Понятие компьютерная шина

Шина данных — это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями.

Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и  эффективность информационного  обмена, а также максимально возможное  количество команд. Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных).

Другие управляющие  сигналы могут использоваться для  подтверждения приема данных, для  сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств  и т.д. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа. Линии шины управления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексированных линий).

Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще –5 В, +12 В и –12 В). Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные  результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

 

 

 

 

 

 

 

4. Типы обмена информацией по шинам.

Как уже упоминалось, в системную магистраль (системную  шину) микропроцессорной системы  входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления.

Как в шине данных, так  и в шине адреса 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. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.

Сигналы шины управления также могут передаваться как  в положительной логике (реже), так  и в отрицательной логике (чаще).

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 цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления.

Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую  скорость обмена, требует более длительного  цикла обмена. По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.

В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.  

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. Чаще всего в магистрали используются два различных строба обмена:

·        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 буде 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:

1. 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;
2. 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Шина ISA.

Системная шина (магистраль) ISA была разработана  специально для персональных компьютеров  типа IBM PC AT и является фактическим  стандартом. В ней было увеличено  количество разрядов адреса и данных, увеличено число линий аппаратных прерываний и каналов ПДП, а также повышена тактовая частота. К 62-контактному разъему прежней магистрали был добавлен 36-контактный новый разъем. Характерное отличие ISA состоит в том, что ее тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, поэтому скорость обмена по ней не пропорциональна тактовой частоте процессора.  

Магистраль ISA относится  к немультиплексированным (то есть имеющим раздельные шины адреса и  данных) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8-ми или 16-ти разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объем адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода/вывода — 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10 младших адресных линий (1 Кбайт). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали. Разъем магистрали ISA разделен на две части, что позволяет уменьшать размеры 8-разрядных плат расширения,. На магистрали присутствуют четыре напряжения питания: +5 В, –5 В, +12 В и –12 В, которые могут использоваться платами расширения. В роли задатчика магистрали могут выступать процессор, контроллер ПДП, контроллер регенерации или другое устройство. Исполнителями  могут быть системные устройства компьютера, подключенные к ISA, или платы (карты) расширения. Наиболее распространенное конструктивное исполнение магистрали — разъемы (слоты), все одноименные контакты которых параллельно соединены между собой, то есть все разъемы абсолютно равноправны. В слоты устанавливаются платы расширения, которые оснащены интерфейсными разъемами магистрали, выполненными печатными проводниками на краю платы. Количество установочных мест для плат расширения зависит от типа корпуса компьютера и составляет обычно от 2 до 8 и даже более. Захват магистрали сторонним задатчиком, в принципе, предусмотренная стандартом, используется на практике довольно редко, так как требует от устройства, захватившего магистраль, полного управления ею, включая и поддержку периодической регенерации памяти. Электрические характеристики магистрали предъявляют жесткие требования ко всем подключаемым устройствам по величине входных и выходных токов, а также по потребляемой мощности. В противном случае возможен выход из строя всего компьютера в целом. Стандарт определяет, что выходной ток любого источника магистральных сигналов не должен быть меньше 24 мА, а входной ток любого приемника магистральных сигналов не должен превышать 0,8 мА. Кроме того, нарушения в работе компьютера может вызвать несоблюдение временных ограничений, накладываемых используемыми протоколами обмена во всех рассмотренных циклах.

6. Шина PCI.

Интерфейс шины PCI (Peripheral Component Interconnect bus) стал широко применяться с появлением процессоров Pentium.

Шина PCI имеет два варианта: 32-разрядный (в нем используется 124-контактный разъем) и 64-разрядный (188-контактный разъем). При этом гарантируется  как прямая, так и обратная совместимость 32- и 64-разрядных устройств. Чаще всего  применяется 32-разрядный вариант PCI.

