Файл: Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 229
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
58
Запись при вводе-выводе (рис 3.12). При таком запросе данные пересылаются на цель PCI в области адресов ввода-вывода. В этом случае адресные разряды ADx также определяют адрес байта. Доступ также состоит из адресной и информационной фаз. Типичный запрос PCI на запись также инициируется посредством активирования сигнала FRAME. На рисунке показана диаграмма основных сигналов. Здесь, в отличие от запроса на чтение, мультиплексной адресно-информационной шине
PCI не требуется переключение. Информационная фаза может выполняться непосредственно после адресной фазы, без пустого цикла. Таким образом, передача первой величины может быть произведена во втором цикле таймера PCI. Наиболее экономичным пакетом записи PCI (без циклов ожидания) будет пакет 2-1-1-1-
…
Рисунок 3.12 - Пакет записи PCI. Здесь показан не оптимальный
пакет 2-1-1-1-…, а пакет 2-1-2-2, в котором состояние ожидания в
первом цикле вызывается неактивным сигналом TRDY (готовность
цели), а во втором - неактивным сигналом IRDY (готовность
инициатора). Если вызываемое устройство PCI определяет, что
именно оно является целью вызова, оно выставляет в ответ
активный сигнал DEVSEL. Передача (пакет 2-1-2-2) заканчивается
деактивированием FRAME в последней фазе передачи данных .
Дополнительно рассмотрим область адресов ввода-вывода.
59
В соответствии со спецификацией, шина PCI поддерживает 32-битную, а также 64-битную область адресов. Это, однако, справедливо только для истинных устройств PCI. Нельзя получить адрес больше 64К для процессора
80х86, поскольку процессоры этого типа генерируют только 16-битные адреса ввода-вывода. Порты в персональных компьютерах с шиной PCI расположены ниже 64К; способ применения и адреса портов не изменились по сравнению с
ISA. ISA и PCI могут - и должны - использоваться параллельно, поскольку PCI и шлюз расширения это позволяют. Два регистра PCI располагаются в области адресов ввода-вывода, которые в ISA зарезервированы для материнской платы.
Эти два 32-разрядных регистра, CONFIG_ADRESS и CONFIG_DATA, используются для доступа к области конфигурации и расположены по адресам
0CF8H (адрес) и 0CFCH (данные). Для чтения или записи двойного слова в область конфигурации устройства PCI прежде всего следует заслать соответствующий адрес в регистр CONFIG_ADRESS. При записи в регистр
CONFIG_DATA данные передаются в соответствующий элемент области адресов конфигурации вызываемого устройства; при чтении данные из этой ячейки считываются. Структура адресных регистров показана на рисунке 3.13.
Рисунок 3.13 - Регистр CONFIG_ADDRESS.
Если бит ECD установлен, то шлюз выполняет цикл конфигурации для адреса ввода-вывода 0CFCh (соответствующего CONFIG_DATA). Если бит
ECD не установлен, выполняется нормальный цикл ввода-вывода, не затрагивающий область адресов конфигурации; он переключается на нормальную область адресов ввода-вывода. В элементе "шина" содержится номер шины PCI в иерархической системе, в которую может входить до 256 шин PCI. "Устройство" указывает на один из возможных 32 агентов PCI,
"функция" выбирает одну из восьми функций в рамках многофункционального
60 устройства PCI. "Регистр" указывает на один из 64 двухсловных (32 разрядных) элементов заданной области адресов конфигурации. "Тип" используется для того, чтобы известить шлюз о том, что он соединен с запрашиваемым устройством (type=00), и о том, что после декодирования элементов "устройство" и "функция" он должен выдать цикл конфигурации.
