Что такое шина в компьютере: Шина (компьютер) | это… Что такое Шина (компьютер)?

— Computer History Wiki

В компьютерной архитектуре шина представляет собой подсистему, которая передает данные или питание между компьютерными компонентами внутри компьютера или между компьютерами и обычно управляется программным обеспечением драйвера устройства. В отличие от двухточечного соединения, шина может логически соединять несколько периферийных устройств по одному и тому же набору проводов. Каждая шина определяет свой набор разъемов для физического соединения устройств, плат или кабелей.

Ранние компьютерные шины были буквально параллельными электрическими шинами с несколькими соединениями, но теперь этот термин используется для любого физического устройства, которое обеспечивает те же логические функции, что и параллельная электрическая шина. Современные компьютерные шины могут использовать как параллельные, так и последовательные соединения, а также могут быть подключены либо по многоточечной (электрической параллельной), либо по последовательной топологии, либо подключены через коммутируемые концентраторы, как в случае USB.

Содержимое

• 1 Первое поколение
• 2 Второе поколение
• 3 Третье поколение
• 4 Описание автобуса
• 5 Топология шины
• 6 Примеры внутренних компьютерных шин
  • 6.1 Параллельный
  • 6.2 Серийный номер
• 7 Примеры внешних компьютерных шин
  • 7.1 Параллельный
• 8 Примеры внутренних/внешних компьютерных шин
• 9 См. также
• 10 Внешние ссылки

Первое поколение

Ранние компьютерные шины представляли собой пучки проводов, к которым подключалась память и периферийные устройства. Они были названы в честь электрических шин или сборных шин. Практически всегда была одна шина для памяти, а другая для периферии, и доступ к ним осуществлялся отдельными инструкциями, с совершенно разными таймингами и протоколами.

Одной из первых сложностей было использование прерываний. Ранние компьютеры выполняли ввод-вывод, ожидая в цикле готовности периферийного устройства. Это была пустая трата времени для программ, у которых были другие задачи. Кроме того, если программа попытается выполнить эти другие задачи, повторная проверка программы может занять слишком много времени, что приведет к потере данных. Таким образом, инженеры устроили так, чтобы периферийные устройства прерывали работу ЦП. Прерывания должны были иметь приоритет, потому что ЦП может выполнять код только для одного периферийного устройства за раз, а некоторые устройства более критичны ко времени, чем другие.

Через некоторое время после этого некоторые компьютеры стали разделять память между несколькими процессорами. На этих компьютерах доступ к шине также должен был быть приоритетным.

Классический и простой способ приоритизации прерываний или доступа к шине заключался в последовательной цепочке.

DEC отметила, что наличие двух шин кажется расточительным и дорогим для небольших массовых компьютеров, и сопоставила периферийные устройства с шиной памяти, так что устройства выглядели как ячейки памяти. В то время это был очень смелый проект. Циники предсказывали провал.

Ранние микрокомпьютерные шинные системы представляли собой пассивную объединительную плату, соединенную с контактами ЦП. Память и другие устройства будут добавлены к шине с использованием того же адреса и контактов данных, что и сам ЦП, подключенных параллельно. В некоторых экземплярах, таких как IBM PC, инструкции по-прежнему генерировали сигналы в ЦП, которые можно было использовать для реализации настоящей шины ввода-вывода.

Во многих микроконтроллерах и встроенных системах шина ввода-вывода до сих пор не существует. Коммуникацией управляет ЦП, который считывает и записывает данные с устройств, как если бы они были блоками памяти (в большинстве случаев), все синхронизировалось центральными часами, контролирующими скорость ЦП. Устройства запрашивают обслуживание, сигнализируя на других выводах ЦП, обычно используя некоторую форму прерывания.

Например, контроллер дисковода сигнализировал ЦП, что новые данные готовы к чтению, после чего ЦП перемещал данные, считывая память, соответствующую дисководу. Почти все первые компьютеры были построены таким образом, начиная с шины S-100 в «Альтаире» и заканчивая IBM PC в 1980-х годах.

Эти простые системы шин имели серьезный недостаток для компьютеров общего назначения. Все оборудование на шине должно говорить с одинаковой скоростью и, таким образом, использует одни и те же часы.

Увеличение скорости процессора — дело непростое, поскольку скорость всех устройств также должна увеличиваться. Это часто приводит к странным ситуациям, когда очень быстрые процессоры должны «замедляться», чтобы общаться с другими устройствами в компьютере. Хотя эта проблема приемлема для встраиваемых систем, в коммерческих компьютерах она долго не допускалась.

Еще одна проблема заключается в том, что ЦП требуется для всех операций, поэтому, если он будет занят другими задачами, реальная пропускная способность шины может сильно пострадать.

Такие шинные системы трудно конфигурировать, если они построены из стандартного готового оборудования. Обычно для каждой добавляемой печатной платы требуется множество перемычек для установки адресов памяти, адресов ввода-вывода, приоритетов прерываний и номеров прерываний.

Второе поколение

Шинные системы «второго поколения», такие как NuBus , решили некоторые из этих проблем. Обычно они разделяли компьютер на два «мира»: ЦП и память с одной стороны и различные устройства с другой, с контроллер шины между ними. Это позволило процессору увеличить скорость, не влияя на шину. Это также перенесло большую часть нагрузки по перемещению данных из ЦП на карты и контроллер, поэтому устройства на шине могли общаться друг с другом без вмешательства ЦП. Это привело к гораздо лучшей производительности в «реальном мире», но также потребовало, чтобы карты были намного более сложными. Эти шины также часто решали проблемы со скоростью, будучи «больше» с точки зрения размера пути данных, переходя от 8-битных параллельных шин в первом поколении к 16 или 32-битным во втором, а также добавляя настройку программного обеспечения. (теперь стандартизированный как Plug-n-play), чтобы заменить или заменить перемычки.

