TIPURI DE MAGISTRALE

TIPURI DE MAGISTRALE

O magistrala nu este altceva decat o cale prin care pot circula datele in interiorul unui calculator (system de calcul).

De la aparitia primului PC, s-au introdus mai multe tipuri de magistrale, dar cele mai multe par sa fi aparut in ultimii ani.

Motivul este simplu: necesitatea cresterii vitezelor pentru a obtine performante mai bune in functionarea unui sistem de calcul.

Imbunatatirea performantelor se manifesta in trei directii principale :

procesoare mai rapide

cresterea cerintelor soft

cresterea cerintelor video

Surprinzator astazi peste 75% din calculatoarele personale folosesc aceeasi arhitectura de magistrala ca si IBM PC/AT.

Un PC are multe tipuri de magistrale, intre care se afla urmatoarele:

-magistrala procesorului ;

-magistrala de adrese ;

-magistrala memoriei ;

-magistrala I /O sau magistrala extinsa

Magistrala I /O sau magistrala extinsa este magistrala principala a sistemului pe care circula mai multe date.

Magistrala I/O este o « sosea » pentru cele mai multe date din sistem.

Tot ce vine sau pleaca, de la orice dispozitiv, cum ar fi sistemul video, unitatile de disc si imprimanta  « calatoreste » pe aceasta magistrala.

Celelalte magistrale, magistrala procesorului, magistrala de adrese  si magistrala memoriei  vor fi tratate in paragrafele urmatoare.

MAGISTRALA PROCESORULUI

Magistrala procesorului este calea de comunicare intre CPU (unitatea centrala de prelucrare) si cipurile cu care lucreaza direct. Aceasta magistrala este folosita pentru a transfera date intre CPU si magistrala principala a sistemului, de exemplu, sau intre CPU si memoria externa rapida (cache ).

Fig.1 arata cum se incadreaza aceasta magistrala intr-un sistem PC tipic :

Fig. 1 Magistrala procesorului

Nu toate sistemele PC au o memorie externa rapida (cache) pentru CPU; aceste memorii rapide sunt in general folosite in sistemele mai noi care utilizeaza cipuri 486 mai rapide sau cipuri PENTIUM. In multe sisteme deci, singurul scop al magistralei procesorului este acela de a comunica cu magistrala principala a sistemului.

Deoarece scopul magistralei procesorului este de a da si a primi date de la CPU cu cea mai mare viteza posibila, aceasta magistrala lucreaza la o viteza mult mai mare decat orice alta magistrala din sistem.

Magistrala este compusa din circuite electrice pentru date, pentru adrese si pentru control. Intr-un sistem 486 de exemplu, magistrala procesorului este compusa din 32 de linii de adresa, 32 de linii de date si cateva linii de control. Magistrala procesorului unui sistem Pentium are 64 linii de date, 32 linii de adresa si linii de control asociate.

Magistrala procesorului lucreaza la aceeasi viteza cu a ceasului de baza ca si CPU si poate transfera un bit de date pe o linie de date la fiecare perioada sau la doua perioade ale ceasului. Astfel, un sistem 486 poate transfera 32 biti de date simultan in timp ce un sistem Pentium poate transfera 64 biti de date.

Pentru a determina viteza de transfer pe magistrala procesorului, se multiplica marimea datelor (32 biti pentru 486 sau 64 biti pentru Pentium) cu viteza ceasului magistralei (aceeasi cu viteza ceasului de baza al CPU).

Daca folosim un cip Pentium de 66Mhz care poate transfera un bit de date la fiecare perioada de ceas pe fiecare linie de date, vom avea o viteza maxima instantanee de transfer, de 528 M pe secunda acest rezultat se obtine folosind urmatoarea formula :   

66Mhz x 64 biti = 4.224 megabiti / secunda

4.224 megabiti / secunda : 8 = 528 M/secunda

Aceasta viteza de transfer, adesea numita largime de banda a magistralei, reprezinta o valoare maxima. Ca in toate cazurile de maxim, aceasta viteza nu reprezinta largimea de banda in functionarea normala; trebuie sa va asteptati intotdeauna la o medie mai scazuta chiar cu mai mult de 25%.

