Системная шина компьютера не включает шину адреса, шину заземления, шину данных, шину управления

Обновлено: 03.07.2024

В этом видео я рассмотрю шины, которые используются внутри компьютера. Шина — это канал связи, который позволяет данным перемещаться между различными компонентами внутри компьютера. Понимание того, как работают автобусы, поможет вам лучше понять, чего вы можете достичь с помощью компьютера. Это поможет вам определить, где могут возникнуть потенциальные узкие места в производительности системы, когда компьютер находится под нагрузкой.

Что такое автобус?
Для начала рассмотрим вопрос, что такое компьютерная шина или, как ее еще называют, системная шина? Шина внутри компьютера представляет собой группу электрических проводов, по которым передается сигнал. На материнской плате эти провода называются дорожками.

По шине передаются данные, но вам необходимо контролировать перемещение данных и определять, куда они направляются.

Для этого типичная системная шина делится на три части. Первая часть - это шина данных. Эта шина несет данные. Компьютерный автобус работает так же, как обычный автобус, используемый для перевозки людей. В обычном автобусе будет ограниченное количество мест. Системная шина будет иметь ограниченное количество битов, которые она может отправить за один раз. Например, 32-битная шина может отправлять 32 бита одновременно. Думайте об этом как об автобусе с 32 местами, и для того, чтобы автобус уехал, в нем должны быть заняты все 32 места. 32-битная шина всегда отправляет 32 бита данных одновременно, ни больше, ни меньше.

Следующий шаг заключается в том, что данные должны знать, куда они направляются. Это достигается за счет использования адресной шины. Адресная шина, по сути, сообщает компьютеру, куда идут данные. Например, переход в основную память или в память на устройстве. Подробнее об этом позже в видео.

И наконец, шина управления. Шина управления определяет, когда отправляются данные. Без какого-либо контроля компьютер не смог бы определить, когда данные отправлены и когда они завершены. Предыдущие данные будут смешиваться с новыми данными, что приведет к ошибкам передачи.

Пример простой шины
Чтобы лучше понять шину, давайте рассмотрим простой пример того, как может работать шина. В старые времена вычислений именно так работали автобусы. Позже в видео мы увидим проблемы с использованием автобуса, спроектированного таким образом, и то, как современные автобусы по-разному работают для решения этих проблем.

Для начала предположим, что адресная шина имеет 16 проводов. Это позволит нам получить доступ к 64 килобайтам памяти, что по сегодняшним меркам немного. Теперь предположим, что у нас есть 16-битная шина данных. 16 бит могут быть отправлены или получены по шине данных одновременно, что составляет два байта.

Наконец, у нас есть шина управления. В этом примере всего четыре провода. Это простой пример, и, как правило, у вас будет больше. Но для этого примера есть подтверждение чтения, записи, передачи и провод тактового сигнала.

Сигнал часов определяет время отправки данных. Провода чтения и записи определяют, отправляются или принимаются данные, а провод подтверждения передачи определяет, прошли ли данные нормально. Таким образом, по существу, установите адресную шину на адрес, который вы хотите прочитать или записать, разместить или получить ваши данные на шине данных и использовать управляющие провода, чтобы определить, когда начать передачу, какой тип передачи, будь то чтение или напишите и было ли получено.

Это очень простой пример, который вы можете найти на очень старом компьютере, но он не без проблем. Учтите, что в этом примере у нас 36 проводов. Рассмотрим теперь, что мы хотели отправить 32 или 64 бита одновременно. Это значительно увеличило бы количество необходимых проводов, однако дополнительные провода — не единственная проблема, которую это может создать.

Последовательный и параллельный
Это подводит нас к теме последовательного и параллельного. Последовательная передача — это когда данные передаются по одному каналу. Каждый бит следует за предыдущим битом, как в «следуй за лидером». Параллельный — это когда несколько каналов используются одновременно. Думайте об этом как о линейном танце, когда все выстраиваются в линию и танцуют синхронно друг с другом

В старые времена вычислений последовательный интерфейс был первой технологией, которая использовалась, но была очень медленной. Чтобы повысить скорость, несколько каналов были объединены вместе для увеличения скорости. Это имеет смысл, так как отправка большего количества данных за раз значительно увеличивает скорость. Таким образом, старые компьютеры начали использовать параллельную передачу для увеличения скорости.

