49 Стандартизация шин
Стандартизация шин позволяет разработчикам различных устройств вычислительных машин работать независимо, а пользователям – самостоятельно сформировать нужную конфигурацию ВМ. Часто стандарты разрабатываются специализированными организациями. Такими общепризнанными авторитетами в области стандартизации являются IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – Институт инженеров по электротехнике и электронике) и ANSI (American National Standards Institute) – Национальный институт стандартизации США. Многие стандарты становятся итогом кооперации усилий производителей оборудования для вычислительных машин. Иногда, в силу популярности конкретных машин, реализованные в них решения становятся стандартами де-факто, однако успех таких стандартов во многом определяется их принятием и утверждением в IEEE и ANSI.
Рассматривая вопросы стандартизации шин, следует отдельно говорить о шинах, связывающих основные устройства ВМ (центральный процессор, память, модули ввода/вывода), – шинах «большого» интерфейса, и шинах, служащих для присоединения к модулю ввода/вывода МВВ периферийных устройств – шинах «малого» интерфейса. В процессе развития вычислительной техники совершенствовались шины обоих видов, что выражалось в появлении все новых и новых стандартов. Общая тенденция в развитии шин «большого» и «малого» интерфейса – переход от параллельных синхронных шин к последовательным асинхронным шинам.
Шины «большого» интерфейса. В меньшей степени стандартизация касается шин «большого» интерфейса, выполняющих роль системных шин. Большей частью сфера применения каждого отдельного стандарта ограничена вычислительными машинами какого-то одного производителя. До недавнего времени в качестве стандартных шин «большого» интерфейса превалировали параллельные шины, среди которых наиболее широкое распространение получили шины: VME (Motorola), Multibus II (Intel), ISA (IBM), EISA (IBM) и ряд других.
В последнее время все более популярными становятся последовательные шины «большого» интерфейса. Хотя в плане организации обмена информацией параллельные шины проще, для них, помимо большого числа проводников, характерны и другие проблемы, такие, например, как необходимость осуществлять синхронизацию сигналов, передаваемых по каждому проводнику параллельной шины за один такт. Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя лишь несколько пар проводов, и по своей организации существенно отличаются от параллельных. В последовательных шинах отсутствуют выделенные линии данных, адреса и управления – все функции приходится выполнять, используя одну или две пары сигнальных проводов. Шинный протокол в последовательных шинах основан на пересылках пакетов – определенным образом организованных цепочек битов. Соединение устройств в последовательных шинах обычно реализовано по системе «точка-точка», что позволяет избавиться от процедуры арбитража.
Для последовательных шин характерны два основных типа передач данных – асинхронный и изохронный.
Асинхронный режим используется при передаче сообщений между двумя устройствами. Одно из устройств посылает запрос, на который второе устройство отвечает положительным (АСК) или отрицательным (NACK) подтверждением. Отрицательное подтверждение формируется, если обнаружена ошибка. В этом случае передачи будут повторяться несколько раз до достижения успеха (получения положительного подтверждения) или до фиксации ошибки.
Изохронные передачи используются для потоковых передач данных в реальном масштабе времени и ведутся широковещательно. Для таких передач резервируется определенная полоса пропускания шины, позволяющая обеспечить допустимую величину задержек, однако доставка сообщения не гарантируется (при обнаружении ошибки повторная передача не производится). Изохронные передачи используются для передачи аудио- и видеотрафика.
Среди последовательных шин «большого» интерфейса наиболее популярные – шины PCI Express, HyperTransport и QPI.
50. Шина PCI Express. Стандарт PCI Express (PCI-E) впервые был опубликован в 2002 году. Разработку шины инициировала фирма Intel.
В отличие от параллельных системных шин, где все устройства подключаются к параллельной двунаправленной шине, системная шина PCI Express – это совокупность самостоятельных последовательных двунаправленных каналов передачи данных, объединенных по топологии типа «звезда». В терминологии, принятой для PCI-E, канал называют PCI Express Link или просто link. Все каналы одной стороной подключены к коммутатору (switch), расположенному в центре звезды. К противоположному концу канала подключается одно из устройств, участвующих в обмене. Таким образом, между каждым устройством и коммутатором реализуется соединение типа «точка-точка». Благодаря такой схеме любое устройство посредством коммутатора может быть соединено с любым другим, что и требуется от системной шины. В упрощенном варианте организация системной шины PCI-E показана на рис. 2.87.
