Искусство схемотехники. Том 2 (Изд.4-е)

Процессы на магистрали еще более усложняются в многопроцессорных системах, где управление магистралью переходит из рук в руки. На синхронной магистрали с несколькими ведущими все ведущие должны использовать единый тактовый генератор, в то время как асинхронная магистраль допускает различные тактовые частоты. К счастью для вас, обсуждение многопроцессорных систем выходит за рамки этой книги! Следует отметить обстоятельство, могущее привести к недоразумениям. Вы не добавляете состояния ожидания при работе с медленными периферийными устройствами (например принтером); это следует делать лишь при наличии медленных ИС (скажем, ПЗУ с временем доступа 250 нc или медленной периферийной БИС). Медленная периферия обычно безнадежно медленна (миллисекунды, а не наносекунды); с такими устройствами следует посылать (или принимать) байт на полной скорости магистрали, фиксируя его в регистре байтовой ширины, после чего ожидать прерывания (или, возможно, установки флага состояния), чтобы инициировать следующую передачу на, полной скорости.

10.15. Магистрали других микрокомпьютеров

Для иллюстрации архитектуры микрокомпьютерной магистрали-сигналов на магистрали, разновидностей ввода-вывода, прерываний, прямого доступа к памяти, мы выбрали магистраль IBM PC. Для книги по электронике это оправданный выбор, так как компьютеры типа PC выпускаются повсеместно и широко применяются в технике вообще и в системах сбора данных и управления в частности. К тому же, магистраль PC исключительно проста в объяснении и использовании.

Однако за простоту приходится платить. Магистрали исходных IBM PC свойственны серьезные ограничения, уже упоминавшиеся ранее (например, малое число уровней прерываний и каналов ПДП). Кроме того, магистраль IBM PC имеет по нынешним меркам слишком маленькое адресное пространство (20 бит, и доступны только 640 К), слишком узкую шину данных (8 бит), недостаточную скорость передачи данных (максимально 1,2 Мбайт/с) и невозможность работы с несколькими ведущими шины. Для последующих поколений машин PC фирма IBM разработала улучшенные магистрали, сначала магистраль PC/AT (совместимое усовершенствование исходных PC), а затем новую (и несовместимую!) «микроканальную» магистраль для серии машин PS/2. Вне мира IBM можно найти конкурирующие магистрали конкретных разработчиков (например, Q-bus и VAXBI фирмы DEC), а также типовые магистрали (Multibus, NuBus, VME). Давайте пройдемся по компьютерным магистралям, перечисленным в табл. 10.2.

PC/AT и Micro Channel. Компьютеры IBM PC/AT (сокращение от Advanced Technology, улучшенная технология) появились в 1984 г., а в 1987 г., на вершине популярности, их производство было приостановлено, чтобы уступить место серии машин IBM PS/2, использовавших улучшенную магистраль Micro Channel и призванных одним махом прихлопнуть производителей АТ-аналогов. (Однако машины PC/AT продолжали процветать, поскольку производители их аналогов, как и многие покупатели, сначала игнорировали новинку IBM, улучшенные качества которой требовали несуществующего программного обеспечения.) В PC/AT используется микропроцессор 80286 и расширенная (но совместимая) магистраль исходных PC: дополнительный (и необязательный) разъем для добавочных 8 бит данных, 4 бит адресов и 5 линий IRQ (со срабатыванием, как и прежде, по фронту). В результате 16-разрядная шина данных и более высокая тактовая частота подняли пропускную способность магистрали до 5,3 Мбайт/с, что в сочетании с расширением адресного пространства и увеличением числа уровней прерываний сделали PC/AT весьма серьезным микрокомпьютером. Магистраль PC/AT (иногда называемая Industry Standard Architecture, или ISA - стандартная промышленная архитектура) даже допускает нескольких ведущих на магистрали, хотя ее возможности в этом отношении ограничены. Платы, предназначенные для исходных PC, будут работать и на PC/AT (если они обладают необходимым быстродействием), так как усовершенствования, собранные на дополнительном разъеме, можно игнорировать; в этом случае, конечно, вы возвращаетесь к 8-разрядной шине данных и 20-разрядному адресному пространству. АТ-совместимые компьютеры обычно эксплуатируют свою магистраль ввода-вывода на высоких скоростях, и при использовании старых вставных плат могут возникнуть дополнительные трудности синхронизации.