Однако у этих более новых систем было одно общее качество со своими более ранними собратьями: все в автобусе должны были говорить с одинаковой скоростью. В то время как ЦП теперь был изолирован и мог без опасений увеличивать скорость, ЦП и память продолжали увеличивать скорость намного быстрее, чем шины, с которыми они общались. В результате скорость шины стала намного меньше, чем требуется современной системе, и машинам не хватало данных. Особенно распространенным примером этой проблемы было то, что видеокарты быстро обгоняли даже более новые системы шин, такие как 9.0003 PCI , а компьютеры стали включать AGP только для того, чтобы гонять видеокарту. К 2004 году AGP снова переросла видеокарты высокого класса и была заменена новой шиной PCI Express .

Все больше внешних устройств также используют свои собственные шинные системы. Когда дисководы были впервые представлены, они добавлялись к машине с картой, вставленной в шину, поэтому в компьютерах так много слотов на шине. Но через 19В 80-х и 1990-х годах для удовлетворения этой потребности были представлены новые системы, такие как SCSI и IDE , в результате чего большинство слотов в современных системах остались пустыми. Сегодня в типичной машине может быть около пяти различных шин, поддерживающих различные устройства.

Затем стала популярной полезная дифференциация: концепция локальной шины в отличие от внешней шины . Первые относятся к шинным системам, предназначенным для использования с внутренними устройствами, такими как графические карты, а вторые — к шинам, предназначенным для добавления внешних устройств, таких как сканеры. Заметим, однако, что «местный» также относится к большей близости к процессору VL-Bus и PCI, чем ISA. IDE — это внешняя шина с точки зрения того, как она используется, но почти всегда находится внутри машины.

Третье поколение

Автобусы «третьего поколения» в настоящее время находятся в процессе выхода на рынок, включая HyperTransport и InfiniBand . Обычно они включают в себя функции, которые позволяют им работать на очень высоких скоростях, необходимых для поддержки памяти и видеокарт, а также поддерживают более низкие скорости при обмене данными с более медленными устройствами, такими как дисководы. Они также имеют тенденцию быть очень гибкими с точки зрения их физических подключений, что позволяет использовать их как в качестве внутренних шин, так и для соединения разных машин вместе. Это может привести к сложным проблемам при попытке обслужить различные запросы, поэтому большая часть работы в этих системах касается разработки программного обеспечения, а не самого оборудования. В целом, эти шины третьего поколения, как правило, больше похожи на сеть, чем на первоначальную концепцию шины, с более высокими затратами на протокол, чем в ранних системах, а также позволяют нескольким устройствам использовать шину одновременно.

С другой стороны, интегральные схемы все чаще разрабатываются на основе предварительно разработанной логики, «интеллектуальной собственности». Такие шины, как Wishbone, были разработаны для того, чтобы устройства на интегральных схемах могли взаимодействовать друг с другом.

Описание шины

Когда-то «шина» означала электрически параллельную систему с электрическими проводниками, подобными или идентичными контактам ЦП. Это уже не так, и современные системы стирают границы между шинами и сетями.

Шины могут быть параллельными шинами, по которым слова данных передаются чередованием по нескольким проводам, или последовательными шинами, по которым данные передаются в побитовой последовательной форме. Добавление дополнительных соединений питания и управления, дифференциальных драйверов и соединений данных в каждом направлении обычно означает, что большинство последовательных шин имеют больше проводников, чем минимум два, используемых в последовательной шине I²C. По мере увеличения скорости передачи данных становится все труднее обойти проблемы временного перекоса и перекрестных помех между параллельными шинами. Одним из частичных решений этой проблемы была двойная прокачка автобуса. Часто последовательная шина фактически может работать с более высокими общими скоростями передачи данных, чем параллельная шина, несмотря на меньшее количество электрических соединений, потому что последовательная шина по своей природе не имеет перекоса синхронизации или перекрестных помех. USB, FireWire и Serial ATA являются примерами этого. Многоточечные соединения плохо работают для быстрых последовательных шин, поэтому в большинстве современных последовательных шин используется конструкция с гирляндной цепью или концентратором.

Большинство компьютеров имеют как внутренние, так и внешние шины. Внутренняя шина соединяет все внутренние компоненты компьютера с материнской платой (и, следовательно, ЦП и основной памятью). Эти типы шин также называются локальными шинами, поскольку они предназначены для подключения к локальным устройствам, а не к устройствам на других машинах или внешним по отношению к компьютеру устройствам. Внешняя шина соединяет внешние периферийные устройства с материнской платой.

Сетевые соединения, такие как Ethernet, обычно не считаются шинами, хотя разница в основном носит концептуальный, а не практический характер. Появление таких технологий, как InfiniBand и HyperTransport, еще больше стирает границы между сетями и шинами. Даже границы между внутренней и внешней иногда размыты, I²C может использоваться как внутренняя шина, так и внешняя шина (где она известна как ACCESS.bus), а InfiniBand предназначен для замены как внутренних шин, таких как PCI, так и внешние, такие как Fibre Channel.

Современные тенденции развития персональных компьютеров, особенно ноутбуков, направлены на отказ от всех внешних подключений, кроме разъема для модема, Cat5, USB, разъема для наушников и опционального VGA или FireWire.

Топология шины

В сети главный планировщик управляет трафиком данных. Если данные должны быть переданы, запрашивающий компьютер отправляет сообщение планировщику, который ставит запрос в очередь. Сообщение содержит идентификационный код, который передается всем узлам сети. Планировщик определяет приоритеты и уведомляет получателя, как только шина становится доступной.

Идентифицированный узел принимает сообщение и выполняет передачу данных между двумя компьютерами. После завершения передачи данных шина освобождается для следующего запроса в очереди планировщика.

Преимущество шины: можно получить прямой доступ к любому компьютеру и отправить сообщение относительно простым и быстрым способом. Недостаток: нужен планировщик для назначения частот и приоритетов для организации трафика.