В этом примере передается четыре бита. Первый использует последовательный, а второй - параллельный. Между битами в передаче есть небольшой промежуток. Трудно точно рассчитать время работы электроники на высокой скорости, поэтому иногда при передаче на высокой скорости могут возникать небольшие задержки.

Теперь рассмотрим наш пример линейного танца. Если бы вы ускорили музыку, все в очереди должны были бы соответствовать музыке. По мере того, как музыка становится быстрее, это становится все труднее и труднее.При параллельной связи все данные должны поступить в пункт назначения, прежде чем можно будет отправить какие-либо другие. Если все каналы не синхронизированы точно, передачу необходимо замедлить, чтобы сохранить синхронизацию, что ограничивает скорость, с которой может работать параллель. По сути, более быстрая параллельная связь требует, чтобы каждый канал был точно синхронизирован с каждым другим каналом. Теперь представьте, что у вас есть 64 канала, то есть много каналов, которые должны быть точно синхронизированы друг с другом. Если каналы не синхронизируются друг с другом, это называется рассогласованием часов.

В случае с последовательным движением, если вы рассмотрите пример «следуй за лидером», если человек в очереди будет двигаться медленнее остальных, в результате все, кто следует за этим человеком, также замедлятся. Гораздо проще синхронизировать один канал, чем пытаться синхронизировать несколько каналов друг с другом.

По мере совершенствования электроники скорость последовательной связи увеличивалась и, таким образом, стала быстрее, чем параллельная связь. По этим причинам последовательная передача данных начала заменять параллельную связь.

В новых компьютерах вы обнаружите, что последовательная связь заменила параллельную для большинства шин компьютера, включая шины ЦП. Это обеспечивает более высокую скорость, а также требует меньше проводов для соединения устройств. Модули памяти по-прежнему используют параллельную связь; возможно, однажды это изменится, но вы обнаружите, что почти все остальное в наши дни — это последовательная связь.

PCI Express (последовательный пример)
Чтобы лучше понять, как работает последовательная связь, я буду использовать PCI Express в качестве примера. Существует несколько различных способов реализации последовательной связи; однако вы обнаружите, что они аналогичны тому, как реализован PCI Express.

В этом примере я буду использовать слот PCI Express на 1. Этот слот имеет только одну полосу движения, что упрощает понимание. Каждый слот PCI Express имеет несколько контактов для питания и других функций. Каждая полоса будет иметь восемь проводов, которые используются для передачи данных.

Первые четыре предназначены для отправки данных. Из этих четырех проводов первые два предназначены для отправки, а последние два — для заземления. В некоторых случаях может быть только один провод заземления, а второй провод может быть зарезервирован.

Вам может быть интересно, почему при использовании последовательной связи используются два провода отправки. Причина в том, что два провода проложены рядом друг с другом, чтобы уменьшить искажение данных из-за помех. При отправке данных измеряется разница между двумя сигналами. Поскольку оба провода расположены рядом друг с другом, они оба будут одинаково подвержены помехам, и, таким образом, разница останется неизменной даже при достаточно высоких помехах. Прокладка дополнительного кабеля — это небольшая плата за уменьшение помех и, следовательно, за увеличение объема передаваемых данных.

Тот же принцип применяется к проводам приема — четыре провода, два из которых предназначены для приема, а два — для заземления. Использование двух приемных проводов уменьшает интерференцию и, таким образом, увеличивает скорость передачи данных.

В старых автобусах для экономии проводов шина может работать в обоих направлениях. По сути, переключатель будет щелкнут, чтобы определить, принимает или отправляет шина. В настоящее время вы обнаружите, что автобусы будут использовать отдельные провода для отправки и получения.

