Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Протокол ввода-вывода, описанный нами ранее, является примером синхронного обмена данными; данные выставляются на шину или принимаются с нее синхронно со стробирующими сигналами, которые генерируются ЦП (или контроллером ПДП). Этот метод отличается простотой, однако он чреват неприятностями в случае использования протяженных длинных шин, поскольку большое время распространения сигнала может привести к тому, что данные в операции ввода будут устанавливаться недостаточно быстро, чтобы обеспечить надежную передачу. Собственно говоря, при синхронном протоколе устройство, посылающее данные, так никогда и не узнает, получены ли эти данные! Это может показаться серьезным недостатком, но в действительности компьютерные системы с синхронными магистралями превосходно работают.

Альтернативой является асинхронная магистраль, на которой операция, например, ввода осуществляется следующим образом. ЦП устанавливает адрес порта, а на стробирующей линии (назовем ее, как и раньше, IOR') уровень (не импульс), который показывает адресному устройству, что идет операция ввода. Адресуемое устройство устанавливает данные на линиях DATA, а также уровень, сигнализирующий о наличии достоверных данных (назовем его DTACK', data transfer acknowledged, подтверждение передачи данных). ЦП, обнаружив DTACK', фиксирует («защелкивает») данные и затем снимает уровень IOR'. Как только интерфейс замечает, что линия IOR' переходит в высокое состояние, он снимает сигналы с линий DTACK' и DATA. Другими словами, ЦП заявляет: «Дай мне данные». Периферийное устройство отвечает: «Вот они, бери». Тогда ЦП говорит: «Готово, взял». И, наконец, периферийное устройство завершает диалог: «Отлично! Пойду снова спать». Описанную процедуру иногда называют «рукопожатием», или квитированием. Асинхронный протокол допускает использование длинных шин и позволяет взаимодействующим устройствам убедиться, что данные действительно передаются. Если удаленное устройство будет выключено, ЦП узнает об этом. Собственно говоря, эта информация доступна (через регистры состояния) на магистралях любого вида, и основное достоинство асинхронного протокола заключается в возможности использовать линии связи любой длины за счет незначительного усложнения аппаратуры.

Иногда вам может понадобиться подключить к магистрали относительно медленные интерфейсные ИС; примером может служить ПЗУ с большим временем доступа или даже ОЗУ. Все магистрали предоставляют какие-то средства удлинения цикла магистрали, однако при асинхронном протоколе это происходит само по себе, поскольку цикл магистрали продолжается до тех пор, пока не будет снят сигнал DTACK'. Синхронные магистрали всегда содержат какую-то линию типа HOLD' (в компьютерах PC она называется I/O СН RDY) для организации состояний ожидания и задержки во времени конца цикла. Результирующая длительность цикла всегда увеличивается на целое число тактов генератора ЦП, т. е. на число включенных в цикл «состояний ожидания». Например, стандартная IBM PC имеет тактовую частоту 4,77 МГц (период 210 нc), а длительность обычного цикла магистрали при обращении к памяти составляет 4 тактовых периода (840 нc). Если сигнал I/O СН RDY переводится в низкое состояние при обращении к памяти перед вторым фронтом сигнала CLK и снова переходит в высокое состояние перед третьим, генерируется одно состояние ожидания с удлинением цикла магистрали (а также и сигналов MEMW' или MEMR') до 5 тактов (1050 нc). Удерживая сигнал I/O СН RDY в низком состоянии на протяжении большего числа тактов, вы создаете дополнительные состояния ожидания, вплоть до 10 периодов тактового генератора.

Теперь мы можем открыть тщательно скрываемый секрет про синхронные и асинхронные магистрали: практически все микрокомпьютеры с одним процессором (или, точнее, с одним ведущим на магистрали) являются синхронными, потому что вся синхронизация привязана к единственному генератору ЦП (вроде 4,77 МГц тактового генератора исходных IBM PC). В результате если периферийное устройство задерживает свое подтверждение на «асинхронной» магистрали, цикл всегда удлиняется на целое число тактов ЦП. Разница между синхронными и асинхронными магистралями в действительности заключается в следующем. На «асинхронной» магистрали состояния ожидания включаются в цикл по умолчанию, если только не установлен в низкое состояние сигнал DTACK' (поступающий через проводное ИЛИ), в то время как на «синхронной» магистрали состояния ожидания по умолчанию не возникают; они генерируются лишь если линия проводного ИЛИ (HOLD') устанавливается в низкое состояние. Однако различие не носит лишь семантический характер — «синхронный» протокол не позволяет работать с длинными шинами, потому что в этом случае сигнал HOLD' поступает в ЦП слишком поздно, чтобы удлинить цикл, в то время как на «асинхронной» магистрали ЦП не завершит цикл обмена без вашего разрешения (сигнал DTACK'). Со свойственной нам скромностью мы предлагаем, во избежание недоразумений, пользоваться следующей многообещающей терминологией: если состояния ожидания генерируются на магистрали по умолчанию («асинхронная» магистраль), будем называть ее «с ожиданием по умолчанию» (default-wait); если состояния ожидания возникают только при их запросе («синхронная» магистраль), будем называть ее «с ожиданием по запросу» (request-wait). Магистраль IBM PC характеризуется ожиданием по запросу, а магистраль VME (см. ниже) — по умолчанию.

Процессы на магистрали еще более усложняются в многопроцессорных системах, где управление магистралью переходит из рук в руки. На синхронной магистрали с несколькими ведущими все ведущие должны использовать единый тактовый генератор, в то время как асинхронная магистраль допускает различные тактовые частоты. К счастью для вас, обсуждение многопроцессорных систем выходит за рамки этой книги! Следует отметить обстоятельство, могущее привести к недоразумениям. Вы не добавляете состояния ожидания при работе с медленными периферийными устройствами (например принтером); это следует делать лишь при наличии медленных ИС (скажем, ПЗУ с временем доступа 250 нc или медленной периферийной БИС). Медленная периферия обычно безнадежно медленна (миллисекунды, а не наносекунды); с такими устройствами следует посылать (или принимать) байт на полной скорости магистрали, фиксируя его в регистре байтовой ширины, после чего ожидать прерывания (или, возможно, установки флага состояния), чтобы инициировать следующую передачу на, полной скорости.

Для иллюстрации архитектуры микрокомпьютерной магистрали-сигналов на магистрали, разновидностей ввода-вывода, прерываний, прямого доступа к памяти, мы выбрали магистраль IBM PC. Для книги по электронике это оправданный выбор, так как компьютеры типа PC выпускаются повсеместно и широко применяются в технике вообще и в системах сбора данных и управления в частности. К тому же, магистраль PC исключительно проста в объяснении и использовании.

Однако за простоту приходится платить. Магистрали исходных IBM PC свойственны серьезные ограничения, уже упоминавшиеся ранее (например, малое число уровней прерываний и каналов ПДП). Кроме того, магистраль IBM PC имеет по нынешним меркам слишком маленькое адресное пространство (20 бит, и доступны только 640 К), слишком узкую шину данных (8 бит), недостаточную скорость передачи данных (максимально 1,2 Мбайт/с) и невозможность работы с несколькими ведущими шины. Для последующих поколений машин PC фирма IBM разработала улучшенные магистрали, сначала магистраль PC/AT (совместимое усовершенствование исходных PC), а затем новую (и несовместимую!) «микроканальную» магистраль для серии машин PS/2. Вне мира IBM можно найти конкурирующие магистрали конкретных разработчиков (например, Q-bus и VAXBI фирмы DEC), а также типовые магистрали (Multibus, NuBus, VME). Давайте пройдемся по компьютерным магистралям, перечисленным в табл. 10.2.

PC/AT и Micro Channel. Компьютеры IBM PC/AT (сокращение от Advanced Technology, улучшенная технология) появились в 1984 г., а в 1987 г., на вершине популярности, их производство было приостановлено, чтобы уступить место серии машин IBM PS/2, использовавших улучшенную магистраль Micro Channel и призванных одним махом прихлопнуть производителей АТ-аналогов. (Однако машины PC/AT продолжали процветать, поскольку производители их аналогов, как и многие покупатели, сначала игнорировали новинку IBM, улучшенные качества которой требовали несуществующего программного обеспечения.) В PC/AT используется микропроцессор 80286 и расширенная (но совместимая) магистраль исходных PC: дополнительный (и необязательный) разъем для добавочных 8 бит данных, 4 бит адресов и 5 линий IRQ (со срабатыванием, как и прежде, по фронту). В результате 16-разрядная шина данных и более высокая тактовая частота подняли пропускную способность магистрали до 5,3 Мбайт/с, что в сочетании с расширением адресного пространства и увеличением числа уровней прерываний сделали PC/AT весьма серьезным микрокомпьютером. Магистраль PC/AT (иногда называемая Industry Standard Architecture, или ISA - стандартная промышленная архитектура) даже допускает нескольких ведущих на магистрали, хотя ее возможности в этом отношении ограничены. Платы, предназначенные для исходных PC, будут работать и на PC/AT (если они обладают необходимым быстродействием), так как усовершенствования, собранные на дополнительном разъеме, можно игнорировать; в этом случае, конечно, вы возвращаетесь к 8-разрядной шине данных и 20-разрядному адресному пространству. АТ-совместимые компьютеры обычно эксплуатируют свою магистраль ввода-вывода на высоких скоростях, и при использовании старых вставных плат могут возникнуть дополнительные трудности синхронизации.