Если "тип" равен 01, то это означает, что устройство соединено со шлюзом и что шлюз копирует содержимое CONFIG_ADDRESS на шину адрес/данные без изменений.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3.6
Магистраль PCI Express
Итак, для чего понадобилось изобретать новую шину? Ведь, как известно, настольные компьютеры успешно используют периферийную шину второго поколения, PCI, для организации обмена данными с периферийными устройствами. Нашла применение эта шина и в мобильных компьютерах
(Cardbus, Mini-PCI), и в серверах (PCI64, PCI-X). Тем не менее, возможности параллельной шины PCI на сегодня уже исчерпаны. Во-первых, шина PCI является параллельной, а значит, ее теоретический предел составляет около 1
ГГц. Самый быстрый на сегодня вариант шины PCI, PCI-X/533, обеспечивает пропускную способность до 4.2 Гб/с, но ценой высоких затрат на разводку печатной платы. В то же время предельная частота работы медного соединения составляет 12 ГГц, но приблизиться к нему при использовании параллельной шины невозможно. Но повышать пропускную способность периферийной шины необходимо. Когда создавалась шина PCI, процессор и память соединялись на гораздо меньшей скорости, чем сейчас. Тогда речь шла о нескольких сотнях Мб/с, а сейчас счет пошел на гигабайты в секунду. Причем с каждым годом пропускная способность шин возрастает. Появляются новые, более быстродействующие проводные и беспроводные интерфейсы: например, гигабитный Ethernet больше не является уделом мощных серверов и рабочих станций, повсеместно распространены FireWire (400 Мбит/с) и USB 2.0 (480
Мбит/с), и даже винчестеры завтра будут подключаться на скорости 150 Мб/с.
Сравните это с пропускной способностью нынешней настольной PCI - всего
61 133 Мб/с. Увеличить ее разрядность и/или частоту без многократного усложнения и удорожания процесса производства просто невозможно.
Кроме того, шина PCI не удовлетворяет возросшим требованиям к гибкости, надежности, масштабируемости, функциональности, она применима только для соединения ограниченного класса устройств, ее нельзя эффективно настраивать, тестировать, контролировать, перераспределять потоки данных, управлять потреблением энергии... В общем, слишком много недостатков, чтобы продолжать ее совершенствовать.
Шина PCI Express (прежние названия - 3GIO, Arapahoe) является последовательной, но с возможностью наращивать количество независимых линий для гибкого управления пропускной способностью. Например, для подключения не слишком производительных устройств вроде модемов и звуковых карт будет использоваться одна линия (PCI Express x1), а для требовательных к пропускной способности шины 3D-видеокарт - 16-разрядный вариант x16. PCI Express использует дифференциальные сигналы с низким уровнем напряжения, что упрощает ее разводку, снижает потребление и выделение энергии, улучшает помехозащищенность, уменьшает уровень наводок, упрощает сопряжение с будущими низковольтными устройствами.
Новая шина не требует отдельных линий для синхронизации, управления, питания и т.д., так как использует кодирование 8b/10b, передает команды, данные, адреса, управляющие сигналы в пакетах. Кроме физического уровня, концепция PCI Express предполагает использование канального (организация очереди пакетов и их проверки по контрольным суммам) и транспортного уровней (виртуальные каналы, архитектура Load-Store, управление потоком, обмен данными по кадрам, общее плоское 64-разрядное адресное пространство). Это позволит существенно расширить сферу применения шины, отделить логический уровень от физического, гибко балансировать между ценой и производительностью.
Шина PCI Express будет использоваться не только как периферийная шина для дополнительных контроллеров, но и как канал для соединения чипов.
62
В частности, она заменит нынешнюю AGP, будет использована для коммутации компонентов чипсета (как настольного, так и серверного).
Фактически она позиционируется как альтернатива HyperTransport - шине, разработанной AMD и уже применяемой другими производителями чипсетов -
NVIDIA, SIS, ALi.
Самое замечательное свойство новой шины заключается в том, что она на программном уровне полностью совместима с PCI. Сохранится схема адресации и доступа к устройствам, присущая предыдущей шине, только будут добавлены новые возможности, расширены диапазоны адресов, увеличены наборы команд и т.д. Механические свойства новых соединений тоже не изменятся - планируется использовать похожие слоты, разъемы, не потребуются другие корпусы, блоки питания, шасси. На тех же платах установят слоты и PCI, и PCI Express. Более широкие слоты (x4, x8, x16) будут допускать установку "узких" карт расширения (x1, x4, x8). Для ноутбуков разработаны слоты Mini PCI Express и PCI Express Card, есть решения и для монтируемых в стойку серверов.
Общий срок жизни новой шины оценивается приблизительно в 10 лет, после чего неизбежна новая революция - переход на оптические технологии коммутации микросхем.