Заголовок содержит адрес и другую информацию о конфигурации. Все отправляемые данные содержат дополнительные биты, которые используются для проверки ошибок. Используемая версия PCI Express определяет, сколько дополнительных данных потребуется для проверки ошибок.

Наличие адреса в заголовке означает, что для адресной шины не требуются отдельные провода, как это требовалось на предыдущих компьютерах. Вы можете видеть, что использование последовательной связи значительно уменьшило количество необходимых проводов. Если вы хотите еще больше увеличить скорость, вы просто добавляете дополнительные полосы. Например, при использовании слота PCI Express на 16 16 линий трафика входят в слот и выходят из него.

Вы заметите, что нет провода для тактового сигнала. В PCI Express нет внешнего тактового сигнала, поскольку тактовый сигнал встроен в сам сигнал данных. Это одно из больших преимуществ последовательной связи. Поскольку данные не должны совпадать с тактовым сигналом, не имеет значения, что данные, проходящие через него, работают с немного разными скоростями. Другой конец просто обработает его со скоростью, с которой он его получит.

Следующий момент, который следует рассмотреть, это то, что происходит, когда у вас есть несколько устройств, чипов и шин, которые соединены вместе. Здесь потенциально могут быть разные устройства с разной скоростью, и могут передаваться большие объемы данных.

Буферизация и ожидание
Чтобы согласовать скорости между различными устройствами и компонентами, используются методы буферизации и состояния ожидания. Рассмотрим этот пример.

Учтите, что у вас есть микросхема северного моста. Северный мост подключен к процессору.В этом примере есть две конвейерные ленты, которые представляют собой каналы данных. Две конвейерные ленты выходят из северного моста, который передает данные на графический процессор и южный мост. Поскольку графическому процессору или графическому процессору требуется много данных, нередко он напрямую подключается к северному мосту или самому процессору.

Поскольку процессор является самым быстрым компонентом любой компьютерной системы, он будет довольно быстро отправлять данные на северный мост. Шины к другим компонентам будут медленнее, чем ЦП, поэтому для согласования скоростей используется буфер.

По сути, когда данные поступают, северный мост берет данные из буфера и помещает их на шину. Если шины немного не синхронизированы, данные остаются в буфере до тех пор, пока их нельзя будет поместить на шину. Имея небольшие задержки в буферах, это позволяет обойти рассинхронизацию шин друг с другом.

Проблема возникает, когда буфер заполнен. Когда это происходит, входящие данные необходимо остановить, иначе они будут потеряны. Это делается путем отправки управляющего сигнала на шину, говорящего ей остановиться. Это называется состоянием ожидания. Как только буфер освобождается, шина запускается снова.

ЦП, будучи самым быстрым компонентом компьютера, часто находится в состоянии ожидания. Для предотвращения перехода ЦП в состояние ожидания используется ряд различных методов проектирования, но вы можете сделать только некоторые из них.

Вы можете начать понимать, почему компьютер может быть сильно загружен, а загрузка ЦП низкая. Компьютер находится под нагрузкой, но нагрузка не в процессоре. Узкие места потенциально могут возникать в любом месте компьютерной системы. Понимание того, как работают автобусы, поможет вам лучше понять, где могут возникнуть эти узкие места. Иногда из-за разных скоростей шин переход с SATA 2 на SATA 3 или установка платы расширения в другой слот может существенно повлиять на производительность компьютера.

Внутренние и внешние шины
Шины в компьютере могут быть как внутренними, так и внешними. Внутренние шины, как правило, представляют собой высокоскоростные шины, находящиеся внутри компьютера. Примеры включают шину, которая соединяет ЦП, память и чипы, такие как северный мост.

Внешние шины соединяют устройства вне компьютера. Эти автобусы обычно медленнее, чем внутренние автобусы. Примеры включают USB, Firewire и SCSI. SCSI можно использовать для подключения устройств вне компьютера; однако его также можно использовать для подключения устройств внутри компьютера.

