Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ
Подождите немного. Документ загружается.
способностей шины. Заметим, что при 66 МГц допустим уровень сигнала
только 3,3 В (а 33 МГц устройства могут выйти из строя на более высокой
частоте).
Спецификация PCI требует поддержки режима Multiple Bus Mastering
(многостороннее управление шиной). В таком режиме устройства
перехватывают управление шиной и самостоятельно распределяют ее ресурсы.
Специальный таймер, имеющийся на устройстве, определяет максимальное
время, в течение которого возможен монопольный доступ. Кроме того,
предусмотрено автоматическое конфигурирование компонентов при
включении питания.
По шине PCI возможна передача комбинированных данных (до восьми
типов), например звуковых, видео, цифровых. Один канал контроллера PCI
поддерживает до четырех слотов расширения. Для удвоения их числа
применяется мост между парой контроллеров.
Метод передачи данных по шине называют Linear Burst (метод линейных
пакетов). То есть данные при записи-чтении идут единым пакетом, так как
адрес для каждого следующего байта автоматически увеличивается на единицу.
Таким образом, отпадает необходимость передавать адресный блок. Для
ускорения передачи применяется кэширование (поддерживаются методы
отложенной «write-back» и сквозной «write-through» записи).
Важной особенностью интерфейса РСI является поддержка протокола
Plug-and-Play (PnP). Спецификацией определены три типа ресурсов: диапазон
памяти, диапазон ввода-вывода и так называемое «пространство
конфигурации». Последний ресурс включает три региона: заголовок (не зависит
от конкретного типа устройства), блок устройства, пользовательский блок.
Заголовок содержит информацию об изготовителе, классе устройства
(контроллер жесткого диска, адаптер SCSI и пр.), другие служебные сведения.
Содержание блока устройства зависит от конкретного его типа. Конфигурация
устройства производится либо через BIOS (если в нем присутствует эта
функция), либо программно через драйвер. Поле CIS (Card Information Structure
— информационная структура платы) используется для идентификации
устройств с интерфейсом PCMCIA. Еще одно поле определяет прерывание и
время монопольного владения шиной.
Шина PCI соединяется с системной шиной процессора через северный
мост. Остальные шины расширения и ввода-вывода, а также контроллер LPC, к
которому подключены микросхемы системной платы (ROM BIOS, контроллеры
прерываний, клавиатуры, DMA, портов СОМ и LPT, НГМД и прочие),
подключаются к шине PCI через южный мост.
С устройствами PCI процессор взаимодействует посредством команд
обращения к памяти и портам ввода-вывода в областях, выделенных каждому
такому устройству при конфигурировании. Устройство на шине может
выступать в роли инициатора, поддерживая обмен с памятью, не занимая
ресурсов центрального процессора. Спецификация PCI требует от устройств
способности перемещать все занимаемые ресурсы в пределах доступного
пространства адресации. Это позволяет обеспечивать бесконфликтное
101
распределение ресурсов для многих устройств. Устройство PCI может быть
многофункциональным, то есть поддерживать несколько (от 1 до 8) встроенных
функций, каждой из которых отводится свое конфигурационное пространство.
Собственно шина PCI представляет набор сигнальных линий,
соединяющих различные устройства (слоты расширения, микросхемы на
системной плате). В системе может присутствовать несколько шин PCI,
соединенных мостами PCI-PCI Bridge. Мосты электрически отделяют
интерфейсные сигналы одной шины от другой, соединяя их логически.
Головной мост (Host Bridge) соединяет шину с ядром системы (процессором и
памятью). Каждая шина имеет свой номер (PCI bus number). Шины нумеруются
последовательно; главная шина имеет нулевой номер.
С точки зрения конфигурирования, младшим адресуемым элементом в
этой иерархии является функция. Ее полный адрес состоит из трех частей:
номера шины, номера устройства и номера функции. В шине PCI принята
географическая адресация - номер устройства определяется местом его
подключения. Номер устройства определяется той линией шины, к которой
подключена линия сигнала идентификации данного слота. В соседних слотах
PCI, как правило, задействуют соседние номера устройств. Их нумерация
определяется разработчиком системной платы.
Группы соседних слотов могут подключаться к разным шинам, при этом
на каждой шине PCI нумерация устройств независимая. Устройства PCI,
интегрированные в системную плату, используют ту же систему адресации. Их
номера неизменяемы, в то время как адреса карт расширения можно изменять
перестановкой их в разные слоты.
102
Технология Bus Mastering
В каждой транзакции по шине PCI участвуют два устройства —
инициатор обмена, он же ведущее (Master) устройство, и целевое устройство,
оно же ведомое (Slave). В каждый момент времени шиной может управлять
только одно ведущее устройство, получившее на это право от арбитра. Для
максимального использования возможностей шины устройства должны иметь
буфера для пакетных транзакций. Ведущее устройство генерирует сигнал для
запроса на управление шиной и получает сигнал, подтверждающий
предоставление управления шиной. Арбитражем запросов на использование
шины занимается специальный узел, входящий в чипсет системной платы.
Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный)
определяется программированием арбитра.
Прерывания от устройств PCI обслуживаются контроллерами 8259А,
расположенными на системной плате. Устройство PCI вводит сигнал
прерывания низкого уровня на выбранную линию INT A#, INT B#, INT С#, INT
D#. Этот сигнал удерживается до тех пор, пока программный драйвер,
вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по
шине к данному устройству. Каждая функция устройства PCI может
задействовать свою линию запроса прерывания в монопольном или совместном
режимах. Если устройству требуется одна линия запроса, оно занимает линию
INT А#, если две — INT А# плюс INT В#, и так далее. С учетом циклического
сдвига линий запроса это правило позволяет установить в четыре соседних
слота четыре простых (однофункциональных) устройства, каждое из которых
задействует отдельную линию запроса прерывания. Коммутатор организует
объединение нескольких линий запросов PCI на один вход контроллера.
Драйвер, работающий с устройством PCI, определяет вектор прерывания,
доставшийся устройству (функции), считывая конфигурационный регистр.
Обычным решением проблемы совместного использования прерываний служит
перестановка карты расширения в подходящий слот.
На шине PCI имеется механизм оповещения об асинхронных событиях,
основанный на передаче сообщений (PCI Message-Based Interrupts). Для
сигнализации запроса прерывания устройство запрашивает управление шиной
и, получив его, выполняет запись номера прерывания по заранее оговоренному
адресу. Этот механизм может использоваться на системных платах, имеющих
контроллер прерываний APIC. Запись номера запроса производится в
соответствующий регистр APIC. Степень интеллектуальности ведущего
устройства может быть различной. В простейшем варианте ведущее устройство
обеспечивает пересылку блоков данных между устройством и системной
памятью (или памятью других устройств) по указанию процессора. Более
сложный контроллер DMA может выполнять обмен по собственной программе.
Шина PCI имеет несколько конструктивных вариантов исполнения,
оговоренных в соответствующих спецификациях.
103
Low-Profile PCI — низкопрофильный вариант карт расширения PCJ с
измененным способом крепления. Такие карты можно устанавливать в
низкопрофильные корпуса. Типовой слот PCI поддерживает напряжение
питания интерфейсных схем только 3,3 В (но шина питания устройств 5 В
сохраняется).
Small PCI (SPCI) — спецификация на карты расширения и слоты в
миниатюрном исполнении. Шина логически совместима с обычной шиной PCI.
В дополнение к обычному набору сигналов появился сигнал, с помощью
которого хост и устройства могут управлять частотой синхронизации в целях
снижения энергопотребления. Для подключения карт SPCI на системной плате
устанавливается двухрядный 108-контактный штырьковый разъем с шагом
контактов 2 мм. Карта расширения может подключаться к нему
непосредственно или через шлейф. Карты SPCI могут иметь напряжение
питания 5В, 3,3В или двойное 5/3,3 В. Благодаря уменьшению длины
проводников понижены требования к мощности сигналов.
Mini PCI Specification — малогабаритный вариант карт PCI. По
логическим и электрическим сигналам соответствует спецификации PCI
Дополнительно используется сигнал для снижения энергопотребления. Имеется
набор дополнительных сигналов для обмена аудио и видеоданными.
104
Шина AGP
Фирма Intel, заметив, что дальнейшее повышение общей
производительности персонального компьютера «упирается» в
видеоподсистему, в свое время предложила выделить для передачи потока
видеоданных отдельную интерфейсную шину AGP (Accelerated Graphics Port —
ускоренный графический порт). Этот стандарт быстро вытеснил
существовавшие ранее интерфейсы, использовавшиеся видеокартами: ISA,
VLB и PCL Главным преимуществом шины AGP стала высокая пропускная
способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5,5 Мбайт/с, VLB — до
130 Мбайт/с, а РСI — до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет
пиковую пропускную способность до 1066 Мбайт/с (в режиме передачи
четырех 32-разрядных слов).
Компания Intel разрабатывала интерфейс AGP для решения двух
основных проблем, связанных с особенностями обработки 3D-графики на
персональном компьютере. Во-первых, 3D-графика требует выделять как
можно больше памяти для хранения данных текстур и Z-буфера. Чем больше
текстурных карт доступно для 3D-приложений, тем лучше выглядит картинка
на экране монитора. Обычно для Z-буфера используют ту же память, что и для
текстур. Разработчики видеоконтроллеров и раньше имели возможность
использовать обычную оперативную память для хранения информации о
текстурах и Z-буфере, но серьезным ограничением здесь выступала пропускная
способность шины PCI. Ширина полосы пропускания PCI оказалась мала для
обработки графики в режиме реального времени. Эту проблему компания Intel
решила путем внедрения стандарта шины AGP.
