Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекція. Класифікація та характеристики шин
1. Комп'ютерна шина (англ. computer bus) служить для передачі даних між окремими функціональними блоками комп'ютера і є сукупністю сигнальних ліній, які мають певні електричні характеристики і протоколи передачі інформації. Шини можуть розрізнятися розрядністю, способом передачі сигналу (послідовні або паралельні, синхронні або асинхронні), пропускною здатністю, кількістю і типами підтримуваних пристроїв, протоколом роботи, призначенням (внутрішня або інтерфейсна).
Традиційно в електроніці шиною звався інформаційний канал, до якого приєднувалася низка пристроїв, які могли читати та передавати дані. Але з розвитком комп'ютерних технологій шинами за аналогією стали називати з'єднання типу точка-точка (наприклад AGP чи HyperTransport), а також канали зі складною диспетчеризацією доступу.
2. Шини
Шинний інтерфейс -- це сукупність правил уніфікованої взаємодії між окремими пристроями комп'ютера, а також сукупність схемних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для реалізації цих правил. Основою побудови шинних інтерфейсів є уніфікація і стандартизація. Вона забезпечується:
Інформаційною сумісністю -- єдиними вимогами до складу ліній та шин інтерфейсу, алгоритмів взаємодії, способів кодування і форматів даних, керуючої та адресної інформації, часовим співвідношенням між сигналами.
Електричною сумісністю -- погодженістю параметрів електричних сигналів, що передаються інтерфейсом, погодженістю логічних рівнів сигналів. Електрична сумісність визначає вимоги до навантажувальної спроможності компонентів та характеристик ліній передачі сигналів (довжина, допустима активна та реактивна складові навантаження, порядок підключення схем погодження і т.д.).
Конструктивною сумісністю -- можливістю механічного з'єднання електричних ланцюгів, а інколи і механічного підключення декількох блоків. Цей вид сумісності забезпечується стандартизацією з'єднувальних елементів, кабелів, конструкцій плат і т.д.
Основна задача шин -- об'єднати в єдину систему всю номенклатуру модулів обчислювальної системи, забезпечити їх належну роботу. При цьому до системи шин ставляться такі вимоги:
Сутність цих вимог можна сформулювати так: заміна одних шин іншими не повинна приводити до архітектурних змін. На практиці, однак, таке буває рідко. Реалізація стикування різних обчислювальних модулів визначається як реалізація інтерфейсу.
В ПК система шин представляє собою інтерфейс типу відкритої шини: шину може захоплювати лише один модуль, під керуванням якого організується передача даних. Наявність суттєвої різниці в швидкодії різних модулів приводить до необхідності створення системи шин.
Основних шин три:
Адресна шина. Дані, що передаються по цій шині трактуються як адреси комірок оперативної пам'яті. Саме з цієї шини процесор зчитує адреси команд, які необхідно виконати, а також дані, із якими оперують команди. У сучасних процесорах адресна шина 32-розрядна, тобто вона складається з 32 паралельних провідників.
Шина даних. По цій шині відбувається копіювання даних з оперативної пам'яті в регістри процесора і навпаки. У ПК на базі процесорів Intel Pentium шина даних 64-розрядна. Це означає, що за один такт на обробку поступає відразу 8 байт даних.
Командна шина. По цій шині з оперативної пам'яті поступають команди, які виконуються процесором. Команди представлені у вигляді байтів. Прості команди вкладаються в один байт, але є й такі команди, для яких потрібно два, три і більше байтів. Більшість сучасних процесорів мають 32-розрядну командну шину, хоча існують 64-розрядні процесори з командною шиною.
Шини на материнській платі використовуються не тільки для зв'язку з процесором. Усі інші внутрішні пристрої материнської плати, а також пристрої, що підключаються до неї, взаємодіють між собою за допомогою шин. Від архітектури цих елементів багато в чому залежить продуктивність ПК у цілому.
Розглянемо коротко основні шинні інтерфейси материнських плат.
ISA (Industry Standard Architecture). Дозволяє зв'язати між собою всі пристрої системного блоку, а також забезпечує просте підключення нових пристроїв через стандартні слоти. Пропускна здатність складає до 5,5 Мбайт/с. У сучасних комп'ютерах може використовуватися лише для під'єднання зовнішніх пристроїв, що не вимагають більшої пропускної здатності (звукові карти, модеми і т.д.).