Некоторые шины могут быть как внутренними, так и внешними. Примером этого является PCI Express. PCI Express может использоваться внутри компьютера, а также может использоваться для подключения устройств, внешних по отношению к компьютеру. Вы обнаружите, что в шине, которая поддерживает обе, внешние скорости, как правило, будут ниже, чем те, которые могут быть достигнуты внутри компьютера.

Шина хранения
Вы также можете встретить термин «шина хранения». Шина хранения — это просто шина, предназначенная для связи с устройствами хранения, такими как жесткие диски, оптические устройства и твердотельные накопители. Вы также можете встретить термин «Host Bus Adapter» или HBA. Это относится к адаптеру или устройству, которое обеспечивает шину для устройств хранения. Этот термин обычно используется в отношении серверов и устройств хранения данных.

Для доступа к устройствам в 80-х годах был очень популярен параллельный интерфейс ATA или PATA. Он также был известен как IDE, расшифровывающийся как Integrated Drive Electronics. После того, как он был представлен, в него были внесены улучшения, поэтому его также можно назвать Enhanced IDE.

В настоящее время этот интерфейс устарел, но вы можете обнаружить, что на вашей материнской плате есть этот разъем. Он может иметь одно из трех названий. Независимо от того, какое имя используется, поскольку это старая технология, современные материнские платы будут поддерживать все старые и новые возможности интерфейса. Так что, если вы используете современную материнскую плату, не беспокойтесь о том, как называется соединение, оно будет поддерживать все новые и старые возможности интерфейса.

В настоящее время вы, скорее всего, будете использовать соединение SATA для подключения устройств хранения на вашем компьютере. SATA — это последовательное соединение, а IDE — параллельное. Раньше в вычислениях параллельные вычисления были быстрее, чем последовательные. Однако по мере того, как скорость компьютеров начала увеличиваться, синхронизация параллельных соединений стала сложнее. Было обнаружено, что лучших результатов можно добиться, используя последовательные соединения, а не параллельные.

Другим широко используемым соединением является SCSI. Это расшифровывается как «Интерфейс системы малого компьютера». Традиционно устройства SCSI стоят дороже, поэтому SCSI используется только на серверах или высокопроизводительных рабочих станциях.

Интерфейс SCSI менялся много раз. Поэтому вам необходимо убедиться, что у вас есть правильный интерфейс и кабель для используемого вами устройства SCSI. Традиционно SCSI был параллельным, но теперь он стал последовательным.Существуют и другие типы используемых шин хранения, но это основные, с которыми вы столкнетесь.

Карты расширения
Последний момент, который я хотел бы затронуть, это карты расширения. Здесь показан пример карты расширения PCI Express на 1. Плата расширения получит тактовый сигнал от материнской платы. Все слоты расширения имеют стандартную тактовую частоту. Если бы разные материнские платы использовали разные тактовые частоты, то необходимо было бы производить разные карты расширения для поддержки каждой разной тактовой частоты. Теперь это означает, что для каждого типа слота необходимо изготовить только одну карту расширения.

Это создает проблему, заключающуюся в том, что производитель застрял на этой тактовой частоте, и она может не подходить для их нужд. По этой причине вы обнаружите, что многие карты расширения имеют собственный кварцевый генератор. Кристалл используется для генерации тактовой частоты. Наличие кристалла на плате расширения позволяет производителю платы расширения создавать собственную тактовую частоту, полностью независимую от тактовой частоты, используемой на материнской плате.

Карта расширения по-прежнему должна синхронизировать свои передачи с тактовой частотой, заданной материнской платой. Это делается с помощью буферов и состояний ожидания, как в предыдущем примере с северным мостом.

Для питания кристалла плата расширения получает питание 12 и 3,3 В от материнской платы. Это будет первый набор контактов на плате расширения. Не все контакты будут силовыми, но их большое количество. Эта мощность позволяет плате расширения питать кристалл для генерации собственного тактового сигнала.

Теперь вы должны понимать, что компьютерная система использует несколько шин для связи устройств друг с другом. Буферы используются для того, чтобы устройства с разной скоростью могли взаимодействовать друг с другом. Если одновременно поступает слишком много данных, используется состояние ожидания, чтобы временно остановить передачу данных.

На этом видео от ITFreeTraining заканчивается. Надеюсь, это помогло вам лучше понять, что делают шины внутри компьютерной системы. До следующего видео от нас, я хотел бы поблагодарить вас за просмотр.

Добро пожаловать на бесплатный курс ITFreeTraining по экзаменам CompTIA 220-1001 и 220-1002, иначе известный как A+. Этот бесплатный учебный курс познакомит вас со всеми задачами экзамена A+ и поможет вам подготовиться к экзамену.

Модули

Установка и настройка компонентов ПК

Уроки

  • Введение в A+
  • Здоровье и безопасность
  • Опасность поражения электрическим током
  • Экологическая безопасность
  • Обращение с токсичными отходами
  • Электростатический разряд (ЭСР)
  • Инструменты
  • Типы корпусов компьютеров и комплектующие
  • Разборка ПК
  • Введение в материнские платы
  • Основные сведения о материнских платах
  • Форм-факторы
  • ЦП и сокеты ЦП
  • Слоты памяти
  • Компоненты материнской платы
  • Чипы и компоненты материнской платы
  • БИОС
  • UEFI
  • Обновление BIOS
  • Обновление UEFI
  • Настройка BIOS и UEFI
  • Звуковые коды, POST-карты и тестеры блоков питания
  • Очистить настройки CMOS
  • Тактовые частоты и скорости шины
  • Компьютерные шины
  • Слоты расширения
  • Разъемы материнской платы
  • Подбор/установка материнской платы
  • Интерфейсы, соединения и порты
  • Универсальная последовательная шина
  • Удар молнии
  • Кабель молнии
  • Последовательные порты
  • SATA и eSATA
  • Параллельный интерфейс ATA (PATA/IDE/EIDE)
  • SCSI
  • Подача питания на внутренние периферийные устройства
  • RJ45 и RJ11
  • Активные и пассивные кабели
  • Установка плат расширения
  • Распространенные типы коннекторов
  • Общие устройства ввода
  • Чистка клавиатуры компьютера
  • Клавиатура, видео, мышь
  • Защитные устройства ввода
  • Установка устройств
  • Основы устранения неполадок
  • Модель устранения неполадок CompTIA
  • Служба поддержки
  • Решение проблем

Установка, настройка и устранение неполадок с дисплеями и мультимедийными устройствами

Уроки

Установка, настройка и устранение неполадок устройств хранения данных

Уроки

Другие уроки

Архитектура многоканальной памяти

Продолжительность: 10 минут. Сложность: простая

Добро пожаловать в видео ITFreeTraining, посвященное многоканальной архитектуре памяти. Многоканальность — это технология, которая увеличивает объем данных, которые могут быть переданы между памятью и контроллером памяти…

Каждая системная плата имеет набор проводов, соединяющих все подключенные к ней устройства и микросхемы. Эти провода вместе называются шиной. Количество проводов в шине определяет ее ширину.

Шина данных содержит 8, 16, 32, 64, 128 или более проводов.Большинство домашних компьютерных систем имеют 32 или 64 провода. В дополнение к проводам данных есть один или несколько дополнительных проводов, используемых для сигнализации и управления. Позвольте привести пример. Чтобы ЦП мог общаться с ОЗУ и хранить часть данных, ЦП должен передавать данные по шине в ОЗУ. Он делает это, беря на себя управление шиной, используя сигнал прерывания, а затем отправляет данные по шине на системный адрес ОЗУ.

Пропускная способность шины

Чтобы получить общую пропускную способность шины, умножьте тактовую частоту шины в герцах на число разрядов шины. Шины данных почти всегда имеют ширину, кратную 8 битам (8, 16, 32, 64 и т. д.)