Un sistem care are o largime de banda 128 M/secunda (cum ar fi un sistem 486 la 33Mhz), de exemplu, poate functiona in general la o viteza de 100M/secunda. Alti factori de limitare (cum ar fi cat de repede furnizeaza magistrala sistemului informatia, magistralei procesorului), pot contribui la caderea chiar in mai mare masura a largimii de banda efective.

MAGISTRALA    MEMORIEI

Magistrala memoriei este utilizata la transferul informatiei intre CPU si memoria principala - memoria RAM (memoria cu acces aleator) a sistemului. Aceasta magistrala este implementata printr-un set de cipuri dedicate si este responsabila cu transferul informatiilor intre magistrala procesorului si magistrala memoriei.

Acest set de cipuri este in general acelasi cu setul de cipuri responsabil cu gestionarea magistralei I/O. Fig.2 indica felul cum se integreaza magistrala memoriei in sistemul PC.

Informatia care circula prin magistrala memoriei este transferata la o viteza mult mai mica decat viteza de transfer a informatiei pe magistrala procesorului , din doua motive :

magistrala memoriei are mai putine linii de date,

cipurile de memorie nu pot sa manipuleze date la fel de repede cum o face procesorul.

Soclurile cipurilor sau conectorii modulelor SIMM sunt conectati la magistrala memoriei la fel cum sunt cuplati conectorii de extensie la magistrala I/O. Pentru ca un sistem de calcul sa functioneze in conditii optime trebuie ca dimensiunea magistralei de memorie sa fie corespunzatoare posibilitatilor CPU.

Fig 2 Magistrala memoriei

De exemplu, daca un sistem are un procesor pe 32 biti, trebuie sa insistati sa aveti, de asemenea, o magistrala a memoriei de 32 biti. La fel, pentru un sistem Pentium (cu procesor pe 64 biti), trebuie sa aveti o magistrala a memoriei pe 64 biti. Unele sisteme Pentium, in mod special cele mai vechi, au o magistrala a memoriei limitata (32 biti); Puteti identifica in general aceste sisteme dupa nume; ele sunt « oferite » ca fiind « Pentium-ready » sau « P5-ready »

MAGISTRALA DE ADRESE

Magistrala de adrese este in realitate o parte a magistralei de memorie Magistrala procesorului dintr-un sistem 486 sau Pentium este alcatuita din 32 sau 64 linii de date, 32 linii de adresa si cateva linii de control. Aceste linii de adrese constituie magistrala de adrese, care in multe scheme bloc nu figureaza separat de magistrala procesorului.

Magistrala de adrese este folosita in operatiile cu memoria. Ea selecteaza adresa de memorie pentru operatia urmatoare. Dimensiunea magistralei de memorie este direct legata de marimea memoriei pe care unitatea centrala o poate adresa direct.

CAPITOLUL II

Tipuri de magistrale I/O

De la aparitia primului PC, s-au introdus mai multe tipuri de magistrale; cele mai multe par sa fi aparut in ultimi ani. Motivul este simplu : necesitatea cresterii vitezelor de intrare/iesire pentru a obtine performante mai bune. Inbunatatirea performantelor se manifesta in trei directii principale :

-procesoare mai rapide ;

-cresterea cerintelor soft ;

-cresterea cerintelor video ;

Aceste trei cerinte impun ca magistrala I/O sa fie cat mai rapida posibil. Surprinzator, un numar mare de sisteme PC lansate pe piata folosesc inca aceeasi arhitectura de magistrala ca si IBM PC/AT. Totusi, aceasta situatie este in schimbare, pe masura ce piata sistemelor de calcul cere structuri diferite de magistrale I/O, arhitecturile se perfectioneaza, iar costurile noilor sisteme continua sa creasca.

Unul dintre motivele principale pentru care s-a incetinit diversificarea structurilor magistralei I/O, este compatibilitatea care leaga mult de trecut industria de calculatoare PC.