EISA (Extended ISA). Розширення стандарту ISA. Пропускна здатність зросла до 32 Мбайт/с. Як і стандарт ISA, цей стандарт вважається таким, що вичерпав свої можливості (у майбутньому випуск плат, що підтримують ці інтерфейси припиниться).
VLB (VESA Local Bus). Інтерфейс локальної шини стандарту VESA. Локальна шина з'єднує процесор з оперативною пам'яттю в обхід основної шини. Вона працює на більшій частоті, ніж основна шина, що дозволяє збільшити швидкість передавання даних. Пізніше в локальну шину "врізали" інтерфейс для підключення відеоадаптера, який також вимагає підвищеної пропускної здатності, що і призвело до появи стандарту VLB. Пропускна здатність - до 130 Мбайт/с, робоча тактова частота - 50 МГц (але вона залежить від кількості пристроїв, під'єднаних до шини, що є головним недоліком інтерфейсу VLB).
PCI (Peripherial Component Interconnect). Стандарт підключення зовнішніх пристроїв, введений в ПК на базі процесора Pentium. За своєю суттю, це також інтерфейс локальної шини з роз'ємами для під'єднання зовнішніх компонентів. Даний інтерфейс підтримує частоту шини до 66 МГц і забезпечує швидкодію до 264 Мбайт/с незалежно від кількості під'єднаних пристроїв. Важливим нововведенням цього стандарту була підтримка механізму plug-and-play, суть якого полягає в тому, що після фізичного підключення зовнішнього пристрою до роз'єму шини PCI відбувається автоматичне конфігурування цього пристрою.
FSB (Front Side Bus). Починаючи з процесора Pentium Pro для зв'язку з оперативною пам'яттю використовується спеціальна шина FSB. Ця шина працює на частоті 100-133 МГц і має пропускну здатність до 800 Мбайт/с. Частота шини FSB є основним параметром, саме вона вказується в специфікації материнської плати. За шиною PCI залишилася лише функція підключення нових зовнішніх пристроїв.
AGP (Advanced Graphic Port). Спеціальний шинний інтерфейс для підключення відеоадаптерів. Розроблений у зв'язку з тим, що параметри шини PCI не відповідають вимогам відеоадаптерів на швидкодію. Частота цієї шини - 33 або 66 МГц, пропускна здатність до 1066 Мбайт/с.
USB (Universal Serial Bus). Стандарт універсальної послідовної шини визначає новий спосіб взаємодії комп'ютера з периферійним обладнанням. Він дозволяє підключати до 256 різних пристроїв із послідовним інтерфейсом, причому пристрої можуть під'єднуватися ланцюжком. Продуктивність шини USB відносно невелика і складає 1,55 Мбіт/с. Серед переваг цього стандарту слід відзначити можливість підключати і відключати пристрої в "гарячому режимі" (тобто без перезавантаження комп'ютера), а також можливість об'єднання декількох комп'ютерів у просту мережу без використання спеціального апаратного та програмного забезпе-чення.
3. Ширина шини
Ширина шини - самий очевидний параметр при розробці. Чим більше адресних ліній містить шина, тим до більшого обсягу пам'яті може звертатися процессор. Якщо шина містить n адресних ліній, тоді процесор може використовувати її для звертання до 2n різних комірок пам'яті. Для пам'яті великого обєму необхідно багато адресних ліній.
Проблема полягає в тім, що для широких шин потрібно більше проводів, ніж для вузьких. Вони займають більше фізичного простору (наприклад, на материнській платі), і для них потрібні розєми більшого розміру. Всі ці фактори роблять шину дорогою. Отже, необхідний компроміс між максимальним розміром пам'яті й вартістю системи. Система із шиною, яка містить 64 адресні лінії та памятю в 2n байт буде коштувати дорожче, ніж система із шиною, що містить 32 адресні лінії, і такою ж пам'яттю в 232байт.
Перша модель ІBM PC містила процесор 8088 і 20-бітну адресну шину (рис.1а). Шина дозволяла звертатися до 1 Мбайт пам'яті. Коли з'явився наступний процесор (80286), Іntel вирішив збільшити адресний простір до 16 Мбайт, тому довелося додати ще 4 лінії , як показано на рис. 1.б. На жаль, довелося також додати лінії управління для нових адресних ліній. Коли з'явився процесор 80386, було додано ще 8 адресних ліній і, природно, кілька ліній управління, як показано на рис.1, в.
