обмен по шине производится машинными словами, т. е. одновременно пер, все биты машинного слова. В распределенных сетевых системах обмен процзво сообщениями высокого уровня, которые на физическом уровне представляют I поток последовательно передаваемых бит. Для параллельных шин скорость пе чи гораздо выше, однако их физическая длина ограничена несколькими деци, ми. Последовательные линии передачи имеют меньшую пропускную способность могут перекрывать весь мир. Эта глава посвящена описанию работы шин, а в следу* щей рассмотрены сети последовательной передачи данных. Основные идеи, связа* ные с программированием для многопроцессорных и распределенных систем, oGcvj даются в главе 10.

На развитие архитектуры системных шин влияли не только технические, но t экономические причины. Основным техническим фактором является продолжаю-щийся прогресс в миниатюризации электронных схем - и те функции, которые вчера выполнялись несколькими интегральными схемами, смонтированными на плате сегодня реализуются одним или несколькими кристаллами. Экономические факто ры в основном были связаны с рынком, созданным появлением персональных компьютеров и соответствующих интерфейсных устройств, который решающим повлиял на развитие системных шин. Доступность очень большой вычислительно!! мощности по приемлемой цене оказала положительное влияние и на рост приложений для промышленной автоматики.

Требования, предъявляемые типичной промышленной многопроцессорной системой, значительно отличаются от требований домашнего или офисного ПК. В типичной системе, используемой для управления процессом, имеется несколько плат каждая из которых связана с какой-либо частью технического процесса, при этом объем вырабатываемой информации приблизительно одинаков для всех устройств Наоборот, шины ПК, предназначенных для дома и офиса, в первую очередь нацелены на управление развитой графикой мультимедийных приложений и интерактивных видеоигр с высококачественной графикой и звуком - в типичных режимах раоо ты ПК только некоторые платы генерируют очень большие объемы информации.

Развитие системных шин для рынка ПК проходило скорее под влиянием прил" жений последнего рода, чем определялось требованиями управления процессам "Чистый" принцип главного арбитра или эффективный и управляемый приорите ми механизм прерываний не считались существенными для типичных задач доМ него или офисного ПК. На практике это означает, что технология ПК может с у хом применяться и для задач промышленного управления, часто с зам экономическим выигрышем, однако необходимо иметь в виду, что эти технолог предназначены и не оптимизированы для таких задач. Как это ни странно, его ф ний рынок промышленных приложений вряд ли может конкурировать с ры"".,. для дома и офиса - на видеоиграх и мультимедийных приложениях пока еще заработать больше, чем на промышленном управлении.

Первые шины строились для определенных процессоров, и их линии были : ществу продолжениями контактов процессора, снабженными буферными ус ствами для увеличения выходной мощности. Процессор непосредственно УРр, обменом данными и синхронизацией. Более современные конструкции шин, « тив, проектировались как независимые от процессора - форматы данных и аДР протоколы, т. е. наборы правил, регулирующих обмен информацией, не завис

gjnoa архитектуры процессора. Для модификации системы нет необходимости !;*"1ф0вать ее заново, достаточно изменить или добавить элементы с требуемой tf тональностью при условии, что они работают по тому же протоколу, что и ос-¥ части системы. Интерфейс новой подсистемы не нужно согласовывать с су-"твующими подсистемами, достаточно того, чтобы он удовлетворял механичес-и электрическим параметрам, а также протоколу шины. Эта идеология удается в этой и следующих главах.

" При разработке нового стандарта шины необходим компромисс в части физичес-размеров плат. Размер платы определяет количество размещаемых на ней логи-,£ских цепей. Благодаря тому что интегральные схемы позволяют реализовать все большее количество функций при меньшем числе компонентов, размеры функцио-дальных плат для промышленного применения последовательно уменьшались до ставших типовыми 15 X 30 см. Платы большего размера могут выполнять большее кстичество функций, но они, соответственно, дороже. Из небольших плат проще соврать конфигурацию, соответствующую задаче и, как правило, по более низкой цене, йообщее число плат при этом возрастает и они быстрее заполнят имеющиеся разъемы; в дополнение к этому они могут загрузить шину более частыми запросами на передачу данных. Поскольку вычислительные возможности постоянно возрастают, экономически целесообразно строить "интеллектуальные" платы, каждую со своим специализированным процессором и локальной памятью. Таким образом, шинная архитектура представляет собой рациональную модульную основу для совместной работы различных процессоров и периферийных устройств.

Шины поддерживают модульный принцип построения, который, в свою очередь, обеспечивает необходимую гибкость при появлении новых задач. Это является решающим фактором, особенно если учесть, как часто требуется вносить частичные из-*<енения при выполнении новой разработки. Шины допускают разделение ресурсов - несколько независимых процессоров могут использовать одну и ту же память, также другие устройства, например диски или принтеры. Таким образом, система "спользуется более эффективно, а ее работа становится более экономичной.

