Структура системной шины компьютера

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шины предназначены для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 1 дана структура шины.

Шина имеет места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно (см. также рис. 1);
• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 1);
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;
• шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время – шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовывать важнейшие ее свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (шина адреса);
• линии управления данными (шина управления);
• контролер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессором обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 – 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium – 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство ПК. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных – оперативная память – RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2 n , где n – разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.

Видео:Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2 n , где n – число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2 20 =1 048 576 байт=1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV – 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду.

При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2 х ) или четыре (режим 4 х ) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Читайте также: Лампа давления шин солярис

Внешние устройства к шинам подключается посредством интерфейса (Interface – сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен, только если интерфейсы этих компоненты совместимы.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

• GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;
• EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

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

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. В начале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключить дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM – к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Таблица 2. Характеристики шин ввода/вывода

Шина VESA, или VLB, предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершено новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных

материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.

Шина AGP – высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системой памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 4.

Читайте также: Шины нокиан летние для внедорожника

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другими устройством.

Шина IEEE 1394 – это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между

ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбайт/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI.

Подключить к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройств, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

Структура системной шины

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

Организация шин. Системная шина

Лекция 9. Организация ввода-вывода информации. Системная шина

Вопросы для самопроверки

1) В чём заключается динамическое распределение памяти? Дайте определение виртуальной памяти, свопингу. Что даёт использование виртуальной памяти?

2) В чём заключаются особенности модели сегментной организации памяти? Опишите схему сегментного распределения памяти. Что представляет собой дескрипторная сегментная таблица? Поясните схему вычисления физического адреса операнда при сегментной организации памяти. Какими преимуществами и недостатками обладает сегментная модель виртуальной памяти? Каким образом осуществляется вызов сегментов по требованию?

3) В чём заключаются особенности модели страничной организации памяти? Опишите схему страничного распределения памяти. Что представляет собой страничная таблица? Какими преимуществами и недостатками обладает страничная модель виртуальной памяти? Каким образом осуществляется вызов страниц по требованию?

4) В чём заключаются особенности модели сегментно-страничной организации памяти? Поясните схему вычисления физического адреса операнда при сегментно-страничной организации памяти.

Согласно /1, 2, 5, 6, 17/, вычислительная машина представляет собой сложную систему, включающую в себя большое количество различных устройств, в т.ч., периферийных (внешних). Передача информации с периферийного устройства (ПУ) в ВМ называется операцией ввода, а передача данных из ВМ в ПУ – операцией вывода. Для информационного обмена между устройствами ВМ применяются магистрали (шины), к которым эти устройства подключаются. В современных ВМ используется иерархия шин отличающихся пропускной способностью, набором сигналов и протоколом.

Далее рассмотрим принципы организации шин ВМ /1, 5, 6, 17/.

Шина – это группа проводников, соединяющая различные устройства /5/.

Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на печатной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Системная шина – это шина, которая служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину данных, шину адреса и шину управления /6/ (Рисунок 9.1):

В общем, функционирование системной шины можно описать следующим образом:

1) Если одно из устройств хочет передать данные в другое, оно должно получить в своё распоряжение шину и передать по ней данные.

Видео:КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать

2) Если какое-то устройство хочет получить данные от другого устройства, оно должно получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать другому устройству запрос. Далее оно должно ожидать, пока устройство, получившее запрос, пошлёт данные.

Рисунок 9.1 – Структура системной шины

Операции на шине называются транзакциями. Основные виды транзакций: транзакция чтения (ввода) и транзакция записи (вывода). Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и приём (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такие устройства называются ведущими. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, называются ведомыми. Ведущее устройство может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Например, процессор может выступать в роли и ведущего и ведомого устройства, а память – всегда только в роли ведомого устройства.

Для передачи адреса используется часть сигнальных линий системной шины – шины адреса. На шину адреса могут выдаваться адреса ячеек памяти, номера регистров процессора, адреса портов ввода-вывода и т.п. Такое многообразие адресов предполагает наличие дополнительной уточняющей информации об адресе, которая чаще всего передаётся по специальным управляющим линиям шины. В операциях с памятью адрес является физическим, а в операциях ввода-вывода адресом является номер порта.

Читайте также: Что такое шина какую функцию она выполняет

В некоторых шинах предусмотрены адреса специального вида, обеспечивающие одновременный выбор группы (или всех) ведомых устройств. Такие транзакции называются широковещательными. Информация, возвращаемая ведущему устройству, представляет собой результат побитового логического сложения данных, поступивших от всех адресуемых ведомых устройств.

Ширина шины адреса – число сигнальных линий системной шины, выделенных для передачи адреса. Это одна из базовых характеристик шины, поскольку от неё зависит потенциальная ёмкость адресуемой памяти и число обслуживаемых портов ввода-вывода.