См. также: Шинная сеть

Примеры внутренних компьютерных шин

Parallel

• Собственная шина ASUS Media Bus, используемая на некоторых материнских платах ASUS Socket 7
• КАМАК для контрольно-измерительных систем
• Расширенный стандарт ISA или EISA
Архитектура промышленного стандарта
• или ISA
• Малое количество выводов или LPC
• Микроканал или MCA
• Мбит-шина
• Мультишина для промышленных систем
• NuBus или IEEE 1196
Локальная шина
• OPTi, используемая на ранних материнских платах Intel 80486.
• Interconnect периферийных компонентов или PCI
• Шина S100 или IEEE 696, используемая в Altair и подобных микрокомпьютерах
• SBus или IEEE 1496
• Локальная шина VESA или шина VLB или шина VL
• VME, шина VERSAmodule Eurocard
• Шина STD для 8- и 16-битных микропроцессорных систем

Последовательный

• 1-Wire
• Гипертранспорт
• I²C
• PCI Express или PCIe
• Шина последовательного периферийного интерфейса или шина SPI
• Универсальная последовательная шина USB

Примеры внешних компьютерных шин

Параллельная

• Расширенная технология подключения или ATA (она же PATA, IDE, EIDE, ATAPI и т. д.) периферийная шина подключения диска/ленты
  (оригинальная ATA является параллельной, но см. также последний серийный ATA)

• IEEE-488 (он же GPIB, универсальная инструментальная шина и HPIB, инструментальная шина Hewlett-Packard)
• Интерфейс малых компьютерных систем SCSI, шина подключения периферийных устройств к диску/ленте

Примеры внутренних/внешних компьютерных шин

• Futurebus
• InfiniBand
• QuickRing
• SCI

См.

• Адресная шина
• Конфликт шины
• Шина управления
• Передняя боковая шина
• Сеть на чипе

Внешние ссылки

• Лекция 12 Чипа Уимса: Шины

Эта страница содержит материалы из Википедии, статья Bus_(computing), под лицензией Creative Commons.

Чтение: Автобус | Введение в компьютерные приложения и концепции |

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические провода с несколькими соединениями, но теперь этот термин используется для любого физического устройства, которое обеспечивает ту же логическую функциональность, что и параллельная электрическая шина. Современные компьютерные шины могут использовать как параллельные, так и битовые последовательные соединения, а также могут быть подключены либо по многоточечной (электрической параллельной), либо по последовательной топологии, либо подключены через коммутируемые концентраторы, как в случае USB.

История вопроса и номенклатура

Компьютерные системы обычно состоят из трех основных частей: центрального процессора (ЦП), который обрабатывает данные, памяти, в которой хранятся программы и данные, подлежащие обработке, и устройств ввода/вывода (ввода/вывода) в качестве периферийных устройств, которые взаимодействуют с внешним миром. Ранний компьютер мог использовать встроенный в руки ЦП из вакуумных ламп, магнитный барабан для основной памяти, а также перфоленту и принтер для чтения и записи данных. В современной системе мы можем найти многоядерный процессор, DDR3 SDRAM для памяти, жесткий диск для дополнительного хранилища, графическую карту и ЖК-дисплей в качестве системы отображения, мышь и клавиатуру для взаимодействия и соединение Wi-Fi для работы в сети. . В обоих примерах компьютерные шины той или иной формы перемещают данные между всеми этими устройствами.

В большинстве традиционных компьютерных архитектур центральный процессор и оперативная память, как правило, тесно связаны. Обычно микропроцессор представляет собой один чип, на выводах которого имеется ряд электрических соединений, которые можно использовать для выбора «адреса» в основной памяти, а другой набор контактов — для чтения и записи данных, хранящихся в этом месте. В большинстве случаев ЦП и память имеют общие сигнальные характеристики и работают синхронно. Шина, соединяющая ЦП и память, является одной из определяющих характеристик системы и часто называется просто системной шиной.

Таким же образом можно разрешить периферийным устройствам взаимодействовать с памятью, подключив адаптеры в виде карт расширения непосредственно к системной шине. Обычно это достигается с помощью стандартного электрического разъема, некоторые из которых образуют шину расширения или локальную шину. Однако, поскольку различия в производительности ЦП и периферийных устройств сильно различаются, обычно требуется какое-то решение, чтобы гарантировать, что периферийные устройства не снижают общую производительность системы. Многие процессоры имеют второй набор контактов, похожий на те, что используются для связи с памятью, но могут работать с очень разными скоростями и с использованием разных протоколов. Другие используют интеллектуальные контроллеры для размещения данных непосредственно в памяти — концепция, известная как прямой доступ к памяти. Большинство современных систем при необходимости сочетают оба решения.

По мере роста количества потенциальных периферийных устройств использование карты расширения для каждого периферийного устройства становилось все более несостоятельным. Это привело к появлению шинных систем, разработанных специально для поддержки нескольких периферийных устройств. Типичными примерами являются порты SATA в современных компьютерах, которые позволяют подключать несколько жестких дисков без необходимости использования карты. Однако эти высокопроизводительные системы, как правило, слишком дороги для реализации в недорогих устройствах, таких как мышь. Это привело к параллельной разработке ряда низкопроизводительных шинных систем для этих решений, наиболее распространенным примером которых является универсальная последовательная шина. Все такие примеры можно назвать периферийными шинами, хотя эта терминология не универсальна.

В современных системах разница в производительности между ЦП и основной памятью настолько велика, что увеличивающийся объем высокоскоростной памяти встроен непосредственно в ЦП, известный как кэш. В таких системах центральные процессоры взаимодействуют с помощью высокопроизводительных шин, которые работают на скоростях, намного превышающих скорость памяти, и взаимодействуют с памятью с использованием протоколов, аналогичных тем, которые использовались исключительно для периферийных устройств в прошлом. Эти системные шины также используются для связи с большинством (или со всеми) другими периферийными устройствами через адаптеры, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими периферийными устройствами и контроллерами. Такие системы архитектурно больше похожи на мультикомпьютеры, обменивающиеся данными по шине, а не по сети. В этих случаях шины расширения полностью отделены друг от друга и больше не имеют общей архитектуры с их центральным процессором (и фактически могут поддерживать множество разных процессоров, как в случае с PCI). То, что раньше было системной шиной, теперь часто называют внешней шиной.