Standardizarea este unul dintre motivele importante ale succesului pe care il au sistemele PC. Aceasta standardizare a dus la aparitia a mii de placi I/O produse de firme, fiecare dintre ele reprezentand o creatie originala, conforma cu documentatiile mai vechi de magistrala a PC. Daca se introduce o noua magistrala de sistem, cu performante mai ridicate, ea trebuie sa fie compatibila cu magistralele, astfel incat placile I/O deja existente sa poata fi folosite.

De aceea tehnologia magistralelor pare mai curand sa se perfectioneze decat sa evolueze semnificativ.

Principalele tipuri de magistrale intrare-iesire (I/O) sunt :

magistrala ISA ;

magistrala Micro channel ;

magistrala EISA ;

magistrala locala ;

magistrala VESA locala ;

magistrala PCMCIA .

Aceste magistrale se deosebesc in principal prin numarul de informatii transferate simultan si prin viteza cu care se face acest transfer. Arhitectura magistralei este realizata cu un set de cipuri care este conectat la magistrala procesorului.

In general, aceste cipuri controleaza si magistrala memoriei (fig 2).

Magistrala ISA

ISA (industry standard arhitecture) este arhitectura de magistrala introdusa odata cu primul IBM PC, in 1982, si care a fost mai tarziu imbunatatita la modelul IBM PC/AT. ISA sta la baza calculatorului personal modern si este principala arhitectura folosita in marea majoritate a sistemelor PC de pe piata.

Magistrala ISA a permis miilor de producatori sa construiasca sisteme ale caror componente sa fie interschimbabile.

De exemplu, unitatile de discheta care functioneaza intr-un sistem IBM PC functioneaza si intr-un sistem copie IBM, iar adaptoarele video care functioneaza in sistemele IBM AT, functioneaza si in sistemele 286 compatibile IBM.

Exista doua versiuni de magistrale ISA, care se deosebesc prin numarul de biti de date ce pot fi transferati simultan pe magistrala.Versiunea mai veche este magistrala pe 8 biti.Versiunea mai noua este magistrala pe 16 biti. Ambele versiuni de magistrala functioneaza la 8 Mhz, avand nevoie de doua pana la opt perioade de ceas pentru transferul datelor. De aceea rata maxima, teoretica, de transfer a magistralei ISA este de 8 M pe secunda, conform formulei :

8Mhz x 16biti=128 megabiti/secunda

128megabiti/secunda :2 perioade =64 megabiti/secunda

64megabiti /secunda :8=8M/secunda

Largimea de banda a unei magistrale pe 8 biti va fi la jumatate din aceasta cifra (4M/secunda). Oricum acestea sunt valorile maxime teoretice; datorita protocoalelor de comunicatii pe magistrala I/O, largimea de banda reala este mult mai mica, in general jumatate din cea teoretica .

Magistrala ISA pe 8 biti

Aceasta arhitectura de magistrala este folosita de primele calculatoare IBM PC. Cu toate ca astazi este practic inexistenta in noile sisteme aceasta arhitectura continua sa existe in sutele de mii de sisteme PC aflate in exploatare.

O placa adaptoare cu 62 de contacte aurite la marginea inferioara se introduce intr-un conector cu 62 de contacte aurite montat pe placa de baza.

Din punct de vedere electronic , acest conector furnizeaza 8 linii de date si 20 de linii de adresa si permite lucrul cu 1M de memorie.

Dimensiunile unei placi adaptoare pentru magistrala ISA pe 8 biti sunt urmatoarele  :

-4,2 inci (106,68mm) inaltime ;

-13,13 inci (333,5mm) lungime ;

-0,5 inci (12,7mm) grosime ;

In calculatoarele portabile PC sau PC/XT, al optulea conector, si anume cel mai apropiat de sursa de alimentare este un conector special; numai anumite placi pot fi instalate aici.