Шиной данных называется совокупность линий системной шины, служащих для пересылки данных между устройствами ВМ. Важнейшими характеристиками шины данных являются ширина и пропускная способность.

Ширина шины данных – это количество битов информации, которое может быть передано по шине за одну транзакцию (цикл шины). Цикл шины не следует путать с периодом тактовых импульсов – одна транзакция по шине может занимать несколько тактовых периодов. В настоящее время ширина шины данных составляет обычно 32, 64 или 128 бит. Ширину шины данных выбирают кратной целому числу байтов, которое, как правило, представляет собой целую степень числа 2.

Элемент данных, который задействует всю ширину шины данных, принято называть словом, хотя в архитектуре ВМ понятие «слово» трактуется иначе. То есть, слово может иметь разрядность, не совпадающую с шириной с шиной данных.

Ширина шины данных существенно влияет на производительность ВМ. Например, если шина данных имеет ширину вдвое меньшую длины команды процессора, то последний вынужден осуществлять доступ к памяти дважды.

Пропускная способность шины данных – это количество единиц информации (байтов), передаваемых по шине за единицу времени (секунду); измеряется в бит/с. Она определяется физическим построением шины и природой подключаемых к ней устройств. Чем больше ширина данных, тем выше её пропускная способность. Общее время передачи данных в современных ВМ составляет примерно 7,5 нс.

Видео:Принцип работы процессора на уровне ядраСкачать

Некоторые шины содержат дополнительные линии для обнаружения ошибок, возникших в процессе передачи.

Если адрес и данные передаются по независимым (выделенным) линиям, то ширина шины адреса и шины данных выбирается независимо. Если адрес и данные передаются по одним и тем же линиям, то передача осуществляется в разных тактах шины. Этот приём называется временным мультиплексированием.

Применение раздельных шин адреса и данных позволяет повысить эффективность использования шины, особенно в транзакции записи, поскольку адрес ячейки памяти и записываемые данные могут передаваться одновременно.

Шина управления – это совокупность линий, по которым передаётся управляющая информация и информация о состоянии участвующих в транзакции устройств. Все линии шины управления можно условно разделить на несколько групп.

Первую группу (2-8 линий) образуют линии, по которым передаются сигналы управления транзакциями (тип транзакции, тип адреса, тип применяемого протокола, число байтов, передаваемых по шине данных).

Ко второй группе (1-4 линии) относятся линии передачи информации состояния (статуса). Ведомое устройство может информировать ведущее устройство о своём состоянии или передать код возникшей ошибки.

Третью группу (3-11 линий) образуют линии арбитража. В реальных системах на роль ведущего могут одновременно претендовать сразу несколько из подключённых к шине устройств. Однако управлять шиной в каждый момент времени может только одно из них. Процедура допуска к управлению шиной одного из претендентов называется арбитражем шины. Решение обычно принимается на основе приоритетов претендентов.

В четвёртую группу (1-2 линии) входят линии прерывания. По ним передаются запросы на обслуживание, посылаемые от ведомых устройств к ведущему.

Пятую группу (1-4 линии) составляют линии, используемые для организации последовательных локальных сетей. Последовательная передача данных протекает значительно медленнее, и сети выгоднее строить, не загружая быстрые линии основных шин адреса и данных. Кроме того, линии этой группы могут использоваться в качестве дополнительного (хотя и медленного) тракта для замены шины адреса и шины данных в случае их отказа.

К шестой группе (4-5 линий) относятся линии позиционного кода, которые подсоединяются к специальным выводам разъёма. Такой код может быть использован для индивидуальной инициализации материнской или дочерней платы при включении или перезагрузке системы.

В седьмую группу (2-6 линий) входят линии тактирования и синхронизации.

Кроме того, необходимо отметить линии для подвода питающего напряжения и линии заземления.

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

  
  

  источники:

  Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

  

  https://fasad-adelante.ru/struktura-sistemnoy-shiny-kompyutera

  📺 Видео

  Системная шина процессораСкачать

  

  Как работает компьютерная память: что такое RAM, ROM, SSD, HDD и в чем разница?Скачать

  

  КАК РАБОТАЕТ ПРОЦЕССОР | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

  

  Шины ввода-выводаСкачать

  

  4 минуты и ты знаешь как устроен компьютерСкачать

  

  Системная шина персонального компьютера ISAСкачать

  

  Внутри Компьютера | Устройство Компьютера для чайников | Детали компьютераСкачать

  

  Что такое память компьютера? (часть 20)| Криптография | ПрограммированиеСкачать

  

  Устройство компьютера. Из чего состоит компьютер?Скачать

  

  Архитектура персонального компьютераСкачать

  

  лекция 403 CAN шина- введениеСкачать

  

  Архитектура Windows. Как устроена операционная система Виндовс и как работает?Скачать

  

  УРОК 3. Структура компьютера (6 класс)Скачать

  

  Системная шина персонального компьютера AGPСкачать