7.2. Шинная архитектура
Несмотря на достоинства хабовой архитектуры, в настоящее время основную массу IPC составляют компьютеры с шинной архитектурой. В частности, промышленные компьютеры включают интерфейсы с управляемым оборудованием, подключенные через описанные ниже шины PCI, ISA и их аналоги (например, PC-104, которая отличается от шины ISA только типом коннектора и нагрузочными характеристиками линий). Несомненно, что и при появлении промышленных компьютеров с хабовой архитектурой интерфейсы оборудования будут оставаться шинными (как у Р55, который имеет 4 слота PCI).
Содержание основных понятий шинной архитектуры неоднозначно (зависит от источника изложения), для дальнейшего использования предлагается принять следующие толкования.
Шина – это совокупность магистралей электрической связи и протоколов обмена, а магистраль – это набор линий электрической связи для сигналов одного и того же функционального назначения. Обычно различают магистрали адресов, магистрали данных и магистраль управления, иногда их по отдельности называют шинами.
Устройство связи периферийного оборудования с шиной называют контроллером, адаптером, интерфейсным модулем, картой расширения. Последние три наименования используют обычно для устройств, выполненных на отдельной плате.
Основной чертой систем с шинной архитектурой является использование для связи между устройствами многоточечных шин. К одной шине может быть подключено несколько активных устройств АУ (хотя обычно одно), способных управлять обменом данными, и несколько пассивных ПУ. Графически шину изображают в виде утолщенной линии со стрелками на концах, с боков которой к ней подведены связи – также со стрелками – от устройств (рис. 31).
Рис. 31
Активное устройство на шине, управляющее обменом в данном цикле, называют задатчиком, инициатором, мастером. Пассивное устройство, к которому обращается задатчик в данном цикле, называют исполнителем или целью.
В структурных схемах могут быть изображены и каждая из магистралей шины в отдельности.
Асинхронный обмен – обмен информацией в темпе, определяемом быстродействием исполнителя, т.е. с ожиданием задатчиком исполнения требуемой операции. Синхронный обмен – обмен информацией в темпе, формируемом задатчиком. Возможен также режим ожидания, вводимый исполнителем с низким быстродействием сразу после обращения к нему.
Установка сигнала означает перевод сигнала в активное состояние, снятие сигнала – перевод в пассивное состояние. Перевод состояния из пассивного в активное называют передним фронтом сигнала, а обратный переход – задним фронтом. В то же время переход сигнала из 0 в 1 называют фронтом или положительным фронтом, а обратно – срезом или отрицательным фронтом.
Во многих шинах часть сигналов передается инверсно, т.е. уровень эл.0 означает, что сигнал активен (Low-активные сигналы). Это нужно, чтобы:
повысить помехозащищенность, которая у ТТЛ несимметричная. Входные токи стремятся подтянуть уровень к высокому, и в случае прямых H(High)- активных сигналов это действует согласно с помехой, чреватой ложными срабатываниями. При L-активных сигналах входной ток противодействует помехе. Особенно важно использовать L-активность для сигналов, передаваемых по кабелям.
обеспечить возможность нескольким источникам управлять одной и той же линией. L-активная линия «подтягивается» к высокому уровню резистором, а активный сигнал может вводить любой подключенный к ней вентиль с открытым коллектором (можно с тристабильными выходом).
Инверсию сигналов обозначают разными способами: перед названием сигнала ставят знак «минус», над именем проводят черту, после имени ставят обратную косую черту или знак # (диез, решетка, sharp). В данном пособии используется последний способ.
Многие исполнители используют режим прерывания для вызова программы своего обслуживания. Понятие прерывания известно студентам из курса ВТ. Рассмотрим способы реализации этого режима.
Радиальное прерывание – прерывание, адрес вектора которого определяется только номером линии запроса прерывания. Векторное прерывание – такое, АВП которого сообщается явно устройством, запросившим прерывание. Адрес вектора прерывания – это обычно адрес ячейки, в которой находится адрес начала программы обслуживания инициатора прерывания. Инициатором может быть как задатчик, так и исполнитель (в таком случае исполнитель называется инициативным).
В IBM PC был дважды нарушен принцип L-активности управляющих сигналов интерфейса: Н-активность имеют сигналы запросов аппаратных прерываний IRQx и каналов прямого доступа DRQx 1. Это привело к невозможности совместного использования несколькими устройствами одной линии прерываний (аналогично для каналов DMA).
DMA (англ. Direct Memory Access) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM), без участия центрального процессора (ЦП), т.е режим прямого доступа к памяти (хотя в принципе это режим перехвата управления по шине). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно. Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование пакетного («взрывного» – burst) режима работы шины — 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена. DRQx (Direct ReQest) – сигнал запроса на прямой доступ.