Канал может состоять из одной, либо нескольких (2, 4, 8, 16 или 32) двунаправленных линий передачи сигналов, которые в терминологии PCI-E называются lanes. Каждая линия реализуется в виде двух пар проводов (по одной паре для передачи и для приема). Применение нескольких линий позволяет масштабировать пропускную способность канала, которая для одной линии составляет 2,5 Гбит/с. Канал из 32 линий обеспечивает пропускную способность 16 Гбайт/с (в PCI Express 2.0 – 32 Гбит/с).
Рис. 2.87. Организация системной шины на базе стандарта PCI-E
Информация в PCI Express передается в пакетах, которые могут содержать данные, адреса, служебные запросы и т.д., причем все виды пакетов передаются по тем же линиям, что и пакеты с данными. Обмен информацией ведется одновременно (но не синхронно) по всем доступным линиям. Так, для канала с четырьмя линиями первый пакет на передачу может быть отправлен по первой линии, второй – по второй, третий – по третьей, четвертый – по четвертой, а вот пятый – снова по первой линии и т.д. Каждая линия работает независимо от других, за счет этого и достигаются столь большие скорости передачи данных. Используется протокол с расщеплением транзакций.
В каналах для помехозащищенности может использоваться избыточное кодирование, где каждый байт представляется десятью битами. Контрольная информация передается по тем же линиям, что и данные.
Шина PCI Express управляется контроллером, называемым главным мостом (Host Bridge). Вся управляющая информация, включая запросы прерывания, передается по тем же линиям, что и данные.
51. Шина HyperTransport. Шина также реализует технологию последовательной передачи данных. Разработку шины инициировала корпорация AMD и продвигает консорциумом HyperTransport Technology. Шина НТ состоит из двунаправленных линий передачи данных и является масштабируемой – возможно использование 2, 4, 8, 16 или 32 линий на каждое направление, причем разрешается, например, использовать 2 линии на прием и 32 на передачу. Упрощенная структура шины показана на рис. 2.88.
Данные, передаваемые по линии, упаковываются в пакеты стандартного вида. Каждый пакет состоит из 32-разрядных слов, первое из которых – управляющее. Если пакет содержит адрес, то последние 8 битов управляющего слова сцеплены со следующим 32-битным словом, тем самым образуя 40-битный адрес. Возможна и 64-разрядная адресация (это указывается в управляющем слове). Данные всегда передаются 32-битными словами, вне зависимости от реальной длины данных.
Рис. 2.88. Упрощенная структура шины Hypertransport
В линиях используется технология DDR (Double Data Rate), в которой данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации.
Частота сигнала синхронизации настраивается автоматически. 32-битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 41,6 Гбайт/с, являясь, таким образом, самой быстрой шиной среди себе подобных.
По скорости работы и удобству разводки НТ перекрывает любые потребности, однако возможности используемых протоколов не позволяют реализовывать сложную маршрутизацию, обеспечиваемую PCI Express.
Шина Hyper Transport на данный момент идеальна в качестве системной шины. Шина PCI Express лучше подходит для оконечных внешних устройств. В общем, каждая из шин по-своему достаточно хороша, и однозначно отдать преимущество какой-то одной из них весьма трудно.
Шина QPI. Шину QPI (QuickPath Interconnect), впервые применена в многоядерных микропроцессорах Nehalem фирмы Intel. Ее можно рассматривать как аналог шины Hyper Transport.
Шина также базируется на технологии «точка-точка» и представляет собой два 20-битных подканала, ориентированных на передачу данных в прямом и обратном направлении. 16 битов предназначаются для передачи данных, оставшиеся четыре носят вспомогательный характер и используются для нужд протокола и для коррекции ошибок. Помимо этого, каждый подканал содержит линию для передачи тактирующих импульсов (ТИ). Все линии двухпроводные, таким образом, канал состоит из 84 проводов. Структура шины QPI показана на рис. 2.89.
Рис. 2.89. Структура шины QPI
Пропускная способность шины составляет 12,8 Гбайт/с в каждую сторону или 25,6 Гбайт/с суммарно, что приблизительно равно пропускной способности шины HyperTransport v3.0.
52. Шины «малого» интерфейса. Наиболее распространение среди шин «малого» интерфейса получили шины USB, Fire Wire, Bluetooth, IrDA.