Во-вторых, интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между
графической подсистемой и оперативной памятью. Таким образом,
выполняются требования вывода 3D-графики в режиме реального времени и,
кроме того, более эффективно используется память буфера кадра (frame buffer),
тем самым увеличивается скорость обработки 2D-графики. В действительности
шина AGP соединяет графическую подсистему с блоком управления системной
памятью, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP
возможно подключение единственного типа устройств — графических плат.
При этом видеоконтроллеры, встроенные в материнскую плату и
использующие интерфейс AGP, не подлежат модернизации.
105
Для контроллера AGP конкретный физический адрес, по которому
информация хранится в оперативной памяти, не имеет значения. Это является
ключевым решением новой технологии, обеспечивая доступ к графическим
данным как к единому блоку, независимо от физической «разбросанности»
информации по блокам памяти. Кроме того, AGP работает с частотой
системной шины до 133 МГц.
Спецификация AGP фактически базируется на стандарте PCI версии 2.1,
но отличается от него следующими основными особенностями:
шина способна передавать два (AGP 2х), четыре (AGP 4х) или во¬емь
(AGP 8х) блоков данных за один цикл;
устранена мультиплексированность линий адреса и данных;
конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние
задержек в модулях памяти на скорость выполнения операций.
Шина AGP работает в двух основных режимах: DIME (Direct Memory
Execute) и DMA (Direct Memory Access). В режиме DMA основной памятью
считается память на карте. Текстуры могут храниться в системной памяти, но
перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Таким
образом, интерфейс AGP действует в качестве «подносчика патронов»
(текстур) к «огневой позиции» (в локальную память). Обмен ведется большими
последовательными пакетами данных.
В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты
логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а
выбираются непосредственно из системной. Таким образом, приходится
передавать сравнительно небольшие случайно расположенные куски.
Поскольку системная память требуется и другим устройствам, она выделяется
динамически, блоками по 4 Кбайт. Поэтому для обеспечения приемлемого
быстродействия предусмотрен специальный механизм, отображающий
последовательные адреса на реальные адреса блоков в системной памяти. Эта
106
задача выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address
Re-mapping Table или GART), расположенной в памяти.
Адреса, не попавшие в диапазон GART (GART range), не изменяются и
непосредственно отображаются на системную память или область памяти
устройства (device specific range). Точная спецификация на правила
функционирования GART не определена, и конкретное решение зависит от
управляющей электроники видеокарты.
Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что
запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных.
Такой подход позволяет AGP-устройству генерировать очередь запросов, не
дожидаясь завершения текущей операции, что также повышает быстродействие
шины.
Версия AGP 2.0 благодаря использованию низковольтных электрических
спецификаций предусматривает осуществление четырех транзакций (пересылок
блока данных) за один такт (режим AGP 4х -- четырехкратного умножения). В
2003 г. в массовое производство пошли видеокарты с интерфейсом AGP версии
3.0 (часто обозначаются как AGP 8х). Двукратное увеличение пропускной
способности достигнуто за счет повышения тактовой частоты шины до 66 МГц
и применения нового уровня сигналов 0,8В (в AGP 2.0 использовался уровень
1,5В). Тем самым при сохранении основных параметров интерфейса удалось
повысить пропускную способность шины примерно до 2132 Мбайт/с. Хотя
разъем сохранился прежним, механически совместимым с AGP 2.0, его
электрические характеристики изменились благодаря снижению напряжения на
сигнальных линиях. В настоящее время на современных платформах шина AGP
заменяется последовательной шиной PCI Express.
Шина PCI Express
Корпорация Intel взяла на себя роль неформального лидера в организации
PCI-SIG (Special Group for Interesting PCI Interface) в период создания
архитектуры интерфейса ввода-вывода третьего поколения (Third Generation
Input/Output Interconnection, 3GIO), известного также под названием Arapahoe.
107
В 2001 г. было утверждено название PCI Express, а в 2003 г. появилась
официальная спецификация версии 1.0.
Причина появления последовательной шины расширения довольно
проста: необходимо равномерно наращивать производительность всех
компонентов компьютеров, однако не все существующие интерфейсы
масштабируются одинаково эффективно. Для параллельных шин основной
проблемой является невозможность радикального повышения рабочих частот.
Последовательную шину гораздо проще запустить на повышенных тактовых
частотах, что значительно поднимает производительность. Более того,
масштабируемость последовательных шин относительно легко достигается как
за счет повышения частоты работы, так и увеличением числа линий.
Первое и самое главное отличие новой шины: PCI Express является
последовательной, а значит, четко разнесены уровни представления данных и
уровень их передачи. Если в параллельной шине, например PCI, данные
непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной
информацией - CRC, адресом получателя и пр.), что и обуславливает простоту
их посылки и получения, то в последовательной шине сказать что-либо о
"физическом носителе" заранее невозможно. Информация, которую
необходимо передать, просто упаковывается в пакеты, куда заносятся данные о
получателе и коды обнаружения/исправления ошибок - а получившийся
сплошной поток (где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная
информация) уже передается - абсолютно неважно каким способом - через
физическую среду.
Спецификация PCI Express предусматривает схему организации,
аналогичную универсальной сетевой архитектуре ISO/SOI. На самом верхнем
уровне располагаются прикладные программы, использующие PCI-устройство.
Для них в архитектуре ничего не меняется: при обмене данными через шину
PCI Express приложения просто обращаются к операционной системе. На
уровне драйверов и конфигурирования архитектура PCI Express полностью
совместима с интерфейсом PCI и потому является прозрачной для любой
операционной системы, поддерживающей PCI. Тем самым обеспечена
поддержка спецификаций ACPI и Plug-and-Play без какой-либо доработки
общих программных компонентов.
108
Однако на других уровнях архитектуры произошли кардинальные
изменения. Прежде всего, добавлено два новых уровня (Transaction Layer и Link
Layer), функции которых аналогичны сетевым протоколам TCP/IP.
Выполняемые функции абсолютно те же, что и у «сетевых» аналогов.
Transaction Layer получает запросы на чтение и запись от программного
уровня и заведует первоначальной упаковкой данных, передачей их
конкретному получателю и гарантиями корректной доставки сообщения. Если
какой-то пакет не дойдет до получателя либо получатель обнаружит в
принятом пакете ошибку, то протокол транспортного уровня будет повторять
его передачу до тех пор, пока пакет не будет получен — тем самым
гарантируется, что передаваемый через PCI Express поток данных достигнет
получателя в целостности и сохранности. Каждый пакет снабжен уникальным
идентификатором. На этом уровне поддерживается 32-битная и расширенная
64-битная адресация памяти, а также четыре адресных пространства — новое
«пространство сообщений» (Message Space) и три уже известных по шине PCI
— память, пространство ввода/вывода и конфигурационное пространство.
Пространство сообщений предназначено для упрощения формата передачи
данных — замены сигналов боковой полосы (side-band) в спецификации PCI 2.2
и исключения «специальных циклов» старого формата (прерывания, запросы
управления энергосбережением, сброс).
Link Layer - здесь указывается уникальный номер пакета (его
маршрутизация осуществляется по заголовку, относящемуся к транспортному
уровню), по которому контроллеры шины принимают решение о направлении
пакета в конкретную физическую линию передачи данных, здесь же
располагается код обнаружения и исправления ошибок в принятом пакете
(CRC), номер пакета, позволяющий отличить один пакет от другого, и разная
вспомогательная информация (например, удостоверяющая, что пакет не был
109
искажен в ходе его передачи). Однако в отличие от TCP/IP, маршрутизация
пакетов (принятие решений о том, на которую шину перенаправить пакет,
какой из нескольких претендующих пакетов передать первым) осуществляется
на транспортном уровне. Интересно также, что пакет передается только в том
случае, когда поступил сигнал готовности от буфера приема. Как следствие,
уменьшается число повторов пакета и шина используется более эффективно.
Формат пакетов шины PCI-Express
Frame — начальный и конечный фрейм пакета - его добавляет
физический уровень для определения начала и окончания передачи
пакета данных;
Packet # — номер пакета, добавляется на сетевом уровне чтобы пакеты
можно было отличить друг от друга;
Header — заголовок пакета, описывает тип пакета, получателя,
приоритет и другие свойства, это информация транспортного уровня;
Data — собственно данные пакеты;
CRC — контрольная сумма пакета.
Fmt — указание типа заголовка (12 или 16 байт) и признак наличия в
пакете данных;
Type — тип пакета (один из четырех основных типов - Memory, I/O,
Config, Message и бит, определяющий запрос это или ответ на запрос);
RequestorID — получатель пакета (шина, устройство, функция
устройства);
Reserved — зарезервированное поле;
Traffic Class — используется для маршрутизации;
Address/Routing — адрес в памяти, куда предназначается пакет (32- или
64-разрядный) или иная информация о маршрутизации пакета;
Length — объем передаваемых в пакете данных;
Attr — вспомогательные атрибуты пакета (Snoop, Ordering);
Tag — идентификатор транзакции (Transaction Tag);
Reserved — зарезервированное поле;
Byte Enables — вспомогательная информация.
110