Теории шин, передаче данных, операционных и распределенных систем есть не-этом° °ЩИх основных идей. Особенно важной является защита ресурсов - при вой может быть шина, время процессора, канал связи, область оператив-

лра " - Методы решения проблемы защиты ресурсов во всех этих случаях смот"™ фундаментальной точки зрения они будут детально рас-

вен" разделе 10.3.1, а в этой главе приведены только соображения, непосред-"0 касающиеся технологии и работы системных шин параллельного типа.

J"- Структура и принципы работы шин Общие характеристики

«2.1

"НИя" физическое, и логическое понятие. С физической точки

шина представляет собой набор от 50 до 100 параллельных проводников, од-енно передающих электрические сигналы между различными платами с элек-1МИ устройствами. Проводники могут быть припаяны к платам, но наиболее .,Остраненный способ - присоединять платы к шине с помощью разъемов (со-елей), которые смонтированы на шине.

Логическая сущность шины - это ее протокол, который определяет правила мена и форматы данных, синхронизацию, квитирование и тактирование. Любую р,, ту, физически и логически совместимую с шиной, можно подключить к шине плата будет работать вместе с другими платами.

Информация передается по шине во всех направлениях, т. е. все платы полуц, одни И те же данные одновременно и должны самостоятельно определять, какие них адресованы именно им. Типичная скорость обмена данными имеет порядок ь скольких десятков Мбайт/с. Из-за запаздывания, обусловленного конечной скоро-тью распространения электрических сигналов по проводникам, протяженност! шины ограничена несколькими дециметрами. Шина и присоединенные к ней плац обычно монтируются в металлической стойке, содержащей набор разъемов, устаноь ленных на объединительной плате, а также источник питания и охлаждающий вен тилятор.

Ниже перечислены наиболее важные параметры, определяющие архитектуг шины.

• Механические и электрические параметры (размеры плат, тип разъема, потребх ние мощности, требования к охлаждению).

• Ориентирована ли шина на определенный тип процессора или является незав

СИМОЙ.

• Разрядность адреса - объем адресуемой памяти.

• Разрядность данных.

• Скорость передачи данных, стандартная и максимальная.

• Синхронный или асинхронный режим передачи данных.

• Тактовая частота (для синхронных шин).

• Количество линий прерывания и процедура обработки прерываний.

• Механизм назначения ведущего устройства, т. е. устройства, координирующего работу шины закреплены ли эти функции за одним устройством или могут пере даваться.

• Дополнительные характеристики, например автоконфигурация (так называемое свойство "plug and play" - "вставь и работай").

Нельзя сравнивать шины только на основе приведенных параметров шины является системным решением, и его анализ имеет смысл, только если торы рассматриваются в совокупности.

, Выбор все ф*

(addre

Наиболее важными параметрами шины являются разрядность адреса , width) и разрядность данных (data width), а также скорость передачи данных (

transfer rate). Последняя обычно измеряется в Мбайт/с и определяет максималь. скорость, т. е. физический предел работы шины в специальных условиях. Это так н ваемая техническая скорость передачи данных, в отличие от эффективной, коТор ответствует режиму штатной загрузки. Реальная скорость передачи или пропу способность {throughput rate) системы может быть намного ниже, поскольку ро-от многих факторов. Необходимо учитывать, при каких допущениях приводимы*-изводителем цифры являются достоверными. Высокая скорость может соответ

Употребляется также и калька с английского - ширина шины, т. е. вместо paPpf данных говорят о ширине шины данных, а вместо разрядности адреса - о ширине шинЫ га. - Примеч. ред.

так называемому пакетному режиму {burst rate), который достигается с помощью иальных тестовых программ при определенных условиях, а в штатном режиме пе-" а одной порции данных может выполняться гораздо медленнее. В тех случаях, когда скорость передачи данных указывается в словах, необходимо jgj, в виду, что для разных шин длина слова не одинакова, а равна ширине шины "нных, т. е. количеству бит, одновременно передаваемых по шине. С копогт г,,,-..