Шина USB. Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) ориентирована на среднескоростные и низкоскоростные периферийные устройства (ПУ), подключаемые к ВМ. Для подключения ПУ к шине USB используется четырехпроводный кабель, при этом два провода используются для приема и передачи данных, а два оставшихся – для питания ПУ. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания. Работой всей системы USB управляет контроллер, являющийся программно-аппаратной подсистемой ВМ. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда». В первых своих версиях (USB 1) шина обеспечивала две скорости обмена – высокую (до 12 Мбит/с) и низкую (1,5 Мбит/с). ПУ могут иметь разные скорости обмена. В стандарте USB 2 максимальная скорость увеличена до 480 Мбит/с, а в разрабатывающемся стандарте USB 3 – до 4,8 Гбит/с.
Вариант шины USB, известный как Wireless USB, позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).
Интерфейс IrDA. Инфракрасный интерфейс IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880 нм. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до одного метра в режиме точка-точка. В цели IrDA входили низкое потребление и экономичность, поэтому интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру.
Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь и блок кодирования/декодирования (рис. 2.91).
Рис. 2.91. Схема организации инфракрасной связи
Блоки обмениваются данными на уровне электрических сигналов. Перед передачей данные пакуются в кадры, состоящие из 10 битов, где байт данных обрамляется одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце кадра. Порт IrDA использует универсальный асинхронный приемопередатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400-115200 бит/с.
Перед началом передачи устройство выясняет, нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне (не ведется ли какая-либо передача в пределах его досягаемости). Если такая активность обнаружена, то программе, выдающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а передача откладывается. Если оба соединяющихся устройства являются компьютерами, то любое из них может быть ведущим. Выбор зависит от того, какое из устройств первым проявит инициативу. В процессе установления связи два устройства «договариваются» о максимальной скорости, с которой они оба могут работать, и ряде других параметров обмена. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9,6 Кбит/с. Любая станция, не принимающая в данный момент времени участия в обмене, перед началом передачи должна прослушивать канал не менее 500 мс, чтобы убедиться в отсутствии трафика в ИК-диапазоне. С другой стороны, станция, участвующая в обмене, должна вести передачу не более 500 мс.
53. Шина FireWire. Fire Wire – это шина последовательной передачи данных для соединения компьютера с периферией. Периферийное устройство подключаются к ВМ с помощью 6-проводной линии, где 4 провода используются для передачи информации, а два – для подачи питания на ПУ. Шина обеспечивает высокую скорость передачи информации (до 800 Мбит/с, в перспективе – 3,2 Гбит/с). Поддерживается режим пакетной передачи данных: данные разбиваются на пакеты с интервалами между ними, в которых посылается служебная информация, например «Стоп» или «Пуск». Шина поддерживает как асинхронную (получение каждого пакета данных проверяется, и, если он не получен или принят с повреждением, передача повторяется и ошибки исправляются), так и изохронную передачу информации (данные передаются пакетами, следующими друг за другом, не ожидая подтверждения получения). По производительности FireWire превосходит USB.
Интерфейс Bluetooth. На сегодняшний день Bluetooth является одной из наиболее перспективных технологий беспроводной передачи данных. Работающий на частоте 2,4 ГГц приемопередатчик, каким является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Этого достаточно для покрытия стандартного дома, при этом нет необходимости в том, чтобы соединяемые устройства находились в зоне прямой видимости друг друга. Скорость передачи данных в первых версиях интерфейса составляла 2-3 Мбит/с. В стандарте Bluetooth 3.0 она определена уже величиной 480 Мбит/с.
Интерфейс Bluetooth состоит из трех частей: приемо-передатчика, контроллера связи и управляющего устройства, осуществляющего связь с терминалом (рис. 2.90). Терминалом может быть любой прибор, будь то мобильный телефон, КПК или ноутбук. Приемопередатчик и контроллер связи, как правило, выполнены на отдельных микросхемах, а вот функции управляющего устройства может выполнять и процессор терминала при достаточной собственной мощности. Схема проста в реализации, что сказывается на популярности интерфейса Bluetooth.
Bluetooth работает по принципу: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их на разных частотах, скачкообразно переходя с одной частоты на другую. Смена частот происходит 1600 раз в секунду по псевдослучайному алгоритму или по шаблону, составленному из 79 частот. «Понять» друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи – для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Рис. 2.90. Схема организации Bluetooth-связи
Конкурентом Bluetooth в области беспроводных интерфейсов можно считать Wireless USB (WUSB), также обеспечивающий скорость 480 Мбит/с. В то же время существенным преимуществом Bluetooth можно считать значительно меньшее энергопотребление.