156 Глава 4. Организация шин

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (рис. 4.2). На начальной стадии преобладали непосредственные связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и особенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее, и их рассмотрению посвящен один из разделов учебника. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей. , Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать (рис. 4.3):

• совокупность сигнальных линий;

• физические, механические и электрические характеристики шины;

Организация шин 157

• используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

• правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения и транзакции записи. Если в'обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства назывют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» — это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина, ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.

158 Глава 4. Организация шин ,

В данной главе рассматриваются только общие вопросы, касающиеся организации, функционирования и применения шин, без ориентации на конкретные реализации.

Типы шин

Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее це- ^;левое назначение. По этому критерию можно выделить:

• шины «процессор-память»;

• шины ввода/вывода;

• системные шины.

Шина «процессор-память»

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В со-} временных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между ■ процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количе-:] ство информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей..^:Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в пла- . не эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется i по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, свя-^;зывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина зад-' него плана — BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей ско- J ростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной] кэш-памяти. ^;

Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором & и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенно-j стей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.

Шина ввода/вывода

. . ■ . ■ i

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не] с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с ва- ' риантом «процессор-Память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.



	Глава 4 Организация шин

	Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между: • центральным процессором и памятью; • центральным процессором и модулями ввода/вывода; • памятью и модулями ввода/вывода. Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны на рис. 4.1.



	158 Глава 4. Организация шин , В данной главе рассматриваются только общие вопросы, касающиеся организации, функционирования и применения шин, без ориентации на конкретные реализации. Типы шин Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее це- ^;левое назначение. По этому критерию можно выделить: • шины «процессор-память»; • шины ввода/вывода; • системные шины. Шина «процессор-память» Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В со-} временных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между ■ процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количе-:] ство информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей..^:Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в пла- . не эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется i по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, свя-^;зывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина зад-' него плана — BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей ско- J ростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной] кэш-памяти. ^; Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором & и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенно-j стей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной. \ Шина ввода/вывода . . ■ . ■ i Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не] с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с ва- ' риантом «процессор-Память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.