---- ia wiuDd ие одинакова, а равна ширине шиньт

данных, т. е. количеству бит, одновременно передаваемых по шине. Скорость переда „.данных иногда также называют полосой пропускания {bandwidth) шины данныГ это определение не соответствует смыслу термина "полоса пропускания" прГеняе ,0РО в измерительной технике и связи (разделы 4.1.3 и 9.3.1). В дальнейшем будет использоваться термин "скорость передачи данных". ишем оудет

8.2.2. Механические характеристики

Тенденция к стандартизации в архитектуре шин оказала влияние на параметры основного оборудования, например на размеры плат и типы разъемов. Наибо Грас „ространенным форматом являются 19-дюймовые стойки (ра.здел 12 2 2) в которь х .можно параллельно разместить до 21 платы (рис. 8.3). i--), в которых

ния к1™?ии Sctoffkp" смонтированная в 19-дюймовой стойке (с раз-

1{ ------

"""НнТ "°"УлРный размер платы известен как "Еигосяг- « , Чес! платы этого типа первоначГ ™ euroboard"

ствеи„. „ .„„„ 3 сегод!, ,ГГ° "Р™«Иь пре-

-cuioooara

tjnyj - иллйно с тем, что платы этого типа первоначально применялись пре Vhr"" в Европе). Этот размер платы на сегодняшний день включен в стан-V 2" Европе и в DIN 41494, часть 2 в Германии

Ч) ..ьщая плата "Eurocard" одинарной высоты имеет размеры (высота х шири-\ X 160 мм. Высота платы может увеличиваться с шагом 133.35 мм, а шири-Щагом 60 мм. Например, плата "Eurocard" двойной высоты имеет размеры

Глава 8. Системные щ .руктура и принципы работы шин

233,35 X 160 мм. Стойки стандарта 19 дюймов и формат Eurocard используются д различных шин, например VMEbus и Compact PCI.

Электрические проводники шины выполнены печатным способом на объеди тельной плате (backplane), на которой также смонтированы разъемы для уставов плат с электронными схемами (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Объединительная плата 19-дюймовой стойки VMEbus (с разрешения компании Schroff, Германия)

Для присоединения плат к шинам используются два типа разъемов - торцев( и штыревой. Торцевой разъем (edge connector) применялся в ранних стандартахun и сегодня распространен, в частности в ПК, благодаря простоте и низкой стоимоо (рис. 8.5). Однако торцевые разъемы могут давать плохой электрический контаь что приводит к сбоям в работе.

разъем

Рис. 8.5. Торцевой разъем

liHC. O.J. lupuii-v.. 1-------- j-fjl

Лучшими характеристиками обладает штыревой разъем (JlS-in сопп рьш гарантирует более высокую механическую и электрическую наде* 41 торцевой. Распространенным типом штыревого разъема является разъем

геля с различным числом ,пйс 8.6)- Существуют варианты исполнения этого сое, 64 и С - 96 контактов, онтактных штырьков; модель А имеет 32 контакта, мод здреа, данных и МоДе.1ь С позволяет передавать такое количество сигн, довольно сложные :а>*ебных сигналов, что можно дополнительно реал!, обы обеспе-„рйложения. Разъемы обычно монтируются на краях эл( . Высокоскорос-. ппигоепинение к объелинитрттчнпй панотг -nrrr ---

ЧЙТЫ

„ """"ым углом. Высокоскорос-

их ПРИ°Д™™ объединительной панели под r„/compact PCI исполь-тная шина VMEbus использует именно этот тип разъем; iEC-1076-4-101. зует 2-миллиметровый штыревой разъем, описанный в с

овленный на оконечной Рис. 8.6. 96-контактный штыревой разъем DIN 41612-С, уст,,,) №пи шины VMEbus (с разрешения компании Schroff, Герм;

Электронные схемы шинного интерфей

д leTb электронные компо-

wa Понимания принципов работы шин важно рассмо

"к"""* тные цепи, что требует *дый проводник шины соединяет между собой рагддя электрического со- ования сигналов и характеристических импедансе, "вешалка" ТТЛ, откры-ия плат с шиной применяются три типа интерфейс£.ие характеристики этих eofh" и тристабильная логика. Разные электриче!!. jJeacoB отражаются в различных режимах работы uhq нормальная выходная Щалка" (totem pole, букв. - жертвенный столб) - Ьводящем состоянии на-п,""Ральной ТТЛ-схемы /пиг « 7л R -------

"Ральной ТтахшыпГя 7?я""" ~ Ьводящем состоянии на-

.0 "«бо транзистоо О Г Гпо " "««««е напряжение либо

/«ине наппяжрн ™ «?f РУ- Вьгию напряжения на Q1 и

> oorTeZZTuZT""" " " "адениюнапряжения на

- падепГнГи ""Р™ "- 0-4 В , в схемах ТТЛ "низкий

lib"ния напряжения на выходных тоаняистпг,. „ г. „

13-о„ ---"j-i па111ллл\.ению земли плюс И 4 К т-т-тг н

<п„ палрнма "- " X в схемах ТТЛ низкий

ь.ход„ого иГ " выходных транзистору, О до 0.8 В. а "высокий

*Нь" ""Дного напряжения определяется величиной напряжением, превышающим 2 В.

8888888888