MAGISTRALA ISA PE 16 BITI

Cipurile 80286 din generatia a doua pot transfera 16 biti simultan pe magistrala I/O, in comparatie cu cei 8 biti transferati de unitatile CPU mai vechi. Introducerea acestui cip a creat firmei IBM o problema referitoare la noua generatie de calculatore PC. Ar fi trebuit ca IBM sa creeze o magistrala I/O noua sau sa proiecteze un sistem care poate admite atat placile pe 8 biti cat si cele pe 16 biti. IBM a optat pentru ultima solutie si a introdus un sistem PC AT cu un set de conectori dubli de extensie.

Conectorii extinsi pentru 16 biti fac fizic imposibila montarea placilor adaptoare care au o margine (skirt), o prelungire spre placa de baza imediat dupa conector. Pentru aceste placi, IBM a lasat doua porturi fara extensia pentru 16 biti. Acesti conectori identici cu conectorii de extensie din sistemele anterioare, pot fi folositi pentru orice placi de extensie din sistemele AT sau XT.

MAGISTRALA ISA PE 32 BITI

Intre momentul aparitiei procesoarelor pe 32 biti si momentul in care au fost disponibile standardele a trecut o perioada de timp. Anterior publicarii documentatiilor tehnice MCA si EISA, unii furnizori au inceput sa-si creeze propriile brevete de sisteme cu magistrale pe 32 biti, ca extensii ale magistralei ISA. Cu toate ca aceste magistrale sunt putine si foarte diferite , ele totusi exista.

MAGISTRALA MCA

Aparitia procesoarelor pe 32 biti a facut ca magistrala ISA sa nu mai corespunda puterii noii generatii de procesoare. Cipurile 386 transfera 32 de biti de date simultan, iar magistrala ISA poate transfera doar maxim de 16 biti. In loc sa extinda din nou magistrala ISA, IBM a decis sa construiasca o noua magistrala; asa a aparut magistrala MCA (Micro Channel Architecture). MCA este complet diferita de magistrala ISA si ii este superioara din toate punctele de vedere.

Magistrala MCA nu este compatibila cu vechea magistrala ISA, deci placile proiectate pentru magistrala ISA nu functioneaza intr-un sistem MCA.

Un sistem MCA este lipsit de jumpere si comutatoare, atat pe placa de baza cat si pe placile adaptoare.

MCA admite controlul total al magistralei (bus-mastering). Prin implementarea tehnologiei bus-mastering, s-au realizat imbunatatiri semnificative ale performantelor in comparatie cu magistrala ISA (posibilitatea controlului total al magistralei o are, de asemenea, si magistrala EISA).

CACP (Central Arbitration Control Point) arbitreaza competitia pentru transferul pe magistrala, asigurand accesul dispozitivelor la magistrala, dar impiedicand ca un singur dispozitiv sa o monopolizeze.

MAGISTRALA EISA

EISA sunt initialele pentru Extended Industri Standard Architecture. Acest standard a fost creat ca raspuns la aparitia magistralei MCA, mai precis la modul in care IBM a conditionat licenta pentru magistrala MCA. Primele echipamente EISA au inceput sa apara pe piata in martie 1989.

Magistrala EISA a aparut ca o dezvoltare a magistralei ISA, cu toate ca lucrurile nu stau tocmai asa. Magistrala EISA furnizeaza conectori de 32 biti pentru sistemele 386 DX. Conectorul EISA permite producatorilor sa proiecteze placi adaptoare avand multe dintre calitatile adaptoarelor MCA si care, admit si placi create pentru vechea magistrala standard EISA.

Magistrala EISA adauga 90 de conexiuni suplimentare (55 de semnale) fara ca aceasta sa implice cresterea dimensiunilor conectorului de magistrala ISA de 16 biti. La o prima privire, conectorul pentru 32 de biti seamana mult cu conectorul ISA pentru 16 biti. Totusi adaptorul ISA are doua siruri de conectori. Primul sir este acelasi tip cu cel folosit de placile ISA pentru 16 biti, iar al doilea sir, mai ingust constituie extensia fata de conectorul pentru 16 biti.