33 МГц x 32 бита = 1056 Мбит/с

200 МГц x 64 бита = 12 800 Мбит/с (12,8 Гбит/с)

Автобусный арбитраж

Всякий раз, когда устройству необходимо связаться с другим устройством, подключенным к материнской плате, оно должно делать это через шину. Поскольку шина является общей для всех устройств, необходимо использовать метод определения того, какое устройство получит доступ к шине. Метод, используемый для определения того, кто и когда получает доступ к шине, называется арбитраж шины. Механизм арбитража шины разработан таким образом, что устройства с высоким приоритетом, такие как процессор и оперативная память, получают доступ к шине в первую очередь, в то время как другие устройства (диски, видеокарты, звуковые карты и т. д.) получают более низкий приоритет и часто вынуждены ждать доступа к шине. . Обычно эта приоритизация осуществляется путем назначения прерываний с меньшими номерами системам с более высоким приоритетом. Во многих системах ЦП имеет прерывание 0. и всегда работает первым. Кроме того, по шине предоставляются временные интервалы.

Прерывания (IRQ)

Этот канал управления используется для сигнализации о прерываниях. Сигнал прерывания используется для «прерывания» ЦП от его обычных задач, чтобы любое произошедшее событие могло быть немедленно обработано должным образом. Например, когда клавиша на клавиатуре нажата, это заставляет клавиатуру запрашивать доступ к шине. Это событие называется «запрос на прерывание». CPU обрабатывает запросы на прерывание в соответствии с приоритетом устройства (номером прерывания). Чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет устройства. Эти прерывания часто обозначаются шестнадцатеричными значениями.

Прямой доступ к памяти (DMA)

Схемы арбитража шины стали настолько продвинутыми, что больше не требуется центральный процессор компьютера для арбитража шины, как это было в далеком прошлом. Устройства теперь могут напрямую вставлять или извлекать данные из/в память (ОЗУ). Это позволяет устройствам работать намного быстрее. В тактах, когда процессор не использует шину, другие устройства могут использовать шину для доступа к ОЗУ.

В реальном мире автобус — это то, что перевозит людей из одного места в другое. В компьютерном мире шина — это то, что перемещает данные из одного места в другое. В реальном мире большинство автобусов почти одинаковы. У всех есть двигатели, изрыгающие черный дым, четыре или шесть колес и водитель. На самом деле не имеет большого значения, какой автобус вы выберете, главное, чтобы он ехал в нужном вам направлении.

Однако в компьютерном мире существует много разных типов автобусов:

  • Последовательные шины, передающие данные побитно.
  • Параллельные шины, передающие данные порциями по восемь или шестнадцать бит.
  • Шины, предназначенные для компьютерных систем, такие как шины ПК и PCI.
  • Шины, разработанные специально для управляемых компьютером электронных приложений для тестирования и измерения, такие как шина IEEE 488 и шина VXI.

Последовательные шины
Последовательные шины, такие как EIA-232-E, EIA-422-A и EIA-423-A, являются старейшими и до сих пор одними из наиболее широко используемых типов данных. автобусы связи. Каждый ПК, например, поставляется как минимум с одним последовательным портом. Обычно вы используете этот порт для подключения модема к компьютеру, но вы можете подключить практически любое устройство к компьютеру через последовательную шину. Некоторые компании производят тестовое оборудование, использующее последовательный порт для передачи данных измерений.

Использование последовательных шин — это самый простой способ передачи данных, и поэтому в некоторых приложениях последовательная шина является лучшим выбором. Кабели широко доступны и недороги, а тестовое оборудование можно расположить на некотором расстоянии от компьютера (примерно от 80 до 100 м при использовании EIA-232-E). Кроме того, поскольку почти каждый ПК имеет последовательный порт, его легко подключить к тестовому оборудованию.