С учетом этих изменений классические термины «система», «расширение» и «периферия» больше не имеют одинаковых коннотаций. Другие распространенные системы категоризации основаны на основной роли шины, соединении устройств внутри или снаружи, например, PCI или SCSI. Однако многие распространенные современные шинные системы могут использоваться для обоих; SATA и связанный с ним eSATA являются одним из примеров системы, которая ранее описывалась как внутренняя, в то время как в некоторых автомобильных приложениях используется в основном внешний интерфейс IEEE 139.4 по моду больше похож на системную шину. Другие примеры, такие как InfiniBand и I²C, с самого начала разрабатывались для использования как внутри, так и снаружи.

Внутренняя шина

Внутренняя шина, также известная как внутренняя шина данных, шина памяти, системная шина или шина Front-Side-Bus, соединяет все внутренние компоненты компьютера, такие как ЦП и память, с материнской платой. Внутренние шины данных также называются локальными шинами, поскольку они предназначены для подключения к локальным устройствам. Эта шина обычно довольно быстра и не зависит от остальных компьютерных операций.

Внешняя шина

Внешняя шина, или шина расширения, состоит из электронных путей, которые соединяют различные внешние устройства, такие как принтер и т. д., с компьютером.

Детали реализации

Шины могут быть параллельными шинами, по которым слова данных передаются параллельно по нескольким проводам, или последовательными шинами, по которым данные передаются в битовой последовательной форме. Добавление дополнительных соединений питания и управления, дифференциальных драйверов и соединений данных в каждом направлении обычно означает, что большинство последовательных шин имеют больше проводников, чем минимум один, используемый в 1-Wire и UNI/O. По мере увеличения скорости передачи данных становится все труднее обойти проблемы временного сдвига, энергопотребления, электромагнитных помех и перекрестных помех между параллельными шинами. Одним из частичных решений этой проблемы была двойная прокачка автобуса. Часто последовательная шина может работать с более высокими общими скоростями передачи данных, чем параллельная шина, несмотря на меньшее количество электрических соединений, потому что последовательная шина по своей природе не имеет перекоса синхронизации или перекрестных помех. USB, FireWire и Serial ATA являются примерами этого. Многоточечные соединения плохо работают для быстрых последовательных шин, поэтому в большинстве современных последовательных шин используется конструкция с гирляндной цепью или концентратором.

Сетевые соединения, такие как Ethernet, обычно не считаются шинами, хотя разница в основном носит концептуальный, а не практический характер. Атрибут, обычно используемый для характеристики шины, заключается в том, что шина обеспечивает питание для подключенного оборудования. Это подчеркивает происхождение шины от шинной архитектуры как источника коммутируемого или распределенного питания. Это исключает, как шины, такие схемы, как последовательный RS-232, параллельный Centronics, интерфейсы IEEE 1284 и Ethernet, поскольку эти устройства также нуждались в отдельных источниках питания. Устройства с универсальной последовательной шиной могут использовать питание, подаваемое шиной, но часто используют отдельный источник питания. . Это различие иллюстрируется телефонной системой с подключенным модемом, где соединение RJ11 и соответствующая схема модулированной сигнализации не считаются шиной и аналогичны соединению Ethernet. Схема подключения телефонной линии не считается шиной по отношению к сигналам, но центральный офис использует шины с кросс-переключателями для соединения между телефонами.

Однако это различие — питание обеспечивается шиной — отсутствует во многих системах авионики, где используются соединения для передачи данных, такие как ARINC 429, ARINC 629, MIL-STD-1553B (STANAG 3838) и EFABus ( STANAG 3910) обычно называют «шинами данных» или иногда «шинами данных». Такие шины данных авионики обычно характеризуются наличием нескольких устройств или линейно заменяемых элементов/блоков (LRI/LRU), подключенных к общей общей среде. Они могут, как в случае с ARINC 429, быть симплексными, т. е. иметь один источник LRI/LRU, или, как в случае с ARINC 629,, MIL-STD-1553B и STANAG 3910, быть дуплексными, позволяют всем подключенным LRI/LRU действовать в разное время (полудуплекс) как передатчики и приемники данных.

История

Со временем несколько групп людей работали над различными стандартами компьютерных шин, в том числе Комитет по стандартам архитектуры шины IEEE (BASC), исследовательская группа IEEE «Superbus», инициатива открытых микропроцессоров (OMI), инициатива открытых микросистем (OMI), «Банда девяти», разработавшая EISA и др.

Первое поколение

Ранние компьютерные шины представляли собой пучки проводов, к которым подключалась компьютерная память и периферийные устройства. Анекдотично названные «магистралью цифр », они были названы в честь электрических силовых шин или сборных шин. Практически всегда была одна шина для памяти и одна или несколько отдельных шин для периферии. Доступ к ним осуществлялся отдельными инструкциями с совершенно разными временными интервалами и протоколами.

Одной из первых сложностей было использование прерываний. Ранние компьютерные программы выполняли ввод-вывод, ожидая в цикле готовности периферийного устройства. Это была пустая трата времени для программ, у которых были другие задачи. Кроме того, если программа попытается выполнить эти другие задачи, повторная проверка программы может занять слишком много времени, что приведет к потере данных. Таким образом, инженеры устроили так, чтобы периферийные устройства прерывали работу ЦП. Прерывания должны были иметь приоритет, потому что ЦП может выполнять код только для одного периферийного устройства за раз, а некоторые устройства более критичны ко времени, чем другие.

Высокопроизводительные системы представили идею контроллеров каналов, которые представляли собой небольшие компьютеры, предназначенные для обработки ввода и вывода данной шины. IBM представила их на IBM 709 в 1958 году, и они стали общей чертой их платформ. Другие поставщики высокопроизводительных систем, такие как Control Data Corporation, реализовали аналогичные проекты. Как правило, контроллеры каналов делают все возможное, чтобы выполнять все операции с шиной внутри, перемещая данные, когда известно, что ЦП занят в другом месте, если это возможно, и используя прерывания только при необходимости. Это значительно снизило нагрузку на ЦП и повысило общую производительность системы.

Одиночная системная шина

Для обеспечения модульности шины памяти и ввода-вывода могут быть объединены в единую системную шину. В этом случае единая механическая и электрическая система может использоваться для соединения многих компонентов системы, а в некоторых случаях и всех их.