63
4 Промышленные компьютеры
4.1 Понятие о промышленных компьютерах серии Micro PC
В настоящее время тенденции развития систем автоматизированного управления в основном сводятся к созданию структур распределенного управления. В таких системах головной компьютер соединен локальной сетью того или иного вида с периферийными компьютерами, максимально приближенными к объекту управления или встраиваемыми непосредственно в него. И если головной компьютер может отвечать требованиям, предъявляемым к обычным компьютерам, то периферийные компьютеры должны соответствовать жестким промышленным стандартам и иметь ряд специфических характеристик и функциональных возможностей. Среди них можно выделить следующие:
• модульный принцип организации;
• широкий температурный диапазон;
• малые размеры;
• низкое энергопотребление;
• возможность работы в замкнутых и герметичных объемах со слабой вентиляцией или без нее;
• разнообразие вариантов монтажа;
• устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, электромагнитным воздействиям;
• высокая надежность;
• развитые и разнообразные средства коммуникаций.
Одной из характерных особенностей рынка персональных компьютеров как в мире, так и в России является подача компьютера как "товара народного потребления". Этот подход заставляет покупателя непрерывно следовать за компьютерной модой, выбрасывая на помойку вполне работоспособные изделия и заменяя их на "более быстрые", "более емкие" и т.д. В результате пользователь оказывается втянут в постоянную гонку за новым программным и
64 аппаратным обеспечением, - "как, вы еще не поставили Windows98? А вот у вашего соседа..." В результате поколения компьютеров сменяют друг друга с головокружительной быстротой, а гарантийный срок работы машины становится сопоставим с интервалом ее морального старения.
Подобный подход - реальность, которая на практике определяет облик домашней или офисной вычислительной машины. Но, насколько суета и спешка характерны для офисных приложений и индустрии развлечений, настолько же консервативна и осторожна промышленность. В самом деле, запуск и наладка серьезной технологической линии может потребовать около года, и при этом не может быть речи о том, чтобы через два-три года заменять все оборудование только потому, что какая-то фирма выпустила новую программу-оболочку для домохозяек, для которой не хватает ресурсов уже установленных компьютеров. Этот консерватизм, естественно, не мешает гибкой переналадке оборудования при смене выпускаемой продукции, но одно дело - набор данных для управления процессом и совсем иное - замена всей линии.
Поэтому не стоит удивляться тому, что в промышленных компьютерах и сегодня успешно используется процессор 80386, который нередко считают уже "безвременно усопшим", "снятым с производства" и так далее. Во многих случаях вычислительной способности компьютеров на базе 80386 оказывается более чем достаточно для решения реальных производственных задач. Из выше сказанного, кстати, вовсе не следует, что процессор Pentium в этих машинах не используется, речь идет о более полном использовании возможностей имеющихся вычислительных ресурсов.
Одним из пионеров в области создания промышленных компьютеров является американская фирма Octagon. В России ее продукция получила популярность в основном благодаря рабочему температурному диапазону (от -
40 до +70С), который соответствует отечественным ГОСТам, предъявляемым к продукции военного назначения. А поскольку все высокие технологии в СССР
65 в той или иной мере были привязаны к оборонке, компьютеры Octagon быстро завоевали популярность.
Кроме того, компьютеры Octagon поставляются с операционной системой DOS, уже зашитой в постоянной памяти компьютера. Это, впрочем, не мешает подключить винчестер и загрузить популярный Windows или более традиционную для промышленных приложений операционную систему QNX.
Но основная особенность Octagon-компьютеров состоит в их архитектуре. На смену привычной материнской плате со всем-всем-всем пришла "пассивная плата" на которой размещены только слоты расширения, соединенные параллельно друг с другом и разъем для подключения блока питания. Все процессорные и интерфейсные платы выполнены в виде интерфейсных карт ISA и могут устанавливаться в произвольном порядке и составе.
Это привело, с одной стороны, к снижению избыточности аппаратных средств в составе компьютера (если нет принтера, то и параллельный порт ни к чему), а с другой - к появлению самых разнообразных устройств ввода/вывода данных, средств управления необычной (для мира обычных PC) устройств, таких как, например, шаговые двигатели.
В настоящее время выпускается ряд компьютеров промышленного назначения на основе шин VМЕ, Multibas, ISA. Из РС - совместимых наибольшее признание получили индустриальные компьютеры фирмы
Advantech (Южная Корея) и промышленные компьютеры Micro PC фирмы
Octagon Systems (USA). Эти компьютеры используют стандартную 8 или 16 битную шину ISA, работают под управлением MS DOS или Windows, поэтому все программное обеспечение, созданное для персональных компьютеров, можно применять без проблем. Наряду с процессорными платами этими фирмами выпускается большая номенклатура плат расширения и различных комплектующих, позволяющих эффективно решать большинство задач промышленной автоматизации.