Почему дальнейшее развитие параллельных шин является неперспективным

По способу передачи сигнала все шины можно разделить на последовательные и параллельные.

Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. Параллельные шины можно рассматривать как совокупность сигнальных линий (можно сказать что просто проводников), объединённых по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определённые электрические характеристики и протоколы передачи информации. Группы этих сигнальных линий также называются шинами:

— Линии для обмена данными (шина данных);

— Линии для адресации данных (шина адреса);

— Линии для управления данными (шина управления);

Для каждой из этих шин вводится понятие ширины. В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует её разрядности – количеству сигнальных линий, или, другими словами, количеству одновременно передаваемых («выставляемых на шину») битов информации. Сигнал на каждой линии может принимать два значения 0 и 1 (линия с двумя состояниями). Сигналом для старта и завершения цикла приёма/передачи данных служит внешний синхросигнал.

Для передачи в шине может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий – логическому нулю. При отрицательной логике – наоборот.

На рис … показана в приближенном виде передача данных по шине шириной 8 разрядов (т.е. шина имеет 8 линий для передачи данных и одну для синхросигнала). Понятно, что за один цикл по 8-разрядной шине может передаваться один байт.

Проблема параллельных шин в том, что каждая линия такой шины имеет свою длину, свою паразитную ёмкость и индуктивность, а также взамоиндуктивность. При параллельной передаче байты мешают друг другу вследствие наличия взаимоиндуктивности, поэтому вероятность ошибок увеличивается, чем ограничивается частота шины.

Помимо линий (проводников) важным компонентом шины является контроллер шины,который осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхема либо интегрируется в микросхемы Chipset. Для работы контроллера шины нужен внешний синхронизирующий сигнал (тактовая частота), который вырабатывается опорным генератором.

Еще раз обсудим особенности каждой из видов шин (линий), перечисленных выше.

Шина данных – это основная шина, по которой собственно и происходит передача информации. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена. Скорость передачи данных (она же пропускная способность) высчитывается по формуле:

скорость передачи данных = тактовая частота * разрядность * [2..4]

Полученное число не является реальным. В жизни на шины влияет куча всевозможных факторов: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях.

Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как N =2 I , где I, – количество разрядов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству).

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале — адрес, потом — данные). Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена. Иногда в шинах применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.

Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave).

Для успешной передачи данных не достаточно установить их на шине данных и задать адрес на шине адреса. Для того чтобы данные были записаны (считаны) в регистре устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передачи данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и др. Все эти сигналы передаются по шине управления.

Читайте также: Шины в барановичах зимние

Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа.

Самые главные управляющие сигналы — это стробы обмена, то есть сигналы, формируемые процессором и определяющие моменты времени, в которые производится пересылка данных по шине данных, обмен данными.

— Строб записи (вывода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель может принимать данные, выставленные процессором на шину данных;

— Строб чтения (ввода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель должно выдать на шину данных код данных, который будет прочитан процессором.

При этом большое значение имеет то, как процессор заканчивает обмен в пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена. Возможны два пути решения, синхронный и асинхронный обмен, (рис. ….) соответственно, шины также делятся на синхронные и асинхронные:

— При синхронном обмене процессор заканчивает обмен данными самостоятельно, через раз и навсегда установленный временной интервал выдержки (t_выд), то есть без учета интересов устройства-исполнителя;

— При асинхронном обмене процессор заканчивает обмен только тогда, когда устройство-исполнитель подтверждает выполнение операции специальным сигналом (так называемый режим handshake — рукопожатие).

Достоинства синхронного обмена – более простой протокол обмена, меньшее количество управляющих сигналов. Недостатки — отсутствие гарантии, что исполнитель выполнил требуемую операцию, а также высокие требования к быстродействию исполнителя, при синхронном обмене приходится искусственно увеличивать длительность строба обмена для соответствия требованиям большего числа исполнителей, чтобы они успевали обмениваться информацией в темпе процессора.

Рисунок Синхронный и асинхронный обмен.

