Особенности организации работы шины

У разных шин организация работы разная. Однако при этом ряд положений используются общие. Прежде всего отметим, что общая организация работы шины может быть представлена как совокупность механизмов, каждый из которых выполняет вполне определенную функцию передачи информации, например, чтение из памяти, чтение из порта, запись в память, запись в порт и т.д. Множество таких механизмов конечное, но их тем больше, чем сложней и разнородней структура компьютера (компьютер имеет иерархическую память, развитые системы прерываний и защиты, реализует мультипроцессорный и мультизадачный режимы и пр.). Можно представить организацию управления работой шины, как переход от выполнения одного механизма к другому.

Начало реализации конкретного механизма связано с установкой состояния шины. Для этой цели среди шин управления есть совокупность сигналов (линий), которые определяют направление передачи сигналов (запись или чтение), характер передаваемой информации (данные или команды), ее информационную структуру (1-/2-/4-/8-/16- байтная, пакетная структура), место обращения (к памяти, кэш-памяти, к портам ввода-вывода) и др. В соответствие с выбранным состоянием устанавливается организация использования шины адреса и шины данных. Время, занимаемое выполнением отдельного механизма, называется циклом шины. Таким образом для различных механизмов продолжительность (длина) циклов шин разная. Длина цикла зависит не только от особенностей выполняемой передачи, но и от готовности устройств участвовать в этой передаче. Любая неготовность будет приводить к затягиванию соответствующих циклов шины. Таким образом продолжительность цикла шины является случайной величиной, а его начало и конец являются асинхронными. Механизм уп­равления шиной должен иметь средства формирования начала цикла, его ведения и окончания цикла. Естественно, что у разных шин эти средства могут быть разные.

Для упрощения управления шиной длина цикла составляется из временных квантов одинаковой продолжительности (задаются сигналами синхронизации шины), называемых тактом шины, т.е. длина цикла всегда кратна числу тактов шины. Во время любого такта цикла шины выполняются вполне определенные действия. Эти действия можно разбить на две группы: установление состояния шины и выполнение команд, предписанных реализуемым механизмом передачи данных.

В установлении состояния шины можно отметить два временных интервала - время формирования сигналов состояния и время их фиксации. В период формирования сигналов состояния на линиях шины они могут появляться в разные моменты. В этот период сигналы считаются недостоверными и они не используются для управления.

Период формирования можно рассматривать как необходимое время задержки для окончания переходных процессов сигналов состояния. Кончается этот период специальным стробом, который отмечает начало периода фиксации. Теперь сигналы достоверны и их можно использовать для реализации логики принятия решения. Временной такт, в котором располагается стробирующий сигнал начала фиксации называется тактом состояния и обозначается Т1. На установление состояния отводится только один первый такт цикла шины - такт состояния Т1.

Выполнение команд происходит в период остальных тактов, которые обозначаются Т2. Минимальное количество (п) этих тактов один. При п>=2 все такты Т2, кроме последнего, считаются тактами ожидания и только в период последнего такта фиксируется окончание выполняемого цикла шины. После этого может заново формироваться такт Т1 следующего цикла шины или быть холостое состояние, продолжительность которого тоже кратная тактам шины, обозначаемых Ti. Таким образом переход от выполнения одного механизма передачи к другому может определяться переходом от Т2 к Т1 или переходом от Ti к Т1. Последовательность механизмов передачи может быть представлена в виде (записаны пять циклов шины):

TiTlT2...T2TlT2Ti...TiTlT2Ti...TiTlT2...T2TiTlT2Ti и т.д.

Единственный в цикле шины такт Т2 называется командным тактом. Минимальная длительность цикла шины составляет два такта. Чем короче длина цикла шины, тем производительней работает компьютер. Используются различные аппаратные режимы уплотняющие циклы шин, например, конвейеризация шин позволяет начать выполнять последующий цикл до завершения предыдущего. Предварительное начало обработки последующего цикла увеличивает период пребывания сигналов шины в фиксированном состоянии, что упрощает требования к скорости реакции устройств и обеспечивает более надежную работу линий шины.

Рассмотрим особенности поведения сигналов на линиях шины в период тактов Т1 и Т2. Выше отмечалось, что в период такта состояния Т1 формируется состояние шины. В этот период на шинах адреса должен быть выставлен адрес обращения. Действие конвейеризации приводит к появлению этого адреса перед тактом Т1. Для двухтактных циклов шины в период такта Т2 предыдущего цикла шины должен появиться на шине адреса следующий адрес. На шине данных данные, определяемые выполняемой командой, появляются в период командного такта Т2. Может возникнуть ситуация, когда к моменту появления данных на шинах адреса будет выставлен другой адрес, что явится причиной сбоя.

Возникает необходимость развязать состояние шины с реально используемым адресом. Для этого вводится элемент защелки, который фиксирует (запоминает) выставленный на шине адрес. Защелка управляется стробом, который поступает в такте Т1. Применение защелки позволяет зафиксировать для обслуживания требуемый адрес. Защелка является буфером адреса, например, между шинами А и SA, между шинами А и LA, между шинами SA и ХА. Типовая временная диаграмма работы шины представлена на рис. 2.2.

Как видно из рисунка, есть периоды, когда на шине данных могут быть недостоверные данные. Поэтому и для данных требуется организация развязки. Так как по шине данных информация передается в обоих направлениях, то используются мощные приемопередатчики, которые кроме временной развязки выполняют согласования подключенных устройств по мощности. Приемопередатчики служат буферами, например, между шинами D и SD, шинами SD и MD.

Рисунок 2.2 - Типовая временная диаграмма работы шины

Пакетный режим передачи. При пакетной передача адрес передается один раз, после чего передается пакет данных с линейно-возрастающими адресами. Количество циклов данных в пакете заранее не определено, но перед последним циклом инициатор обмена при введенном сигнале разрешения обмена (IRDY#) снимает специальный сигнал пакетной передачи (FRAME#). После последней фазы данных инициатор снимает сигнал IRDY# и шина переходит в состояние покоя. Пакетный режим является стандартным режимом работы шины PCI. Рис. 2.3. иллюстрирует работу шины PCI в пакетном режиме.

Рисунок 2.3 - Временная диаграмма пакетного режима

Конвейеризация обращений к памяти. Данный режим используется в современных высокоскоростных шинах (AGP). При не конвейеризированных обращениях шины во время реакции памяти на запрос шина простаивает. Конвейерный доступ позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить плотный поток ответов (передаваемых данных). Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов, при этом поддерживает две пары очередей для операций записи и чтения памяти с высоким и низким приоритетом.

Сдвоенные передачи данных обеспечивают повышение пропускной способности шины в 2 раза без изменения тактовой частоты шины. Суть сдвоенной передачи данных в том, что блоки данных передаются как по фронту, так и по спаду сигнала синхронизации (используется в AGP и в шине АТА в режиме Ultra DMA-33).

Лекция 3. Архитектура микропроцессоров семейства i80x86

Дата добавления: 2014-01-07