Реферат по информатике. икт р.. Шины данных современного персонального компьютера. Назначение, классификация, особенности реализации, стандарты, характеристики

• Название: Шины данных современного персонального компьютера. Назначение, классификация, особенности реализации, стандарты, характеристики
• Анкор: Реферат по информатике
• Дата: 25.04.2023
• Размер: 157.89 Kb.
• Имя файла: икт р..docx
• Тип: Документы; #1089320

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

ШИНЫ ДАННЫХ СОВРЕМЕННОГО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ, СТАНДАРТЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ.


Выполнил:

Студент 1-ТЭФ-102

Савельева С.А.

Проверил:

Тупоносова Е.П.

Самара,2022

Как уже отмечалось, совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства PC, называются шиной (Bus).

Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

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

Линии шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемых данных: линии данных (шина данных), линии адреса (шина адреса), линии управления (шина управления).

Наличие трех групп линий является отличительным признаком шины от других систем соединения.

Шины в PC различаются по своему функциональному назначению.

Системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Chipset для пересылки информации к и от CPU. Шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью. Шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и CPU. Шины ввода/вывода подразделяются на стандартные и локальные.

Этим списком не исчерпывается весь набор шин PC. В зависимости от сво­его функционального назначения

современные PC могут быть оборудованы такими шинами, как USB. SCSI, FireWire. которые устанавливаются в слоты расширения или интегрированы в материнскую плату. Их работу обеспечи­вает соответствующий контроллер.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важней­шие ее свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информа­цией между ними.

Архитектура любой шины включает следующие компоненты: линии для обмена данными (шины данных), линии для адресации данных (шины адреса), линии для управления данными (шины управления), контроллер шины

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхе­мы либо интегрируется в микросхемы Chipset. Например, контроллер Chrpset i440BX шины PCI интегрирован в микросхему 82443ВХ.

По этой шине происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью. Особую роль при этом играет так на­зываемый режим DMA (Direct Memory Access). Управление обменом данными в этом режиме осуществляется соответствующим контроллером, минуя CPU. DMA-контроллер, реализованный ранее на микросхеме 82С206, в настоящее время интегрируется в одну из микросхем Chipset, например 82443ВХ.

Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и выше производительность PC.

Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен от­правитель и получатель этих данных. Каждый компонент PC, каждый регистр  ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. Для адресации к какому-либо устройству PC и служит шина адреса, по которой передается уникальный идентификацион­ный код (адрес).

В двоичной системе счисления выражение для определения максимально адресуемого объема памяти выглядит следующим образом:

Объем адресуемой памяти = 2ⁿ

n — число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2²⁰ = 1048576 байт = 1024Кбайт). В PC с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а современные процессоры 80486. Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адре­совать 4 Гбайт памяти.

Для успешной передачи данных не достаточно установить их на шине дан­ных и задать адрес на шине адреса. Для того чтобы данные были записаны (считаны) в регистры устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим ряд служебных сигналов: записи/счи­тывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контролле­ра DMA и др. Все эти сигналы передаются по шине управления.

Важнейшей характеристикой шины является разрядность шины (иногда го­ворят ширина шины), которая определяется количеством данных, параллель­но "проходящих" через нее. Здесь и в самом деле напрашивается прямое сравнение с автобусом (bus — автобус, шина). Чем больше в автобусе посадочных мест, тем больше людей можно в нем перевезти.

Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать лишь 8 бит. Шина ISA — 16-разрядная, а шины ввода/вывода VLB и PCI — 32-разрядные. Системные шины современных PC на базе процессоров пятого и шестого поколения — 64-разрядные.

Второй характеристикой шины является пропускная способность, которая оп­ределяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду.

Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так:

(16 бит х 8,33 МГц) : 8 = (133,28 Мбит/с) : 8 = 16.66 Мбайт/с

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

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом (Interface — Сопряжение) понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства PC, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

Это электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. При этом обмен данными между компонентами PC возможен только в слу­чае совместимости их интерфейсов.

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов PC, что, в свою очередь, определяет гибкость сис­темы в целом, т. е. возможность по мере необходимости изменять конфигу­рацию системы и подключать периферийные различные устройства. В слу­чае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используются контроллеры. Кроме того. гибкость и унификация системы достигается за счет введения стандартных промежуточных интерфейсов, таких как интерфейсы последовательной и парал­лельной передачи данных, являющиеся необходимыми для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, па­мятью и другими устройствами, входящими в систему.