Рис.1.- розширення адресної шини з часом
У результаті вийшла шина EІSA. Однак було б краще, якби із самого початку було 32 лінії. Із часом збільшується не тільки число адресних ліній, але й число інформаційних ліній. Можна збільшити пропускну здатність шини двома способами: скоротити час циклу шини (зробити більшу кількість передач в секунду) або збільшити ширину шини даних (тобто збільшити кількість битов за одну передачу). Можна підвищити швидкість роботи шини, але зробити це досить складно, поскільки сигнали на різних лініях передаються з різною швидкістю (це явище називається перекосом шини). Чим швидше працює шина, тим більше перекос.
При збільшенні швидкості роботи шини виникає ще одна проблема: у цьому випадку вона не буде сумісною з більш старими версіями. Старі плати, разроблені для більше повільної шини, не можуть працювати з новою. Така ситуація невигідна для власників і виробників старих плат. Тому звичайно для збільшення продуктивності просто додаються нові лінії, як показано на рис.3.
За призначенням шинні інтерфейси ПК поділяються на внутрішньосистемні і зовнішні. Перші служать для забезпечення взаємозв'язку компонентів ядра обчислювальної системи, другі -- для приєднання різних периферійних пристроїв. Зовнішні інтерфейси ПЕОМ будуть розглянути на наступної лекції.
Слід відзначити, що частина внутрішньосистемних шин є вузькоспеціалізованими, друга частина - універсальними шинами розширення, що призначені для підключення до ядра системи додаткових компонентів - карт розширення, адаптерів або контролерів зовнішніх пристроїв.
За способом передачі інформації шинні інтерфейси ПК поділяються на паралельні і послідовні. Паралельний шинний інтерфейс для передачі кодових слів використовує окремі сигнальні лінії, по яким окремі біти передаються одночасно. Послідовний шинний інтерфейс передає кодові слова побітовим способом, звичайно починаючи з молодшого біту.
По способу синхронізації інтерфейси поділяються на асинхронні і синхронні. асинхронні.
При асинхронній передачі перед кожним байтом передається старт-біт, що сигналізує приймачу про начало посилки. За старт-бітом слідують біти даних і, можливо, біт паритету (парності). Закінчує посилку байту стоп-біт, що гарантує паузу між посилками. Старт-біт наступного байту посилається в будь який момент після стоп-біта, тобто між передачами можливі паузи довільної довжини.
Синхронний режим передачі передбачає постійну активність каналу зв'язку. Посилка починається з синхробайту, за яким слідує потік інформаційних бітів. Коли у передавача немає даних для передачі, він заповнює паузу посилкою байтів синхронізації.
Очевидно, що послідовний шинній інтерфейс може бути як асинхронним, так і синхронним, паралельний - тільки синхронним.
Практично очевидним здається, що паралельний інтерфейс спроможний забезпечити значно більшу швидкість передавання інформації, ніж послідовний. Тому декілька десятиріч у всіх, без виключення, ПЕОМ використовувався паралельний внутрішньосистемний інтерфейс. Але у останні роки ситуація суттєво змінилась, тому що суттєво збільшились частоти сигналів, що передаються по шинам ПЕОМ. Сутність проблеми використання паралельного інтерфейсу з високою робочою частотою полягає у тому, що зі збільшенням частоти порушується синхронізація сигналів, що передаються по окремим лініям шини. Це обумовлено різною довжиною окремих ліній шини і взаємними перешкодами та перекрученнями сигналів, що розповсюджуються. Крім меншої вимогливості до точності синхронізації, послідовні інтерфейси мають, порівняно з послідовними, ще деякі переваги:
- мала кількість сигнальних ліній;
- можливість використання довгих з'єднувальних кабелів;
- можливість з'єднання пристроїв, які знаходяться під різними електричними потенціалами.
Для шинного інтерфейсу, що з'єднує (фізично або логічно) два пристрої, розрізняють три можливих режими обміну інформацією -- дуплексний, напівдуплексний і симплексний.
Дуплексний режим дозволяє по одному каналу зв'язку одночасно передавати інформацію в обох напрямках. Він може бути асиметричним, якщо пропускна здатність у напрямках "туди" і "назад" має істотно різні значення, або симетричним.
Напівдуплексний режим дозволяє передавати інформацію "туди" і "назад" по черзі, при цьому інтерфейс має засоби переключення напрямку каналу.
Симплексний (односторонній) режим передбачає тільки один напрямок передачі інформації (у зустрічному напрямку передаються тільки допоміжні сигнали інтерфейсу).