Достоинства асинхронного обмена — более надежная пересылка данных, возможность работы с самыми разными по быстродействию исполнителями. Недостаток — необходимость формирования сигнала подтверждения всеми исполнителями, то есть дополнительные аппаратурные затраты.

Линии шины управления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

В последовательных шинах используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п.

В качестве примера приведем описание обмена для последовательного интерфейса RS-232.

Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации – 8 бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит — стоповый бит, говорящий о том, что передача завершена. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение — не более 10%.

Рисунок Работа последовательной шины, формат данных RS-232

Последовательные шины – не обязательно значит «однобитные», здесь возможны и 2, и 8, и 32 бит ширины при сохранении присущей последовательным шинам пакетной передачи данных, то есть в пакете импульсов данные, адрес, другая служебная информация разделены на логическом уровне.

Последовательные шины часто используют более чем два состояния линии (иногда дополнительные состояния используют для служебной информации).

Малое количество сигнальных линий и логически более сложный механизм передачи данных последовательных шин оборачиваются для них существенным преимуществом – возможностью наращивания рабочих частот. Последовательный способ передачи имеет преимущество перед параллельным если длина линии превышает хотя бы несколько сантиметров.

Видео:ФИЗИКА вашего ПРОЦЕССОРА. Проблема предела нанометров.Скачать

Недостатки классической параллельной шины

Помимо перечисленных выше противоречий, возникающих при использовании традиционных контроллеров в управлении сложными технологическими объектами, существует ряд недостатков, порождаемых самой природой параллельной шины:

Во-первых, большинство параллельных шин являются одномастерными (однопроцессорными). Многомастерные (многопроцессорные) шины существенно сложней и более дорогостоящи. Если для решения задач, потребуется многопроцессорная обработка, то необходимо использовать относительно дорогие многопроцессорные шины типа VME или аналогичные.

Во-вторых, многопроцессорные параллельные шины имеют централизованную схему арбитража. Арбитр — это отдельное самостоятельное устройство, которое управляет доступом процессоров к шине. Выход из строя единственного элемента — арбитра, приведет выходу из строя всего контроллера.

В-третьих, шинные циклы на параллельной магистрали являются элементарными операциями чтения/записи операндов с точно заданными адресами. Шинные циклы не обладают свойством транзакции, т.е. невозможно корректно «откатиться» в состояние до выполнения неудачного цикла и попытаться повторить его вновь. Из этого следует сразу несколько проблем:

Читайте также: Шины для авто кама евро

1. любой сбой при выполнении шинного цикла является серьезной системной ошибкой (исключительной ситуацией), корректная обработка которой практически невозможна. Редко какие операционные системы способны сохранить функционирование при подобных сбоях;

2. обязательное наличие точного адреса операнда в шинном цикле лишает возможности организации динамической маршрутизации информационных потоков;

3. ряд ограничений в адресации на параллельных шинах — отсутствуют широковещательные сообщения.

Вывод. Крупные контроллеры с централизованной обработкой даже с очень мощным процессором не удовлетворяют предъявляемым требованиям в полной мере. Необходима децентрализация обработки между небольшими автономными контроллерами, оптимальный объем которых соответствует объемам ФУ, для того, чтобы минимизировать обмен информацией между контроллерами.

Структура системы, адекватная функционально-технологической структуре объекта, на традиционных контроллерах возможна, но при этом стоимость системы существенно возрастет. С точки зрения эксплуатации, такая система будет иметь ряд недостатков. Отсутствие архитектурных решений, повышающих надежность системы будет допускать возможность отказов, приводящих к остановкам основного технологического оборудования на длительные периоды времени.

Контроллер с последовательной шиной

Распределение интеллекта по небольшим автономным контроллерам продиктовано разбиением технологии на функциональные узлы. Если представить архитектуру контроллера, состоящего из автономных интеллектуальных модулей, в которых объем каналов ввода/вывода и производительность встроенного в модуль процессора достаточны для управления средним функциональным узлом, то такая архитектура будет адекватной технологической структуре объекта автоматизации. Ключевой проблемой здесь является организация межмодульного взаимодействия внутри контроллера.

Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

Конец эпохи параллельных шин данных

PCI Express — новое поколение компьютерных шин и замена PCI

В качестве темы данного реферата я выбрал шину PCI Express. На мой взгляд, необходимость детального обзора технологии PCI Express назрела уже давно, поскольку в самом ближайшем времени на рынке ожидается появление не только чипсетов и материнских плат с поддержкой этой шины, но и всевозможных плат расширения — видеокарт и контроллеров (прежде всего, сетевых и дисковых). На данный момент, одним из наиболее активных апологетов продвижения на рынок шины PCI Express является корпорация Intel, хотя исходно архитектура будущей PCI Express была предложена несколько лет назад рабочей группой Arapahoe, основанной компаниями Compaq, Dell, IBM, Intel и Microsoft при участии организации PCI-SIG. В этом реферате я сделал попытку собрать вместе наиболее важные сведения об устройстве, назначении, достоинствах, недостатках и грядущих перспективах на рынке «третьего поколения шин ввода-вывода».

Конец эпохи параллельных шин данных

PCI Express призвана заменить шину PCI, исправно работающую в компьютерной технике уже более десяти лет. Напомню, что шина Peripheral Components Interconnect (PCI) в свое время пришла на смену «первому поколению» — шине Industrial Standard Architecture (ISA). Однако на сей раз изменения при переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI — они в PCI Express носят не столько количественный, сколько качественный характер и в целом их можно охарактеризовать как «переход от параллельных шин к последовательным», что является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных (см. рис. 1 и www.terralab.ru/system/20465).

Рис. 1. Переход с параллельных на последовательные технологии передачи данных.

В то время, как процессоры уже не первый год и вполне успешно движутся в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, Hyper-Treading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на последовательные решения. Причины обоих явлений схожи и довольно просты — необходимо сбалансировано наращивать производительность всех компонентов компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны эффективно масшабироваться.

Пожалуй, по процессу перехода на последовательные шины несложно проследить основные вехи развития полупроводниковой промышленности. Первыми на последовательную передачу перешли интерфейсы подключения мыши и клавиатуры — высоких скоростей там все равно не требовалось, а схемотехника заметно упростилась. Следующий виток эволюции можно связать с сетевыми решениями — провести параллельную линию данных высокого качества на большое расстояние невозможно, и все технологии передачи данных на большое расстояние были последовательными с самого начала. По мере совершенствования электроники на одном и том же кабеле удавалось получить 1 Мбит/с, 10 Мбит/с, 100 Мбит, а впоследствии и 1–10 Гбит/с. Традиционные параллельные COM и LPT в 1996 потеснил USB, вначале «низкоскоростной» (6 МГц, 12 Мбит/с), а затем и достаточно быстрый Hi-Speed USB (480 Мбит/с, 1999 год). Следующим покачнулся бастион уже сравнительно высокопроизводительных шин — на смену UltraATA/133 пришел чуть более производительный Serial ATA (www.terralab.ru/system/19510), уже успевший получить к сегодняшнему дню вторую версию. Практически синхронно на последовательную шину переходит один из древнейших интерфейсов — SCSI, наследником которого стал Serial Attached SCSI (SAS), см. www.terralab.ru/system/32360/page2.html. Шина PCI была очевидным кандидатом на звание «очередной жертвы прогресса» и инициативу Intel легко было предугадать.

Читайте также: Зимние шины для хаммера

Кстати, помимо PCI в современной компьютерной системе осталось, по большому счету, лишь две параллельных шины — процессорная и шина памяти. С переводом в первой «последовательный вариант» впереди идет AMD с ее удачным HyperTransport (строго говоря — более быстрая параллельная процессорная шина спрятана в сам кристалл процессора, а наружу выходит последовательная шина HyperTransport для связи процессора с «внешним миром»). Вторую же пробовала перевести на новые рельсы компания Rambus. Конечно, надо понимать что в обоих случаях шины не «чисто последовательные» однобитной ширины, а более широкие — от 8 до 16 и даже 32 бит, что, впрочем, не сильно меняет дело — шина возможна и однобитная, просто скорость будет при этом недостаточно высока. Главное — данные передаются в виде пакетов и логический уровень передачи данных четко отделен от физического уровня.

