обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально воз¬можная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.
В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:
• шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количест¬ва устройств определенного класса.
Шины расширений
Шина Multibus имеет две модификации: PC/XT bus (Personal Computer eXtended Technology — ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology — ПК с усовершенствованной технологией).
Шина PC/XT bus — 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитан¬ная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса огра¬ничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086,8088.
Шина PC/AT bus — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных пре¬рываний и 4 канала DMA. Используется с МП 80286.
Шина ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандар¬та) — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппарат¬ных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теорети¬ческая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 4-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разряд¬ных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения бы¬стродействия ПК.
Шина EISA (Extended ISA)—32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина ад¬реса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП — КЭШ — ОП определяется парамет¬рами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может под¬ключаться до 15 устройств, практически — до 10). Улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.
Шина МСА (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.
Локальные шины
Современные вычислительные системы характеризуются:
• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
• появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).
В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновре¬менно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользовате¬лей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться".
Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по от¬ношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.
Сейчас существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI.
Шина VLB (VESA Local Bus — локальная шина VESA) — разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA — Video Electronics Standards Associa¬tion), поэтому часто ее называют шиной VESA.
Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с ви¬деоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины — 32 бита, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи дан¬ных по VLB — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая — 132 Мбайт/с).
Недостатки шины:
• рассчитана на работу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
• жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
• малое количество подключаемых устройств — к шине VLB могут подключаться толь¬ко четыре устройства;
• отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми уст¬ройствами.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect — соединение внешних уст¬ройств) — разработана в 1993 г. фирмой Intel.
Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, по¬зволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных.
Разрядность PCI — 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая про¬пускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте — 263 Мбайт/с (реальная вдвое ниже).
Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расшире¬ния, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при нали¬чии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).
Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны соответственно на рис. 4.3 и 4.4. Следует иметь в виду, что использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются ма¬теринские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).
Рис. 4.3. Конфигурация системы с шиной VLB
Рис. 4.4. Конфигурация системы с шиной PCI
Таблица 4.4. Основные характеристики шин
Параметр ISA EISA МСА VLB PCI
Разрядность шины, бит данных адреса 16
24 32
32 32; 64
32 32,64 32 32,64 32
Рабочая частота, МГц 8 8—33 10—20 до 33 до 33
Пропускная способность. Мбайт/с теоретическая практическая 4
2 33 8 76 20 132 80 132;264 50;100
Число подключаемых устройств, шт. 6 15 15 • 4 10
Локальные шины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПК
Основными характеристиками ПК являются:
1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:
• МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ — ты¬сяча неких усредненных операций над числами;
• ГФЛОПС (GFLOPS — Giga FLoating Operations Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентиру¬ются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для харак¬теристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объ¬ективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
Пример 4.14. При отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличении внут¬ренней частоты у микропроцессора (см. подразд. 4.3) тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких машинных операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации и др.) в секунду; с час¬тотой 100 МГц — 20 млн. коротких операций в секунду.
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность