Из каких шин состоит системная магистраль шина (5 видео)

Глава 1. Компьютер. Программное и аппаратное обеспечение

Содержание

Магистраль: шина данных шина адреса и шина управления. Шины периферийных устройств
Магистраль
Шина данных
Шина адреса
Шина управления
Из каких шин состоит системная магистраль?
🎦 Видео

Магистраль: шина данных шина адреса и шина управления. Шины периферийных устройств

Вспомним, на прошлом уроке рассматривалось устройство материнской платы. Рассмотрим более подробно, какие же логические устройства можно установить на системную плату, т.к. системная плата наравне с процессором является основным устройством любого современного компьютера. Так же необходимость более подробного знакомства с системной платой обусловлено тем, что на системных платах реализуются шины различных типов. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате, как было сказано на прошлом уроке, устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост). (см. рис. 1)

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI ( Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI -контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP ( Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI .

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD — ROM , DVD — ROM ) подключаются к южному мосту по шине UDMA ( Ultra Direct Memory Access — прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT , а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB ( Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2 или USB .

Все устройства (модули) компьютера подключаются к магистрали. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств — контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.)

Рассмотрим структуру магистрали (системной шины), т.к. модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации.

Магистраль

Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Системная магистраль осуществляет обмен данными между процессором или ОЗУ с одной стороны и контроллерами внешних устройств компьютера с другой стороны.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, —

Шины представляют собой многопроводные линии. Тип системных шин, применяемых в компьютерах с невысокой производительностью — ISA. Это дешевая но «малоинтеллектуальная» шина. Она может обеспечивать обмен с клавиатурой, дисплеем (алфавитно-цифровым), дисководами для гибких дискет, принтерами и модемами. Однако ее возможностей не достаточно для работы с дисководами для жестких дисков, видеоконтроллерами, адаптерами локальных сетей и т.п.

Шина MCA — более производительная, но не совместима с ISA, поэтому не нашла широкого применения.

Шина EISA — совместима с ISA , значительно дороже, чем ISA и не всегда обеспечивая нужную скорость обмена.

Шина VESA (VL) — более дешевая шина, используется в сочетании с ISA или с EISA.

Шина PCI — конкурент шины VESA , используется в PENTIUM в сочетании с ISA или EISA.

Видео:Выбираем ЛУЧШИЕ шины для ГРУЗОПЕРЕВОЗОКСкачать

Рис 2. Магистрально-модульный принцип

Как уже было сказано, подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает — это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Шина данных

По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной.

Читайте также: Легковая шина sava eskimo stud 185 65 r15 88t

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Шина адреса

Шина адреса предназначена для передачи по ней адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Адрес на нее выдает всегда только процессор. По шине данных передается вся информация. При операции записи информацию на нее выставляет процессор, а считывает то устройство (например, память или принтер), адрес которого выставлен на шине адреса. При операции чтения информацию выставляет устройство, адрес которого выставлен на шине адреса, а считывает процессор.

Таким образом, каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2 I , где I — разрядность шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N == 2 32 = 4 294 967 296 = 4 Гб

В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. Несмотря на то, что общий объем адресуемой памяти достигает 4 Гбайт, величина фактически установленной оперативной памяти может быть значительно меньше — 32 Мбайта.

Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющая 32-разрядные шины данных и адреса. В компьютерах PC/ Pentium используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющая 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

Шина управления

По шине управления передаются сигналы такие, например, как сигналы чтения, записи, готовности, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами. Кроме того, каждое внешнее устройство, которому нужно обратиться к процессору, имеет на этой шине собственную линию. Когда периферийное устройство «хочет обратиться» к процессору, оно устанавливает на этой линии специальный сигнал (сигнал прерывания), заметив который, процессор прерывает выполняемые в этот момент действия и обращается (командой чтения или записи) к устройству.

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти (см. таблицу). Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последний, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее.

Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.

Таким образом, Все устройства (модули) компьютера подключаются к магистрали. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств — контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.)

Необходимость использования контроллеров вызвана тем, что функциональные и технические параметры компонентов компьютера могут существенно различаться, например, их быстродействие. Так, процессор может проводить сотни миллионов операций в секунду, тогда как пользователь может вводить с клавиатуры, в лучшем случае 2-3 знака в секунду. Контроллер клавиатуры как раз и обеспечивает согласование скорости ввода информации со скоростью ее обработки.

Видео:Системная шина процессораСкачать

Читайте также: Шины зимние нешипованные тигр

Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др.

Из каких шин состоит системная магистраль?

Из каких шин состоит системная магистраль?

Системная магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

— шину данных — служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода.

— шину адреса – служит для выбора устройств или ячеек памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных. Однонаправленная шина.

— шину управления – служит для передачи управляющих сигналов, определяющих характер обмена информацией по магистрали, предназначенных памяти и устройствам ввода/вывода.

В чем заключается модульный подход к построению ЭВМ?

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен модульный принцип. Он позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.

Что такое магистральный способ обмена информацией?

Магистральный способ обеспечивает обмен информацией между функциональными и конструктивными модулями различного уровня с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины.

Различают одно-, двух-, трех- и многомагистральные связи.

Что такое микропрограммируемость?

Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой «процессор», свое устройство управления.

Как выглядит архитектура ЭВМ с одношинной структурой?

Одношинная архитектура — архитектура микропроцессорной системы с общей памятью данных и команд и общей шиной для обмена с памятью.

Чтение кодов команд из памяти системы производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается — данные или команды. В одношинной архитектуре для связи с памятью и ВУ используется одна и та же шина.

Как выглядит архитектура ЭВМ с многошинной структурой?

Основная особенность такой архитектуры состоит в том, что для каждого способа обмена информацией с ПУ используется отдельная группа шин: отдельные шины для программного режима обмена информации с прерываниями или без прерываний и для ввода-вывода информации в режиме прямого доступа к памяти, которые передают блоки данных с большой скоростью.

Протоколы обмена данными, структура шин и быстродействие при обмене для каждой из групп шин могут, оптимальным образом, адаптированы к ПУ в соответствии с выбранным методом.

Из чего состоит машина фон Неймана?

Машина Фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Центральный процессор, в свою очередь, состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ)

Обобщенный алгоритм функционирования ЭВМ фон Неймана.

Видео:ШИНЫ В ФОРМУЛЕ-1. Разрушение мифовСкачать

— С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.

— Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:

— — выполнение логических или арифметических операций;

— — чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;

— — запись результатов в память;

— — ввод данных из внешнего устройства в память;

— — вывод данных из памяти на внешнее устройство.

— Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.

— Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.

— Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Многошинная структура ЭВМ. Достоинства, недостатки.

Основная особенность ее организации состоит в том, что для каждого способа обмена информацией с ПУ используется отдельная группа шин: отдельные шины для программного режима обмена информации с прерываниями или без прерываний и для ввода-вывода информации в режиме прямого доступа к памяти, которые передают блоки данных с большой скоростью. Протоколы обмена данными, структура шин и быстродействие при обмене для каждой из групп шин могут, оптимальным образом, адаптированы к ПУ в соответствии с выбранным методом.

Недостатками же являются большая сложность, чем у одношинной структуры и меньшая стандартизация шин.

Одношинная структура ЭВМ. Достоинства, недостатки.

В этом случае блоки ЭВМ объединяются посредством одной группы шин, в которую входят подмножества шин данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информацией между процессором, периферийными устройствами и памятью выполняется по единому правилу, отдельные команды ввода-вывода для обращения к ПУ в системе команд отсутствуют. Это позволяет повысить гибкость и эффективность ЭВМ, так как весь набор команд обращения к памяти может использоваться для передачи и обработки содержимого регистров ПУ. Кроме того, другим важным достоинством является простота структуры шин и минимизация числа связей для обмена информацией между устройствами ЭВМ.

Читайте также: Ток системы сборных шин

Недостатками являются: наличие медленных устройств на шине, ограничение на одновременный обмен данными (не более двух устройств одновременно).

13. Перечислите требования, предъявляемые к современным ЭВМ.

Требования к современным ЭВМ такие:

— Отношение стоимости к производительности.

— Надежность и отказоустойчивость.

— Совместимость и мобильность ПО.

Видео:Шины ввода-выводаСкачать

Что такое надежность?

Надежность ЭВМ — это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:

— вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;

— среднее время восстановления машины и др.

15. Чем понятие «надежность» отличается от понятия «отказоустойчивость»?

В отличие от надежности – способности машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени, отказоустойчивость — это свойство машины сохранять свою работоспособность после отказа одного или нескольких составных компонентов. Отказоустойчивость определяется количеством любых последовательных единичных отказов компонентов, после которого сохраняется работоспособность системы в целом.

Что такое масштабируемость?

Масштабируемость характеризует способность ЭВМ плавно увеличивать вычислительную мощность без деградации производительности ЭВМ в целом. Система называется масштабируемой, если она способна увеличивать производительность пропорционально дополнительным ресурсам.

Что такое совместимость?

Под аппаратной совместимостью понимают способность одного устройства логически заменять другое устройство того же типа или способность одного устройства как физически, так и логически сопрягаться с другими. В последнем случае в качестве синонимов аппаратной совместимости используются также термины «полная (аппаратная) совместимость» и «совместимость по разъемам».

Под программной совместимостью одной ЭВМ с другой понимают способность первой выполнять программы, которые были разработаны для второй ЭВМ. Различные модели одного и того же семейства ЭВМ имеют, как правило, «одностороннюю» совместимость, поскольку компьютеры более поздних (старших) моделей обычно являются более мощными (т.е. способны исполнять дополнительные команды, имеют больший объем памяти и т.д.). В этом случае говорят, что ЭВМ старшей модели совместима снизу вверх с ЭВМ младшей модели, подчеркивая тот факт, что первая может выполнять программы, подготовленные для второй, но не наоборот.

Что такое Х-терминалы?

X-терминал — это выделенное аппаратное обеспечение, на котором выполняется X-сервер и которое служит в качестве тонкого клиента. Они удобны в случаях, в которых множество пользователей одновременно используют один большой сервер приложений.

Что такое мейнфрейм?

Мейнфрейм (Большая универсальная ЭВМ) — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Мейнфреймы обычно применяются для целочисленных операций, требовательных к скорости обмена данными, к надёжности и к способности одновременной обработки множества процессов.

Тесты фирмы SPEC.

Основным результатом работы SPEC являются наборы тестов. Эти наборы разрабатываются SPEC с использованием кодов, поступающих из разных источников. SPEC работает над портированием этих кодов на разные платформы, а также создает инструментальные средства для формирования из кодов, выбранных в качестве тестов, осмысленных рабочих нагрузок. Поэтому тесты SPEC отличаются от свободно распространяемых программ

В настоящее время имеется два базовых набора тестов SPEC, ориентированных на интенсивные расчеты и измеряющих производительность процессора, системы памяти, а также эффективность генерации кода компилятором. Как правило, эти тесты ориентированы на операционную систему UNIX, но они также портированы и на другие платформы. Процент времени, расходуемого на работу операционной системы и функции ввода/вывода, в общем случае ничтожно мал.

Функциональная схема ПЗУ.

Классификация ПЗУ.

— Электрически одноразово программируемое ПЗУ

— Репрограммируемое (РПЗУ, ППЗУ)

Видео:Системная шина персонального компьютера ISAСкачать

54. Физические основы запоминающего элемента однократно программируемого ПЗУ (схема).

Когда перемычка есть, через транзистор проходит ток и считывается высокий уровень. Если Uп высокое, то при открытии транзистора ток пережигает проволоку.

55. Физические основы запоминающего элемента репрограммируемого ПЗУ (схема).

В перезаписываемом ПЗУ используется магнитно-индукционный МОП-транзистор с плавающим затвором.

56. Назначение и устройство ПЛМ (схема).

ПЛМ представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенных для реализации логических функций цифровых систем. Применяются в управляющих и дешифрующих устройствах.

57. Вертикальное наращивание памяти (схема) и его назначение.

Вертикальное наращивание используется для увеличения адресуемого пространства ЗУ.

58. Горизонтальное наращивание памяти (схема) и его назначение.

Горизонтальное наращивание используется для увеличения разрядности ОЗУ.