Шины GTL+ и EV6

Системная шина GTL+ (Р6) разработана корпорацией Intel для процессоров шестого поколения. Разрядность шины — 64 бита. а тактовая частота — 66, 100 u 133 МГц. Пропускная способность шины составляет 528. 800 и 1,06 Мбайт/с соответственно. На шине GTL+ "висят" CPLJ, модули оперативной памяти, шина РС1 и AGP (при их наличии в системе».

Шина EV6 разработана компанией Digital Equipment для CPU Alpha 21264. В мире PC она используется корпорацией AMD для систем с CPU K-7. Ниже перечислены основные ее отличия от шины GTL+.

Передача информации осуществляется на обоих фронтах сигнала, что позволяет вдвое увеличить пропускную способность шины. Спецификация шины позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шина является каналом взаимодействия CPU и Chipset, причем для многопроцессорных систем каждому CPU выделяется отдельный канал. Поэтому разрядность и тактовая частота шины памяти не зависят от аналогичных характеристик шины EV6. Поскольку многие современные системы "общаются" с памятью, минуя CPU, то появляется возможность использовать 128-разрядную шину памяти, работающую с тактовой частотой. определяемой характеристикой используемых модулей памяти (100, 133, 200 МГц).

Шина ISA долгие годы являлась стандартом в области PC (Industry Standart Architecture, ISA — Промышленная стандартная архитектура) и считается са­мой "старой" в семействе шин, однако до сих пор используется даже в но­вейших моделях PC. Дело в том, что имеется еще множество периферийных устройств, использующих стандарт ISA (мышь, клавиатура, модемы, ручные сканеры, FDD и т. п.), для которых быстродействия этой шины более чем достаточно.

Родоначальником в семействе шин ISA была 8-разрядная шина (8 Bit ISA Bus), которая использовалась в компьютерах класса XT.

Как известно, пропускная способность шины определяет производитель­ность всей системы. Очевидно, что при этой разрядности и тактовой частоте 4,77 МГц пропускная способность шины очень низкая.

16-разрядная шина

Если вы посмотрите на слот 16-разрядной шины. обозначаемой иногда AT BUS, то увидите, что он состоит из двух частей, одна из которых в точности соответствует слоту 8-разрядной шины ISA. а на контакты второй выведены линии для дополнительных адресов ввода/вывода, прерываний и каналов DMA.

На этом основании короткие 8-разрядные карты можно устанавливать в 16-разрядный слот. Сделать это наоборот, конечно же, невозможно.

Передача байта данных по шине ISA происходит следующим образом. Сна­чала на адресной шине выставляется адрес ячейки RAM или порта устрой­ства ввода/вывода, куда следует передать байт, затем на линии данных вы­ставляется байт данных, по одной из линий шины управления передается сигнал записи WR (строб записи). Причем контроль записи (проверка. успели записаться данные или нет) не производится. Поэтому тактовая час­тота шины ISA выбрана равной 8,33 МГц, чтобы даже самые медленные устройства гарантированно успевали производить по шине обмен данными (командами).

Основная проблема шины ISA состоит в том, что при оптимальной тактовой     частоте процессоров 80386 и 80486 она является как бы "горлышком бутыл­ки" (Boutleneck — Узкое место), поскольку данные не могут передаваться по шине с той же скоростью, с какой их обрабатывает CPU. Поэтому процес­сор в ожидании данных вынужден простаивать (цикл ожидания). Это и яви­лось причиной появления шин других стандартов.

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, при час­тоте системной шины 75 МГц — 37,5 МГц.

 Применительно к устройствам IDE (например, винчестер, CD-ROM) Bus Mastering IDE означает наличие определенных схем на материнской плате, позволяющих осуществлять передачу данных с жесткого диска в обход CPU. Это особенно важно при использовании многозадачных операционных систем типа Windows 95/98, Windows NT, OS/2.

В настоящее время шина PCI стала стандартом де-факто среди шин ввода/вывода. Поэтому рассмотрим ее архитектуру (рис.2) несколько подробнее.

Несмотря на все преимущества шины PCI, ее возможностей становится не­достаточно в условиях растущей нагрузки на систему. Причина заключается в том, что новое поколение графических микросхем работает одновременно с 3-мерной графикой и видео. Только для управления пользовательским, 1рафическим интерфейсом требуется половина пропускной способности шины.