Магистраль Micro Channel была впервые применена в серии персональных компьютеров второго поколения IBM PS/2, появившихся в 1987 г. Магистраль характеризуется большой шириной шин адресов и данных (до 32 разрядов у моделей с микропроцессором 80386), 11 уровнями разделяемых прерываний (чувствительных к уровню), возможностью работы нескольких ведущих шины и асинхронным протоколом. Платы, подключаемые к магистрали Micro Channel, не содержат запаянных адресов портов ввода-вывода; адреса (вместе с другими конфигурационными характеристиками) назначаются ЦП в процессе загрузки на основе информации, прочитанной в ПЗУ на плате. Это приятное качество избавляет вас от необходимости настраивать каждую плату с помощью микропереключателей или беспокоиться о возможности наложения адресных пространств разных плат. Платы Micro Channel характеризуются очень небольшими геометрическими допусками, что связано с использованием разъемов с расстоянием между контактами всего 1,27 мм.

EISA. Расширенная стандартная промышленная архитектура (Extended Industry Standard Architecture, EISA) явилась ответом производителей АТ-аналогов на наступление магистрали Micro Channel. Магистраль EISA была предложена в 1988 г. девятью фирмами, выпускающими АТ-совместимые компьютеры. Добавив к АТ-магистрали дополнительный разъем, разработчики EISA реализовали многие привлекательные черты магистрали Micro Channel, сохранив совместимость с существующими вставными платами AT. Таким образом, вы можете вставить стандартную плату AT в магистраль EISA и получить обычную машину AT. Однако при использовании с магистралью EISA специально разработанных для нее плат, магистраль поддерживает 32-бит передачу данных (с максимальной скоростью передачи 33 Мбайт/с), 32-бит адресацию памяти, несколько ведущих магистрали, программируемые прерывания по уровню или по перепаду, а также автоматическое конфигурирование платы.

Multibus I и II. Форматы магистрали Multibus, первоначально предложенные фирмой Intel, нашли применение во многих компьютерах. Исходная магистраль Multibus I имеет большие возможности, в том числе 16-разрядную шину данных, 24-разрядное адресное пространство и несколько ведущих на магистрали. Miltibus II предназначена для высокопроизводительных микропроцессорных систем и отличается 32-разрядными шинами адресов и данных, контролем четности, распределенным арбитражем, протоколами передачи сообщений. Магистраль использует 10 МГц тактовый генератор в синхронном режиме и может передавать до 40 Мбайт/с по последовательным адресам в режиме «блочной передачи». Так же, как и некоторые другие сложные магистрали, в Multibus II экономятся контакты путем мультиплексирования данных и адресов на подшине из 32 линий. В Multibus II используются также 96-контактные соединители DIN, укрепленные на платах, вместо торцевых плоских позолоченных соединителей; хорошо разработанный «составной» соединитель на плате обеспечивает большую надежность, и система соединения оказывается нечувствительной к искривлению плат и грубому обращению.

Хотя Multibus II отличается многими преимуществами, гибкость этой магистрали усложняет ее использование. Например, на магистрали отсутствуют обычные прерывания; вы «прерываете» путем запроса на захват магистрали и посылки затем сообщения в процессор о вашем желании прервать его работу! Для простых систем удобнее использовать более простую магистраль Multibus 1 (или какую-то другую того же класса).

NuBus. Это еще одна высокопроизводительная синхронная многопроцессорная магистраль с 32-разрядными мультиплексированными данными и адресами, соединителями DIN и высокой скоростью передачи данных (до 40 Мбайт/с в режиме блочной передачи). Как и в случае Multibus II, прерывания реализуются путем запроса на захват магистрали. Магистраль NuBus используется в старших моделях компьютеров Macintosh, где, к счастью, фирма Apple добавила к каждому разъему линию прерываний. Таким образом, каждый разъем для установки вставной платы имеет назначенный ему вектор; соответствующий обработчик прерываний определяет плату-источник прерывания без процедуры опроса, которая требуется лишь в тех случаях, когда плата содержит несколько прерывающих устройств.

