины с разными тактовыми частотами. Она работает на частоте 8 МГц, что соответствует максимальной скорости передачи 16 Мбайт/с.

С появлением процессоров i386, i486 и Pentium шина ISA стала узким местом персональных компьютеров. Новая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайт, 32-битовую передачу данных, улучшенную систему прерываний и арбитража, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шины ISA могут работать на шине EISA.

Шина EISA тактируется частотой около 8 МГц и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с.

Шина MCA также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, имеет средства автоматического конфигурирования и арбитража запросов. В отличие от EISA она не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.

 

VESA local bus — VL-Bus или VLB.

Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП Intel 80486 для связи с видеоадаптером и реже с контроллером HDD. Реальная скорость передачи данных по шине VLB составляет 80 Мбайт/с. Теоретически достижимая — 132 Мбайт/с.

Шина разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA — Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA. Главной целью её разработки была дешёвая альтернатива шинам EISA, пригодная для внедрения в массовые настольные компьютеры. С этой ролью шина VLB успешно справилась. Было выпущено большое количество плат контроллеров, использовавших эту шину, на основе выпущенных ранее микросхем, работавших до этого с шиной ISA. Даже при 16-битной архитектуре мог быть получен выигрыш от в 4 раза большей тактовой частоты. С появлением шины PCI и процессоров Intel Pentium необходимость в ее использовании исчезла.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) также поддерживает 32-битовый канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами, работает на тактовой частоте 33 МГц и имеет максимальную пропускную способность - 132 Мбайт/сек. Шина PCI не зависит от типа процессора. Ee можно легко подключить к различным центральным процессорам. В их числе Pentium, Alpha, R4400 и PowerPC.

Шина PCI стала самой популярной. Она постоянно развивается, вышли версии 2.0; 2.1; 2.2. Последняя версия PCI-Х.

Скорость шины при частоте 66 МГц и использовании 64 разрядной шины - 528 Мбайт / сек. Шина поддерживает режим автоконфигурации, «горячую» замену адаптеров, управление энергопотреблением.

Шина PCI не устранила «узкое место» обмена памяти компьютера с видеокартой.

Поэтому фирма Intel на базе стандарта PCI 2.1 разработала новую шину AGP (R1.0 затем 2.0).

AGP – Accelerated Graphic Port – шина предназначена для подключения графических адаптеров. Эта шина 32-х разрядная с тактовой частотой 66 МГц, по составу сигналов напоминающая шину PCI. Пропускная способность шины AGP в обычном режиме 256 Мбайт/сек. В версии 1.0 имеется режим

AGP2Х, когда за один такт передается два 32-х разрядных слова по фронту и спаду сигнала синхронизации со скоростью 528 Мбайт/сек. В 1998 г. появилась версия 2.0, где за один такт передается 4 слова. Пропускная способность - 2 Гбайт/сек.

Шина AGP не заменяет полностью шину PCI, т.к. в ней не поддерживается ряд операций PCI, и она обладает своей рекордной пропускной способностью только в одну сторону от процессора к видеокарте, обратно данные пересылаются со скоростью обычной PCI.

Шина VME приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизована, имеется несколько версий этого стандарта. В частности, VME32 - 32-битовая шина с производительностью 30 Мбайт/с, а VME64 - 64-битовая шина с производительностью 160 Мбайт/с.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров SPARC одновременно используются несколько типов шин: SBus, MBus и XDBus, причем шина SBus применяется в качестве шины ввода/вывода, а MBus и XDBus - в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Шина SBus (известная также как стандарт IEEE-1496) имеет 32-битовую и 64-битовую реализацию, работает на частоте 20 и 25 МГц и имеет максимальную скорость передачи данных в 32-битовом режиме равную соответственно 80 или 100 Мбайт / сек.

Шина предусматривает режим групповой пересылки данных с максимальным размером пересылки до 128 байт. Она может работать в двух режимах передачи данных: режиме программируемого ввода/вывода и в режиме прямого доступа к виртуальной памяти. Последний режим особенно эффективен при передаче больших блоков данных.

Шина MBus работает на тактовой частоте 50 МГц в синхронном режиме с мультиплексированием адреса и данных. Общее число сигналов шины равно 100, а разрядность шины данных составляет 64 бит. По шине передаются 36-битовые физические адреса.

Шина обеспечивает протокол поддержания когерентного состояния кэш-памяти нескольких (до четырех) процессоров. Она имеет максимальную пропускную способность в 400 Мбайт/с, а типовая скорость передачи составляет 125 Мбайт/с.

Отличительными свойствами шины MBus являются: возможность увеличения числа процессорных модулей, поддержка симметричной мультипроцессорной обработки, высокая пропускная способность при обмене с памятью и подсистемой ввода/вывода, открытые (непатентованные) спецификации интерфейсов.

Шина MBus была разработана для относительно небольших систем (ее длина ограничивается десятью дюймами, что позволяет объединить до четырех процессоров с кэш-памятью второго уровня и основной памятью). Для построения систем с большим числом процессоров нужна большая масштабируемость шины.

Эту задачу решает шина - XDBus, которая используется, например, в серверах Super Server 6400 компании Cray Research (до 64 процессоров). XDBus представляет собой шину, работающую в режиме расщепления транзакций. Это позволяет ей, имея пиковую производительность в 400 Мбайт/с, поддерживать типовую скорость передачи на уровне более 310 Мбайт/с.

В современных системах применяются и фирменные (запатентованные) шины, обеспечивающие очень высокую пропускную способность для построения многопроцессорных серверов. Одной из подобных шин является системная шина POWERpath-2, которая применяется в суперсервере Chellenge компании Silicon Graphics. Она способна поддерживать эффективную работу до 36 процессоров MIPS R4400 (9 процессорных плат с четырьмя 150 МГц процессорами на каждой плате). Шина имеет разрядность данных 256 бит, разрядность адреса 40 бит, и работает на частоте 50 МГц с пониженным напряжением питания. Она поддерживает методику расщепления транзакций, причем может иметь до восьми отложенных транзакций чтения одновременно. При этом арбитраж шины адреса и шины данных выполняется независимо.