Чтобы, не меняя уже сложившийся стандарт на шину PCI, ускорить ввод/ вывод данных на видеоадаптер и, кроме того, увеличить производительность PC при обработке трехмерных изображений без установки специализиро­ванных дорогостоящих двухпроцессорных видеоадаптеров, в 1997 г. фирмой Intel был разработан стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port). AGP является каналом передачи данных между видеоадаптерами RAM.

Шина AGP — это локальная высокоскоростная шина ввода/вывода, предна­значенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видео­адаптер (3 D-акселератор) с системной памятью PC, поэтому на материнской плате имеется только один разъем (слот) AGP.

Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Вместе с тем, у нее имеется ряд важных

Структурная схема видеосистемы на основе шины AGP отличий от шины PCI, позволяющих в несколько раз увеличить пропускную способность.Использование более высоких тактовых частот (режимы 2, 4), демультиплексирование (режим SBA), пакетная передача данных, режим прямого исполнения в системной памяти (DiME)

Рассмотрим эти особенности более подробно.Режимы 2х и 4х

Если шина PCI в стандартном варианте (32-разрядная) имеет тактовую час­тоту 33 МГц, что обеспечивает теоретически пропускную способность шины PCI 33х32 = 1056 бит/с = 132 Мбайт/с, то шина AGP тактируется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность составляет 66х32 = = 264 Мбайт/с, (это соответствует так называемому режиму 1х). Помимо ре­жима 1х, стандартом AGP Revision 1.0 предусмотрен режим 2х. при котором передача данных производится не только по переднему, но и по заднему фронту тактового импульса. В режиме 2 эквивалентная тактовая частота со­ставит 132 МГц, а пропускная способность — 528 Мбайт/с. Заметим, что режим 2 идеально подходит для процессоров семейства Pentium и старше, у которых внешняя шина данных, как известно, является 64-разрядной, позволяет за один такт выполнить две 32-разрядных, команды или обработать два 32-разрядных слова.

В последних версиях шины AGP (AGP Revision 2.0), использующих пони­женное напряжение питания. За один такт синхронизации удается выпол­нить уже не две, а четыре передачи (режим 4х), при этом скорость передачи данных через шину составляет около 

1 Гбайт/с. Кроме того, наиболее со­временные видеоадаптеры, выполненные на основе прогрессивных техно­логий 0,25 мкм и 0,18 мкм, обычно устойчиво работают на более высоких частотах шины AGP, чем 66 МГц (например, при использовании в Chipset Intel 440BX тактовой частоты системной шины около 133 МГц вместо по­ложенных 100 МГц тактовая частота шины AGP, определяемая как 66% час­тоты системной шины, составит не 66, а около 90 МГц). Таким образом, пропускная способность интерфейса AGP значительно выше, чем интер­фейса PCI.

Pipelining — конвейерная (пакетная) передача данных

Шина AGP также может работать в режиме AD, однако она допускает при­менение режима SBA (Side-Band Addressing — Адресация по боковой полосе), при котором для передачи кода адреса используются восемь дополнитель­ных линий разъема AGP, именуемых SBO — SB7. Поскольку код адреса, как и код данных — 32-разрядные, то такое разделение является частичным де­мультиплексированием (для полного демультиплексирования надо выделить 32 линии вместо 8, а это весьма дорого).

Заметим, что название Side-Band Addressing не совсем точно отражает суть данного режима, поскольку термин Side Band (Боковая полоса частот) тра­диционно используется применительно к радиоканалам, для которых умест­но говорить об основной и боковой полосе выделенных частот. В шине AGP, как известно, выделяется не дополнительная полоса частот, а отдель­ная 8-разрядная линия передачи данных.

Режим SBA используется только в режиме 2х, причем при пакетной переда­че. Для выполнения адресации в режиме SBA используется три такта син­хронизации (при этом, с учетом режима 2х, по проводам SBO — SB7 переда­ется 6 байт). В течение первых двух тактов передаются 4 байта адреса, а в течение третьего такта — 1 байт длины запроса и 1 байт команды. Провода ADO — AD31 шины AGP в режиме SBA используются исключительно для передачи данных, поэтому скорость передачи данных в данном режиме су­щественно выше, чем в режиме AD.