Позже компьютерные программы начали совместно использовать память, общую для нескольких процессоров. Доступ к этой шине памяти также должен быть приоритетным. Простым способом приоритезации прерываний или доступа к шине была гирляндная цепочка. В этом случае сигналы будут естественным образом проходить через шину в физическом или логическом порядке, что устраняет необходимость в сложном планировании.

Мини и микро

Digital Equipment Corporation (DEC) еще больше снизила стоимость серийных миникомпьютеров и сопоставила периферийные устройства с шиной памяти, так что устройства ввода и вывода оказались ячейками памяти. Это было реализовано в юнибусе PDP-11 примерно в 1969 году.

Ранние микрокомпьютерные шинные системы представляли собой пассивную объединительную плату, подключенную напрямую или через буферные усилители к контактам ЦП. Память и другие устройства будут добавлены к шине с использованием того же адреса и контактов данных, что и сам ЦП, подключенных параллельно. Коммуникацией управлял ЦП, который считывал и записывал данные с устройств, как если бы они были блоками памяти, используя одни и те же инструкции, все синхронизировались центральными часами, контролирующими скорость ЦП. Тем не менее, устройства прерывали ЦП, сигнализируя на отдельных контактах ЦП. Например, контроллер дисковода сигнализировал бы ЦП, что новые данные готовы к чтению, после чего ЦП перемещал бы данные, читая «ячейку памяти», соответствующую дисковому накопителю. Почти все ранние микрокомпьютеры были построены таким образом, начиная с шины S-100 в компьютерной системе Altair 8800.

В некоторых случаях, особенно в IBM PC, хотя может использоваться аналогичная физическая архитектура, инструкции для доступа к периферийным устройствам ( в и из ) и памяти ( mov и другие) вообще не были унифицированы. , и по-прежнему генерировать отдельные сигналы ЦП, которые можно использовать для реализации отдельной шины ввода-вывода.

У этих простых шинных систем был серьезный недостаток при использовании для компьютеров общего назначения. Все оборудование в шине должно говорить с одинаковой скоростью, так как оно использует одни и те же часы.

Увеличение скорости процессора становится сложнее, потому что скорость всех устройств также должна увеличиваться. Когда нецелесообразно или экономически нецелесообразно иметь все устройства так же быстро, как ЦП, ЦП должен либо перейти в состояние ожидания, либо временно работать на более низкой тактовой частоте, чтобы общаться с другими устройствами в компьютере. Хотя эта проблема приемлема для встраиваемых систем, она долго не допускалась в компьютерах общего назначения с возможностью расширения пользователем.

Такие шинные системы также трудно конфигурировать, если они построены из стандартного готового оборудования. Обычно для каждой добавляемой карты расширения требуется множество перемычек для установки адресов памяти, адресов ввода-вывода, приоритетов прерываний и номеров прерываний.

Второе поколение

Автобусные системы «второго поколения», такие как NuBus, решили некоторые из этих проблем. Обычно они разделяли компьютер на два «мира»: ЦП и память с одной стороны и различные устройства с другой. Контроллер шины принимал данные со стороны ЦП для перемещения на сторону периферийных устройств, тем самым перекладывая нагрузку протокола связи с самого ЦП. Это позволило ЦП и стороне памяти развиваться отдельно от шины устройства или просто «шины». Устройства на шине могли общаться друг с другом без вмешательства процессора. Это привело к гораздо лучшей производительности в «реальном мире», но также потребовало, чтобы карты были намного более сложными. Эти шины также часто решали проблемы со скоростью, будучи «больше» с точки зрения размера пути данных, переходя от 8-битных параллельных шин в первом поколении к 16 или 32-битным во втором, а также добавляя настройку программного обеспечения. (теперь стандартизированный как Plug-n-play), чтобы заменить или заменить перемычки.

Однако у этих более новых систем было одно общее качество со своими более ранними собратьями: все в автобусе должны были говорить с одинаковой скоростью. В то время как ЦП теперь был изолирован и мог увеличивать скорость, ЦП и память продолжали увеличивать скорость намного быстрее, чем шины, с которыми они общались. В результате скорость шины стала намного меньше, чем требуется современной системе, и машинам не хватало данных. Особенно распространенным примером этой проблемы было то, что видеокарты быстро обгоняли даже более новые системы шин, такие как PCI, и компьютеры начали включать AGP только для управления видеокартой. К 2004 году AGP снова уступил место высокопроизводительным видеокартам и другим периферийным устройствам и был заменен новой шиной PCI Express.

Все больше внешних устройств также используют свои собственные шинные системы. Когда дисководы были впервые представлены, они добавлялись к машине с картой, вставленной в шину, поэтому в компьютерах так много слотов на шине. Но в 1980-х и 1990-х годах для удовлетворения этой потребности были представлены новые системы, такие как SCSI и IDE, в результате чего большинство слотов в современных системах остались пустыми. Сегодня в типичной машине может быть около пяти различных шин, поддерживающих различные устройства.

Третье поколение

Автобусы «третьего поколения» появляются на рынке примерно с 2001 года, включая HyperTransport и InfiniBand. Они также имеют тенденцию быть очень гибкими с точки зрения их физических подключений, что позволяет использовать их как в качестве внутренних шин, так и для соединения разных машин вместе. Это может привести к сложным проблемам при попытке обслужить различные запросы, поэтому большая часть работы в этих системах касается разработки программного обеспечения, а не самого оборудования. В целом, эти шины третьего поколения, как правило, больше похожи на сеть, чем на первоначальную концепцию шины, с более высокими накладными расходами протокола, чем в ранних системах, а также позволяют нескольким устройствам использовать шину одновременно.

Автобусы, такие как Wishbone, были разработаны движением за аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом в попытке еще больше устранить юридические и патентные ограничения при разработке компьютеров.

Что такое шина данных? (с картинками)

`;

Шина данных — это компьютерная подсистема, позволяющая передавать данные от одного компонента к другому на материнской или системной плате или между двумя компьютерами. Это может включать передачу данных в память и из памяти или из центрального процессора (ЦП) в другие компоненты. Каждый из них предназначен для обработки большого количества битов данных одновременно. Объем данных, которые может обрабатывать шина данных, называется пропускной способностью.