С параллельными шинами передачи данных микропроцессорам проще работать, они обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их тяжело масштабировать на высокие частоты — при этом очень сильно повышаются требования к физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы согласовать по времени «одновременные» сигналы во всех проводах шины), да и работать с ними неудобно, поскольку они занимают много места — сравните, например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой (если не считать экономию на «ножках микросхемы»), то порой дешевле делать более сложный кристалл контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины довольно естественно даже хотя бы сточки зрения экономии средств (экономия контактов и места на разводку собственно шины, см. врезку). С другой — последовательную шину гораздо проще заставить работать на повышенных тактовых частотах, поэтому удается не только скомпенсировать падение, но даже значительно поднять производительность. Более того, отличная масштабируемость последовательных шин вроде PCI Express и HyperTransport, относительно легко достигается путем как повышения частоты работы, так и добавлением нескольких последовательных линий к шине.

Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью передачи данных в расчете на один сигнальный контакт — около 100 Мбайт/с. Для сравнения: у обычной шины PCI этот показатель — всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц / 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 — 11,4 Мбайт/с на контакт (64х133/93), у AGP 8X — 19,75 Мбайт/с на контакт (32х533/108), а у Intel Hub Link 2 — 26,6 Мбайт/с на контакт (2×16 бит на 8х66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых, экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых — за счет более компактной разводки шин, см. чертежи плат.

Электрические улучшения (пониженное затухание в линиях передачи и повышенная чувствительность приемников данных) позволяют снизить требования к импедансу входных цепей и увеличить длину проводников шины на платах: сейчас она ограничивается 30,5 см для системных плат (от чипа до разъема), 9 см для плат контроллеров (и видеокарт) и 38 см для соединений между чипами на одной плате. Причем разводка может быть как четырех-, так и шестислойной — без каких-то особо критичных требований.

Технология PCI Express является открытым стандартом и разработана с расчетом на разнообразные применения — от полной замены шин PCI и PCI-X внутри настольных и серверных компьютеров, до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. При этом теоретическая пиковая производительность шины (на один канал передачи данных) примерно вдвое больше, нежели производительность «обычной» 33-мегагерцовой PCI — 250 против 133 Мбайт/с (или 200 против 100 Мбайт/с для реальной эффективной полосы пропускания данных). То есть для перехода на последовательную шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное увеличение тактовой частоты — до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать. Неудивительно, что PCI Express появилась только сегодня — раньше для нее просто не было достаточных технических предпосылок.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/pochemu-dalneyshee-razvitie-parallelnyh-shin-yavlyaetsya-neperspektivnym

  🎬 Видео

  03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

  

  ПОЧЕМУ частоты процессоров не растут?Скачать

  

  ПОЧЕМУ ПРОИЗВОДИТЕЛИ ПРОЦЕССОРОВ НАС ОБМАНЫВАЮТ? ФОРМАТСкачать

  

  Процессор под микроскопом. Нанометровое путешествие.Скачать

  

  Технологии будущих чипов | Нанолитография, рентгенСкачать

  

  Системная шина процессораСкачать

  

  Принцип работы процессора на уровне ядраСкачать

  

  Системные шины персонального компьютера для ...Скачать

  

  Конец эпохи кремния. Процессоры будущегоСкачать

  

  Что такое КВАНТОВЫЙ компьютер? | РАЗБОРСкачать

  

  КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать

  

  АПС Л19. ШиныСкачать

  

  Лекция 308. Шина I2CСкачать

  

  КАК РАБОТАЕТ ПРОЦЕССОР | КАК ТРАНЗИСТОРЫ НАУЧИЛИСЬ СЧИТАТЬ?Скачать

  

  Лекция 281. Шина ISAСкачать

  

  Частота процессора, множитель и системная шинаСкачать

  

  04. Основы устройства компьютера. Архитектура процессора. [Универсальный программист]Скачать