Спецификация периферийной шины USB (Universal Serial Bus) была разра­ботана фирмами — лидерами компьютерной и телекоммуникационной про­мышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Tele­com — для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Шина USB поддерживает технологию Plu&Play. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с. На новых материнских платах имеется специальный разъем для подключения концентратора USB (USB-Hab).К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подсоединять перифе­рийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер и др.). не вы­ключая питание. Как только устройство будет подключено, автоматически осуществляется его конфигурирование. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB, и подключаться к PC через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концентратором, с помощью которого к PC можно подключить до 127 периферийных устройств.

Для использования шины USB под управлением операционных систем Win­dows 95/98, Windows NT и OS/2 Warp разработаны специальные драйверы.

Согласно спецификациям PC 98 и PC 99 корпорация Intel планирует пол­ностью заменить шину ISA шиной USB для подключения периферийных низкоскоростных устройств ввода/вывода, и шиной Fire Wire (IEEE 1394) для подключения устройств хранения информации (CD-ROM, HDD и др.) и »вода видеоданных.

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств (винчестеры и приводы CD-ROM SCSI, сканеры, фо­то- и видеокамеры и др.)

В отличие от рассмотренных выше шин, шина SCSI реализована в виде ка­бельного шлейфа. С шиной PC (ISA или PCI) шина SCSI связывается через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Обычно хост-адаптеру, который дол­жен иметь высший приоритет, назначается ID7. Типичные назначения ID для различных устройств приведены . Любое устройство, подключенное к шине SCSI. может инициировать обмен с другим устройством.

Как видно из скорость обмена данными через интерфейс SCSI ограничена производительностью шины ввода/вывода. Таким образом, дан­ные могут передаваться, например, по 16-разрядной шине SCSI со ско­ростью до 20 Мбайт/с.(рис.5)


Очередным этапом развития шины SCSI явилась Ultra SCSI, которая исполь­зует тактовую частоту шины 20 МГц. Пропускная способность 8-разрядной шины составила 20 Мбайт/с. 16-разрядная шина Ultra SCSI, называемая Wide Ultra SCSI (или Fast 40), имеет пропускную способность 40 Мбайт/с.

Увеличение пропускной способности шины SCSI привело к уменьшению максимально допустимой длины кабеля. В связи с этим был разработан новый метод дифференциальной передачи данных, получивший название LVD (Low Voltage Differential). Применение данного метода позволило удвоить пропуск­ную способность шины до 40 Мбайт/с для спецификации Ultra2 SCSI и 80 Мбайт/с для Wide Ultra2 SCSI (или Fast 80).

 IEEE 1394 — это стандарт на высокоскоростную локальную последователь­ную шину, который был разработан на основе технологии Fire Wire фирмами Apple и Texas Instruments. Он является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3).

Локальная последовательная шина IEEE 1394 способна передавать данные со скоростью 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (12,5, 25, 50, 100 и 200 Мбайт/с), а при работе с файлами некоторых типов — до 1 Гбит/с. Та­кая высокая скорость достигается за счет передачи информации в пакетном режиме. Кроме того, шина IEEE 1394 обеспечивает одновременную работу нескольких устройств, передающих данные с разными скоростями, точно так же, как и SCSI.

Шина использует простой 6-проводный кабель (рис. 5), состоящий из двух различных пар линий, предназначенных для передачи тактовых им­пульсов и информации, а также двух линий питания. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug&Play, включая воз­можность "горячего" подключения (установка и извлечение компонентов без отключения питания PC). Структура шины IEEE 1394 не так сложна, как структура параллельной шины SCSI. Устройства, подключаемые к ней, мо­гут потреблять ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В. Производитель­ность шины IEEE 1394 выше производительности Ultra-Wide SCSI, а разъем значительно меньше разъема SCSI. Кроме того, она и стоит дешевле.

Шина IEEE 1394 построена по разветвляющейся топологии и позволяет ис­пользовать до 63 узлов в цепочке. К каждому узлу можно подсоединить до 116-ти устройств. Если этого недостаточно, то можно дополнительно под­ключить до 1023 шинных перемычек, которые могут соединять более 64 000 узлов. Для передачи сигналов без искажений длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м.

Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически все устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, цифровые ви­деодиски (DYD). цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные высокоскоростные устройства. Такие возможности делают эту шину одной из самых перспективных для объеди­нения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпус­каются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI [1].

Список литературы:

1. Шины - Архитектура компьютеров (Информатика и программирование).