Стандартная шина данных имеет ширину 32 бита. Это означает, что каждую секунду по шине данных может проходить до 32 битов данных. Новые компьютеры создают шины данных, которые могут обрабатывать 64-битные и даже 9-разрядные6-битные пути данных. В то же время они создают шины данных для обработки большего количества битов, они также создают устройства, которые могут обрабатывать эти более высокие скорости передачи данных.

Контроллеры шины

На заре появления персональных компьютеров производители создавали материнские платы с шинами данных, напрямую подключенными к памяти и периферийным устройствам компьютера. Эти электрические шины были спроектированы так, чтобы работать параллельно друг другу и иметь несколько соединений. Это прямое соединение было проблематичным по ряду причин, но особенно потому, что все устройства должны были работать с одинаковой скоростью.

Чтобы устранить эту проблему, разработчики использовали контроллер шины для отделения ЦП и памяти от периферийных устройств, что позволило увеличить скорость ЦП, не требуя такого же увеличения скорости периферийных устройств. Эта система также позволяла картам расширения взаимодействовать друг с другом, минуя ЦП, что приводило к более быстрой передаче данных. Однако все устройства по-прежнему должны общаться друг с другом с одинаковой скоростью, поэтому низкая скорость шины может замедлить работу всей компьютерной системы.

Параллельные и последовательные шины данных

Современные компьютеры используют как параллельные, так и последовательные шины данных. Параллельные шины данных передают данные по многим проводам одновременно. Каждый провод или путь, как их иногда называют, несет один бит данных. Наиболее распространенными параллельными шинами, используемыми сегодня в компьютерах, являются ATA, что означает Advanced Technology Attachment; PC-карта, обозначающая персональный компьютер и используемая в ноутбуках, и SCSI, или интерфейс малых компьютеров. Шина последовательных данных имеет один провод или путь и передает все биты один за другим. Наиболее распространенные шины последовательных данных включают USB, также известную как универсальная последовательная шина; FireWire; Серийный АТА; и Serial Attached SCSI.

Внутренние и внешние шины данных

Почти каждый компьютер содержит внутреннюю и внешнюю шины данных. Внутренняя шина данных, также известная как локальная шина, соединяет все компоненты материнской платы, такие как ЦП и память. Внешняя шина данных соединяет все периферийные устройства с материнской платой. Доступны различные внешние шины данных; соответствующий тип шины данных зависит от периферийного устройства, подключенного к компьютеру.

Вам также может понравиться

Рекомендуется

Kullabs

Концепция системной шины

Архитектура шины:

Шина представляет собой совокупность проводов, микросхем и слотов внутри компьютера, по которым данные передаются от одной части компьютера к другой от периферийных устройств. Его также называют путем в компьютере, по которому перемещаются данные. Это набор параллельных отдельных проводов, предназначенных для разных целей, которые позволяют подключенным к нему устройствам взаимодействовать с ЦП.

Архитектура шины в компьютерной системе показана ниже:

Рисунок: Архитектура шины

_{^{Источник: www. cise.ufl.edu}}

Функции шины:

• Она передает информацию от одного компонента к другому.
• Передает данные, адрес или управляющий сигнал.
• Один компонент компьютера может взаимодействовать с другим через шину.

Автобус состоит из трех основных частей. Они описаны ниже:

1. Шина управления:

По ней передается управляющий сигнал. Управляющий сигнал используется для контроля и координации различных действий компьютера. Он генерируется блоком управления ЦП. Различные архитектуры приводят к различному количеству линий в шине управления, поскольку каждая линия используется для выполнения определенной задачи.

Например, для каждого запроса чтения, записи и сброса используются разные строки. Это не группа линий, как адресная шина и шина данных, а отдельные линии, которые обеспечивают импульс для индикации работы микропроцессора. Блок управления генерирует специальный управляющий сигнал для каждой операции, такой как чтение памяти или операция ввода/вывода. Этот сигнал также используется для идентификации типа устройства, с которым микропроцессор должен взаимодействовать.

Рис.: Авторитетная шина

_{^{Источник: www.enterpriseintegrationpatterns.com}}

2. Адресс. Это позволяет ЦП обращаться к ячейкам памяти внутри устройства. Он соединяет ЦП и другие периферийные устройства и содержит только адрес памяти. В компьютерной системе каждое периферийное устройство или ячейка памяти идентифицируется числовым значением, называемым адресом, и адресная шина используется для передачи этого числового значения, а также содержит несколько линий управления для передачи команд управления. Адресная шина однонаправленная, биты идут в одном направлении от процессора к периферии.

   Процессор использует адресную шину для выполнения первой функции идентификации периферийного устройства или ячейки памяти. Адресная шина содержит соединения между процессором и памятью, по которым передаются сигналы, относящиеся к адресу, который ЦП обрабатывает в данный момент, например, к адресам, из которых ЦП считывает или записывает. Процессор использует адресную шину для выполнения идентификации периферийного устройства или ячейки памяти.

   Когда адресная шина передает 8 бит за раз, ЦП может адресовать только 256 (т. е. 2 ⁸ ) байт оперативной памяти. Большинство ранних ПК имели 20-битные адресные шины. Таким образом, процессор может адресовать 2 ²⁰ байт данных. Теперь, с 32-битными адресными шинами, ЦП может адресовать 4 ГБ ОЗУ. Чем шире путь шины, тем больше информации может быть обработано за один раз, и, следовательно, это также влияет на скорость обработки компьютера.

   Рис. Адресная шина

   _{^{Источник: www.quora.com}}

   3. Шина данных:

   Шина данных передает данные из одного места в другое через компьютер. В этих строках размещаются значимые данные, которые должны быть извлечены из устройства. Шина данных используется процессором для передачи данных. Это может быть 16-битная или 32-битная шина данных. Это электрический путь, соединяющий ЦП, память и другие аппаратные устройства на материнской плате. Эти линии являются двунаправленными, по которым данные передаются в обоих направлениях между процессором, памятью и периферийными устройствами. Количество проводов в шине влияет на скорость, с которой данные могут передаваться между аппаратными компонентами, точно так же, как количество полос на шоссе влияет на время, которое требуется людям, чтобы добраться до места назначения. Каждый провод может передавать 1 бит данных за раз, а 8-проводная шина может передавать 8 бит за раз, что соответствует 1 байту данных за раз. 16-битная шина может передавать 2 байта. 32 бита могут передавать 4 байта и так далее. Микропроцессор Intel 80286 использовал 16-битную шину данных, а Intel 80386 использовал 32-битную шину данных. Чем больше ширина шины данных, тем больше данных может быть передано.