Dimensiunile unei placi ISA sunt urmatoarele :

-5 inci (127 mm) inaltime ;

-13,13 inci (333,5 mm) lungime ;

-0,5 inci (12,7 mm) grosime

Magistrala EISA poate transfera 32 de biti de date la o frecventa de 8.33 MHz. Largimea maxima de banda a magistralei este 33 M pe secunda, conform urmatoarei formule :

8,33 MHz x 32 biti=266,56 megabiti/secunda

266,56 megabiti/secunda : 8 =33,32 M/secunde

BUS-MASTERING (controlul total al magistralei)

EISA utilizeaza o tehnologie numita bus-mastering pentru a mari viteza sistemului. Pentru a functiona corespunzator tehnologia bus-mastering se bazeaza pe un circuit de arbitrare EISA numit de obicei CIP ISP (integrated system peripheral). Cipul ISP permite unei placi cu optiunea de control total al magistralei sa ia controlul exclusiv al sistemului, ca si cand placa ar fi insusi sistemul. Un controler de disc in tehnologia bus-mastering schimba un volum de date mult mai mari cu o unitate rapida de hard disc, in comparatie cu un controler obisnuit.

MAGISTRALA LOCALA VESA

VESA (video electronics standard association) a dezvoltat un standard de magistrala local-bus cunoscuta sub numele de VESA Local -Bus sau mai simplu VL-Bus. Sistemele VL-Bus ofera accesul direct la memoria sistemului cu viteza procesorului. Magistrala VL-Bus transfera 32 biti de date simultan, deci permite ca transferul datelor intre CPU si un hard disc sa se faca pe lungimea intreaga de 32 biti a cuvantului pe care comunica cipul 486. Rata maxima de transfer pe o magistrala VL- Bus este de 128 M pana la 132 M pe secunda. In plus VL-Bus ofera producatorilor de placi de interfete pentru hard disc ocazia de a depasi o alta dificultate traditionala: rata de transfer intre discul hard si CPU. Unitatea obisnuita de disc IDE de 16 biti si interfata sa realizeaza transferul pana la 5M pe secunda, pe cata vreme adaptorul de disc VL-Bus pentru unitatile IDE asigura transferul a nu mai putin de 8M pe secunda.

Pe langa toate beneficiile pe care le aduce tehnologia VL-Bus exista si cateva dezavantaje :

depedenta de procesorul 486;

limitarile de viteza;

limitari electrice;

limitari legate de placi.

Extensia VESA are 112 contacte si foloseste acelasi conector fizic ca si magistrala MCA. Tabelul 1 contine dimensiunile diferitelor placi VL-Bus. Dimensiunile se refera doar la placa principala.

CAPITOLUL III

CONECTORI DE MAGISTRALA SI PLACI I/O

In proiectarea MCA se folosesc patru tipuri de conectori :

16 biti;

16 biti cu extensii video;

16 biti cu extensii de memorie;

32 de biti.

CONECTORI MCA PE 16 BITI

Conectorul MCA de 16 biti este modelul principal de conector utilizat in sistemele MCA. Acesti conectori sunt mai mici decat cei folositi in sistemele ISA. Conectorul are doua sectiuni :

• prima sectiune permite operatii pe 8 biti,
• cea de a doua sectiune permite operatii pe 16 biti.

CONECTORI MCA PE 32 BITI

In plus fata de modelul de baza de conector cu 16 biti, sistemele MCA cu unitatea centrala 386 DX au cativa conectori de 32 biti, proiectati pentru a se putea profita de avantajele capacitatilor mai mari de comunicatie si de adrese ale procesorului. Desi conectorul de 32 biti este o extensie a modelului original MCA, aceasta extensie a fost proiectata in acelasi timp cu restul arhitecturii MCA. Modelul este mai unitar in comparatie cu extensia la 16 biti din sistemele ISA.

			MEMORIA IMEDIATA (CACHE)

MAGISTRALA

PROCESORULUI

CIPURILE CON- TROLERULUI DE MAGISTRALA

(VITEZA MARE

PLACI ADAPTOARE I/O

ADAPTOARE I/O INCLUSE