Структура системной шины процессора

Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.

Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и с процессором через шины. Шина — это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому. В этой статье мы рассмотрим основные шины компьютера, их типы, а также для соединения каких устройств они используются и зачем это нужно.

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

Что такое шина компьютера

Как я уже сказал — шина — это устройство, которое позволяет связать между собой несколько компонентов компьютера. Но к одной шине могут быть подключены несколько устройств и у каждой шины есть свой набор слотов для подключения кабелей или карт.

Фактически, шина — это набор электрических проводов, собранных в пучок, среди них есть провода питания, а также сигнальные провода для передачи данных. Шины также могут быть сделаны не в виде внешних проводов, а вмонтированы в схему материнской платы.

По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.

Видео:Принцип работы процессора на уровне ядраСкачать

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

• Шины данных — все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные;
• Адресные шины — связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;
• Шины питания — эти шины питают электричеством различные, подключенные к ним устройства;
• Шина таймера — эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;
• Шина расширений — позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид — это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора.

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

• ISA — Industry Standard Architecture;
• EISA — Extended Industry Standard Architecture;
• MCA — Micro Channel Architecture;
• VESA — Video Electronics Standards Association;
• PCI — Peripheral Component Interconnect;
• PCI-E — Peripheral Component Interconnect Express;
• PCMCIA — Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);
• AGP — Accelerated Graphics Port;
• SCSI — Small Computer Systems Interface.

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Из других усовершенствований этой шины можно отметить использование 24 адресных линий, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти. Эта шина имела обратную совместимость с 8 битным вариантом, поэтому здесь можно было использовать все старые карты. Первая версия шины работала на частоте процессора — 4,77 МГц, во второй реализации частота была увеличена до 8 МГц.

Шина MCA

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Читайте также: Как называется прибор для нарезки протектора шин

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

Peripheral Component Interconnect (PCI) — это самая новая разработка в области шин расширений. Она является текущем стандартом для карт расширений персональных компьютеров. Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с памятью и другими периферийными устройствами.

PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных, количество передаваемых данных равно разрядности процессора, 32 битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64 битный — 64 битную. Работает шина на частоте 33 МГц.

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

AGP использует оперативную память компьютера для хранения 3D изображений. По сути, это дает видеокарте неограниченный объем видеопамяти. Чтобы ускорить передачу данных Intel разработала AGP как прямой путь передачи данных в память. Диапазон скоростей передачи — 264 Мбит до 1,5 Гбит.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Шина USB

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

Читайте также: Карандаш для покраски шин

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

Более новая спецификация — USB 2.0 появилась в 2002 году. Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это в 40 раз быстрее чем раньше.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

Видео:Системная шина процессораСкачать

Выводы

В этой статье мы рассмотрели основные шины компьютера, историю их развития, назначение шин компьютера, их типы и виды. Надеюсь эта статья была для вас полезной и вы узнали много нового.

На завершение небольшое видео про шины и интерфейсы компьютера:

Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

Структура системной шины

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.

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: Шины для погрузчика в пензе

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.

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:

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

  📺 Видео

  КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать

  

  Частота процессора или частота системной шины?Скачать

  

  КАК РАБОТАЕТ КЭШ ПРОЦЕССОРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

  

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

  

  Процессор под микроскопом. Нанометровое путешествие.Скачать

  

  КАК РАБОТАЕТ ПРОЦЕССОР | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

  

  Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

  

  169 секунд и ты знаешь как работает процессорСкачать

  

  Частота процессора, множитель и системная шинаСкачать

  

  КАК РАБОТАЕТ ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

  

  Как работает процессор: частоты, шины и т.д.Скачать

  

  4 минуты и ты знаешь как устроен компьютерСкачать

  

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

  

  05. Основы устройства компьютера. Регистры и команды процессора. [Универсальный программист]Скачать

  

  Как работает микропроцессорСкачать

  

  14 Структура процессораСкачать