Магистраль VME. Эта магистраль, как и NuBus или Multibus II, предназначена для многопроцессорных 32-разрядных систем. Однако в ней не используются мультиплексированные линии данных/адресов. Нет в ней и главного тактового генератора для синхронной передачи, поскольку для магистрали принят асинхронный протокол; это дает возможность без труда объединять процессоры, работающие с разными скоростями. Магистраль VME включает обычную многоуровневую систему прерываний IRQ-типа, с полным подтверждением прерывания (и линией INTR, образующей последовательную цепочку). Магистраль VME часто рассматривают, как альтернативную по отношению к Multibus; например, исходные компьютеры Sun фирмы Sun Microsystems использовали Multibus, в то время как в более поздних моделях Sun2 и Sun3 применена магистраль VME. Магистрали VME и Multibus II под одобрение фирм Motorola и Intel постоянно выясняют свои отношения в технической прессе с обличительными заявлениями и бранью.

Fastbus и Futurebus. Это весьма высокопроизводительные магистрали, работающие с ошеломляющей скоростью. Магистраль Fastbus использует платы большого размера (14x16 дюйм), ECL — драйверы и протоколы арбитража для работы с несколькими ведущими на магистрали. Сильной стороной этих магистралей является система магистральных взаимодействий с возможностью изощренной «географической» адресации за пределы собственно крейта плат.

Q-bus иVAXBI. Это патентованные магистрали компьютеров фирмы DEC. Магистраль Q-bus, использовавшаяся в машинах LSI-11 и ранних компьютерах Micro VAX, произошла от магистрали Unibus исходных машин PDP-11 фирмы DEC. Q-bus поддерживает 16-разрядные данные и 22-разрядную адресацию, асинхронный протокол с несколькими ведущими и многоуровневые прерывания IRQ-типа. VAXBI является высокопроизводительной магистралью с мультиплексированной 32-разрядной шиной данных/адресов, предназначенной для более совершенных машин VAX серии 8600.

10.16. Подключение к компьютеру периферийных устройств

Интерфейсы обычно изготавливаются в виде печатных плат, либо плат с накруткой (см. гл. 12), предназначенных для вставления в плоские разъемы («слоты») микрокомпьютера. Обычно в микрокомпьютере предусматривается некоторое количество свободных разъемов именно для этой цели (либо занятые разъемы допускают «расширение» и вставление новых плат), причем по всем разъемам разводятся сигналы магистрали и питающие напряжения. Некоторые машины используют «патентованные» магистрали (например IBM PC), другие базируются на стандартных микрокомпьютерных магистралях (например рабочая станция Sun3 с магистралью VME), наконец, в некоторых вообще не предусматривается дополнительных разъемов (например исходные машины Macintosh). Каждая магистраль рассчитана на платы некоторого стандартного размера (или размеров), от крошечных плат IBM PS/2 размером 3,2x11,5 дюйм до гигантских 14,4x15,9 дюйм плат Fastbus. Каждая плата, в зависимости от магистрали, для которой она предназначена, имеет вдоль одного края от 50 до 300 соединений либо в форме позолоченных печатных ламелей, либо в виде многоштырьковых соединителей, припаянных к плате; последние известны под именем «составных» (two-part) соединителей и, как правило, более надежны, чем печатные плоские разъемы. Имеющиеся на рынке интерфейсы для решения стандартных задач (диски, графика, связь, аналоговый ввод-вывод) обычно монтируются на платах, которые вставляются в свободные разъемы машины. Если интерфейс управляет периферийным устройством, они связываются кабелями; в тех случаях, когда у интерфейса очень много входов и выходов (как, например, у цифрового логического анализатора), он может соединяться кабелем с внешней частью в виде панели или коробки, где больше места для разъемов (и дополнительных схем). В любом случае обычно используется гибкий ленточный кабель, причем предусматриваются меры для снижения уровня перекрестных помех на сигнальных и стробирующих линиях.