Тактовая частота PCI составляет 33 МГц (однако допускается и частота 66 МГц). Максимальная теоретически возможная  скорость обмена при тактовой частоте 33 МГц достигает 132 или 264 Мбайт/с  для 32 и 64 разрядов данных, соответственно, что в 20 раз превышает пропускную способность ISA. Предусмотрена возможность включения плат с напряжением питания как 5 В, так и 3,3 В (в раздельные разъемы).

На магистрали предусмотрен арбитраж, то есть возможность поочередного захвата шины несколькими задатчиками, с разрешением конфликтов между ними. Предусмотрен высокоскоростной обмен по магистрали без участия процессора. Возможна автоконфигурация, то есть автоматическое распределение ресурсов между включенными платами (по принципу PnP). Каждое из устройств шины может захватить ее и провести необходимый обмен. Шина PCI относится к мультиплексированным шинам, она имеет полностью мультиплексированную шину адреса/данных.

Основной режим обмена по шине — синхронный, тактируемый  положительными фронтами тактового сигнала шины, но возможен и асинхронный обмен (как и в случае ISA). В цикл обмена (или транзакцию) входит фаза адреса (в начале) длительностью один такт и фаза данных длительностью в один или несколько тактов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Шина EISA.

EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture) — шина для IBM-совместимых компьютеров. EISA расширяет распространённую шину ISA до 32 разрядов и позволяет подключать к шине более одного ЦПУ. Адресное пространство, по сравнению с ISA, увеличено до 4 ГБ. Кроме того, шина поддерживает Bus Mastering — режим управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. EISA является надмножеством ISA, поэтому к ней можно подключать старые платы, предназначенные для работы с 8- и 16-разрядными версиями ISA: имеется как электрическая, так и механическая совместимость. Шина EISA была радушно принята многими производителями. В конце концов, даже фирма IBM выпустила несколько машин, которые использовали шину EISA. Использование шины EISA было дорогим удовольствием, так что она не получила распространения в desktop PCs. Однако, она использовалась в серверах, так как была приспособлена для задач, требующих большой пропускной способности шины (например, работа в сети). Со временем возникла потребность в шине с более высокой пропускной способностью, и шина EISA была вытеснена более совершенными, но уже локальными шинами VESA Local Bus и PCI.

 

 

 

 

 

 

 

8. Шина VLB (Vesa Local Bus)

Шина является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины — 32 бита, реальная скорость передачи данных — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая — 132 Мбайт/с). Сильно зависти от тактовой частоты процессора. Возможность подключения всего 4-х устройств. отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

 

 

 

 

9. Шина AGP.

AGP (от англ. ^ Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти.

 
Её отличия от предшественницы, шины PCI: 
- работа на тактовой частоте 66 МГц; 
- увеличенная пропускная способность; 
- режим работы с памятью DMA и DME; 
- разделение запросов на операцию и передачу данных.

 

DMA (Direct Memory Access) — прямой  доступ к памяти, в этом режиме  основной памятью считается встроенная видеопамять на карте, текстуры копируются туда перед использованием из системной памяти компьютера. Этот режим работы не был новым, по тому же принципу работают звуковые карты, некоторые контроллеры и т. п.

 
DME (Direct in Memory Execute) — в этом режиме  основная и видеопамять находятся  как бы в общем адресном  пространстве. Общее пространство  эмулируется с помощью таблицы  отображения адресов GART (Graphic Address Remapping Table) блоками по 4 Кб. Таким образом копировать данные из основной памяти в видеопамять уже не требуется, этот процесс называют AGP-текстурированием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Шина PCI Express.

Слоты PCI Express x4, x16, x1, опять x16,  
внизу - стандартный 32-разрядный слот PCI на материнской плате. использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Высокая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI Express заменила эти шины в ПК

Масштабируемость и универсальность — вот две основные концепции, заложенные в архитектуре новой шины PCI Express.

Универсальность шины PCI Express должна заключаться в том, чтобы она заменила шину, связывающую северный мост чипсета с графическим адаптером, шину, объединяющую северный и южный мосты чипсета, а также PCI-шину.