   Передача данных по шинным линиям происходит со скоростью примерно от 1 Мбод для микрокомпьютера до примерно 1000 Мбод или более для больших и дорогих компьютеров (1 бод = 1 бит/сек). Связь между различными узлами системы обработки данных осуществляется по шине адреса и данных, а также по различным линиям управления. Все операции управления управляются главным источником синхронизации и часами.

   Рис. Шина данных

   ^{_{Источник: electronicstechnician.tpub.com}}

   (Shrestha & Manandhar, 2014)

   Библиография

   Shrestha, R. P., & Manandhar, s. (2014). Необходим компьютер. Катманду: публикация Ашмиты.

   Что такое компьютерная шина: интерфейс, типы, архитектура

   В вычислительной технике шина определяется как набор физических соединений (например, кабели, печатные схемы и т. д.), которые могут совместно использоваться несколькими аппаратными компонентами для связи друг с другом. Назначение шин — сократить количество путей, необходимых для связи между компонентами, за счет осуществления всех коммуникаций по одному каналу данных. Вот почему иногда используется метафора магистрали данных.

   содержимое

   • Характеристики компьютерной шины
   • Архитектура
   • Основные автобусы
   • Чипсет материнской платы

   Каковы характеристики компьютерной шины?

   Если по линии взаимодействуют только два аппаратных компонента, это называется аппаратным портом   (например, портом или параллельным портом).

   Существуют различные типы компьютерных шин. Шина характеризуется количеством информации, которое может быть передано за один раз . Это количество, выраженное в битах, соответствует количеству физических линий, по которым данные передаются одновременно. 32-жильный ленточный кабель может передавать 32 бита параллельно. Термин ширина  относится к количеству битов, которые шина может передавать за один раз.

   Кроме того, скорость шины определяется ее частотой (выраженной в герцах), количеством пакетов данных, отправленных или полученных в секунду. Каждый раз, когда данные отправляются или принимаются, называется циклом .

   Можно найти максимальную скорость передачи шины или объем данных, которые она может передать за единицу времени, умножив ее ширину на частоту . Например, шина шириной 16 бит и частотой 133 МГц имеет скорость передачи, равную:

   16 * 133,10  6  = 2128*10  6  бит/с,
   или 2128*10  6 /8 = 266*10  6  байт/с
   или 266*10  6  /1000 = 266*10  3  КБ/с
   или 259,7*10  3  /1000 = 266 МБ/с 

   Как выглядит архитектура компьютерной шины?

   На самом деле каждая шина обычно состоит из от 50 до 100 отдельных физических линий, разделенных на три подсборки :

   • Адресная шина : иногда называемая шиной памяти , передает адреса памяти, которые нужны процессору доступ для чтения или записи данных. Это однонаправленный автобус.
   • Шина данных : передач инструкции  от процессора или поступающие к нему. Это двусторонний автобус.
   • Шина управления или командная шина : передает команды и сигналы синхронизации от блока управления ко всем остальным аппаратным компонентам. Это двунаправленная шина, которая передает ответные сигналы оборудования.

   Какие основные автобусы?

   Обычно в компьютере есть две шины .

   • 9Внутренняя шина 0374 : иногда называемая передней шиной или сокращенно FSB , позволяет процессору обмениваться данными с центральной памятью системы (ОЗУ).
   • Шина расширения : иногда называемая шиной ввода-вывода , позволяет использовать различные компоненты материнской платы (а именно, USB, последовательные и параллельные порты [содержимое/415-последовательный-порт-и-параллельный-порт]), платы, вставленные в разъемы PCI, жесткие диски, приводы CD-ROM и CD-RW и т. д.) для связи друг с другом. Тем не менее, это в основном используется для добавления новых устройств с использованием так называемых слотов расширения , подключенных к шине ввода/вывода.

   Что такое чипсет материнской платы?

   Что такое «чипсет»? Набор микросхем — это компонент, который направляет данные между шинами компьютера, поэтому все компоненты, из которых состоит компьютер, могут обмениваться данными. Чипсет изначально состоял из большого количества электронных микросхем, отсюда и название.

   Обычно состоит из двух компонентов. Первый это NorthBridge (также называемый контроллером памяти ), который управляет передачей данных между процессором и оперативной памятью; вот почему он физически расположен рядом с процессором. Иногда его называют GMCH , что означает Графический контроллер и концентратор памяти .

   Вторым является южный мост (также называемый контроллером ввода-вывода или контроллером расширения ), который обеспечивает обмен данными между периферийными устройствами. Его еще называют 9.0374 ICH ( Контроллер-концентратор ввода-вывода ). Термин мост обычно используется для обозначения компонента, соединяющего две шины:

   © Системная архитектура ПК

   Примечательно, что для связи две шины должны иметь одинаковую ширину . Это объясняет, почему модули оперативной памяти иногда приходится устанавливать парами (например, ранние процессоры Pentium, шина процессора которых была 64-битной, требовали двух модулей памяти, каждый шириной 32 бита).

   В таблице приведены характеристики наиболее часто используемых шин:

   Стандартный	Разрядность шины (бит)	Скорость шины (МГц)	Пропускная способность (МБ/с)
   ISA 8-бит	8	8,3	7,9
   ISA 16-бит	16	8,3	15,9
   EISA	32	8,3	31,8
   ВЛБ	32	33	127,2
   PCI 32-разрядная	32	33	127,2
   PCI 64-бит 2. 1	64	66	508,6
   АГП	32	66	254,3
   AGP (режим x2)	32	66×2	528
   AGP (режим x4)	32	66×4	1056
   AGP (режим x8)	32	66×8	2112
   АТА33	16	33	33
   АТА100	16	50	100
   АТА133	16	66	133
   Последовательный ATA (S-ATA)	1		180
   Последовательный интерфейс ATA II (S-ATA2)	2		380
   USB	1		1,5
   USB 2.0	1		60
   FireWire	1		100
   FireWire 2	1		200
   SCSI-1	8	4,77	5
   SCSI-2 — быстрый	8	10	10
   SCSI-2 — широкий	16	10	20
   SCSI-2 — быстрый, широкий, 32 бита	32	10	40
   SCSI-3 — Ультра	8	20	20
   SCSI-3 — сверхширокий	16	20	40
   SCSI-3 — Ультра 2	8	40	40
   SCSI-3 — Ультраширокий 2	16	40	80
   SCSI-3 — Ультра 160 (Ультра 3)	16	80	160
   SCSI-3 — Ультра 320 (Ультра 4)	16	80 ГДР	320
   SCSI-3 — Ультра 640 (Ультра 5)	16	80 QDR	640

   Хотите узнать больше об оборудовании? проверьте наш форум!

   Компьютерная организация и архитектура: COA-Computer Bus

   Что такое автобус

   Шина — это подсистема, которая используется для передачи данных и другой информации между устройствами. Означает, что различные устройства в компьютере, такие как память, ЦП, ввод-вывод и другие, взаимодействуют друг с другом через шины. как канал связи, соединяющий два или более устройств.
   Ключевой характеристикой шины является то, что она является общей средой передачи, поскольку к шине подключено несколько устройств.

   Как правило, шина состоит из нескольких коммуникационных путей или линий, которые имеют форму проводов или металлических линий, выгравированных на карте или плате (печатной плате). Каждая линия способна передавать двоичные 1 и двоичные 0.

   Компьютерная система Содержит ряд различных шин, которые обеспечивают пути между компонентами на различных уровнях иерархии компьютерной системы.
   Но прежде чем обсуждать их, то есть типы автобусов, я сначала опишу здесь один из наиболее важных аспектов автобусов, который описан ниже:

   Любой автобус состоит, как правило, из 50–100 отдельных линий. , линии обычно можно разделить на три функциональные группы, как показано на рисунке ниже:

    Теперь мы кратко обсудим каждую из них одну за другой.

   • Строки данных : 

   Линии данных обеспечивают путь для перемещения данных между системными модулями. Он является двунаправленным, что означает, что линии данных используются для передачи данных в обоих направлениях. Например, ЦП может считывать данные             по этим линиям из памяти, а также отправлять данные из этих линий. в ячейку памяти или в порт            . И в любой шине нет. Количество строк в линиях данных составляет 8,16,32 или более в зависимости от размера шины. Эти линии вместе называются шиной данных.

   • Адресные строки:  

   Адресные линии вместе называются адресной шиной. В любой шине нет. Количество строк в адресе                                                                                                                                            Короче говоря, это внутренний канал от ЦП к памяти, по которому передаются адреса данных (не данных)              . Здесь связь является одним из способов, то есть адрес отправляется из ЦП в память и порт ввода-вывода, но не Порт ввода-вывода отправляет адрес ЦП на этой линии, и, следовательно, эти линии являются однонаправленными.

   • Линии управления:   

   Линии управления в совокупности называются шиной управления. Линии управления представляют собой шлюз, используемый для передачи и приема управляющих сигналов между микропроцессором и различными устройствами, подключенными к нему. Другими словами, линии управления используются ЦП для связи с другими устройствами внутри компьютера. пример — ЦП отправляет сигналы на шину управления, чтобы активировать выходы адресных             устройств памяти и портовых устройств. Типичные сигналы линий управления:

   -Memory Read                                                                                                                                                                                                                                         -I/O Write                                                                                                                                                                                            
                — Bus Grant и т. д.

   Работа шины

   Работа шины следующая:

   • Если один модуль хочет отправить данные другому, он должен сделать две вещи:

   1.Получить использование шины модуля
                2. Передача данных на шину

   • Если один модуль хочет запросить данные из другого модуля, он должен:

   1. Получите доступ к шине
                 2. Передайте запрос другому модулю по соответствующим линиям управления и адреса. Затем он должен                 дождаться, пока второй модуль отправит данные.
                

   Типы автобусов

   Существует множество автобусов, но здесь я опишу только те, которые широко используются.

   • Системная шина:    

   Шина, которая соединяет основные компьютерные компоненты (процессор, память, ввод/вывод), называется системной шиной. Это единственная компьютерная шина среди всех шин, которая соединяет все эти компоненты компьютерной системы. линии данных, адрес,                                           линии управления присутствуют. Она также известна как «передняя шина». Она быстрее, чем периферийная шина (PCI, ISA и т. д.), но медленнее, чем задняя шина.

   • Периферийная шина (шина ввода/вывода/внешняя шина):

   Периферийная шина, также известная как «шина ввода-вывода». Это путь передачи данных, который соединяет периферийные устройства с ЦП. Другими словами, в вычислительной технике периферийная шина — это компьютерная шина, предназначенная для поддержки компьютерных периферийных устройств, таких как принтеры, жесткие диски. Шины PCI и USB широко используются                                                      0005

   PCI (Peripheral Component Interconnect): PCI шина подключает процессор и платы за расширение, такие как модемные карты, сетевые карты и звуковые карты. шина также называется шиной расширения или внешней шиной.

      

   USB (универсальная последовательная шина):

   Универсальная последовательная шина используется для подключения USB-устройств, таких как Pen                                     , к ЦП.

   • Местный автобус:

              Локальная шина — это традиционные шины ввода-вывода (периферийные), такие как шины ISA, MCA или EISA. Теперь мы                  кратко обсудим каждую из них по отдельности.

                   ISA (шина архитектуры промышленного стандарта): Шина ISA позволяет управлять шиной, т. е. позволяет периферийным устройствам, подключенным непосредственно к шине, напрямую взаимодействовать с другими периферийными устройствами, не проходя через процессор. были оснащены                                                   Шина ISA постепенно заменялась шиной PCI, обеспечивающей лучшую производительность.