Одним из их самых больших недостатков является то, что последовательные шины относительно медленны. Эти устройства передают данные по одному биту за раз, то есть потребуется восемь отдельных передач, чтобы переместить всего один байт данных. При использовании EIA-232-E максимальная скорость передачи данных также зависит от длины кабеля. Более длинные кабели имеют большую емкость, а поскольку сигнал представляет собой сигнал напряжения, время нарастания больше, что ограничивает максимальную скорость передачи данных. (EIA-422-A преодолевает это ограничение, используя дифференциальные, а не несимметричные сигналы.Использование дифференциальных сигналов также делает EIA-422-A хорошим выбором для использования в шумной среде.)

Другим недостатком интерфейса EIA-232-E является отсутствие управляющих сигналов для приложений тестирования и измерения, таких как сигналы запуска. Поэтому, если вам нужно сложное управление, лучшим выбором может стать шина, разработанная специально для испытаний и измерений.

Сегодня эта шина, также известная как интерфейсная шина общего назначения (GPIB), по-прежнему широко используется в приложениях для испытаний и измерений. В 1987 году IEEE опубликовал расширение исходного стандарта IEEE 488.2-1987, Стандартные коды IEEE, форматы, протоколы и общие команды для использования с IEEE Std 488.1-1987. IEEE 488.2-1987 определяет некоторые общие команды, синтаксис команд и структуры данных, которые инженеры-испытатели могут использовать при обмене данными по шине IEEE 488.

Шина IEEE 488 — это параллельная шина (см. "Линии шины IEEE 488" ниже), передающая восемь битов данных за раз. В дополнение к восьми битам ввода/вывода данных, шина имеет восемь управляющих сигналов, включая три линии квитирования и пять линий управления шиной. Также в шину включены восемь линий заземления, используемых для экранирования и заземления. Максимальная скорость передачи данных по стандартной шине IEEE составляет 1 МБ/с, хотя есть предложение, проходящее через процесс утверждения стандартов, которое ускорит шину до 8 МБ/с. В любом случае фактическая пропускная способность, которую вы получите от системы, будет намного ниже максимальной скорости передачи данных.

Для подключения тестового оборудования к компьютеру по шине IEEE 488 необходимо установить в компьютер интерфейсную карту. Они доступны из нескольких источников и относительно недороги. Эта карта вместе с программным обеспечением, необходимым для ее использования, превращает компьютер в «системный контроллер». Системный контроллер может разговаривать и прослушивать другие устройства на шине, а также управлять работой шины.

С помощью одной интерфейсной карты к системному контроллеру можно подключить до 14 других устройств. Это может быть тестовое оборудование, такое как осциллограф или цифровой мультиметр, или периферийные устройства, такие как принтер. Вы можете подключить эти устройства в конфигурации «звезда», что означает, что каждое устройство подключается непосредственно к контроллеру, или в конфигурации «гирляндная цепь», в которой каждое последующее устройство подключается к предыдущему. Максимальное расстояние между устройствами составляет 2 м, а максимально допустимое расстояние от системного контроллера до последнего устройства в гирляндной цепи — 20 м, хотя вы можете приобрести удлинители шины, которые позволяют при необходимости увеличить это расстояние.

Одно большое преимущество использования шины IEEE 488 заключается в том, что она широко поддерживается. Стандарт существует уже давно, и вы можете найти платы контроллера IEEE 488 для большинства популярных компьютеров, включая ПК-совместимые, Macintosh и рабочие станции Sun. Существует также множество программ для поддержки систем IEEE 488. Используете ли вы DOS, Windows, OS/2, Mac или UNIX, вы найдете программное обеспечение, которое упростит разработку вашей тестовой системы. Дигитайзеры в приборах IEEE 488 также являются одними из самых высоких с точки зрения частоты дискретизации и разрешения (см. «Возможности технологии дигитайзера» ниже).


Дигитайзеры в приборах IEEE 488 являются одними из лучших с точки зрения
частоты дискретизации и разрешения.

Другое преимущество заключается в том, что большинство производителей высококачественного тестового оборудования поддерживают интерфейс IEEE 488, встраивая его в свое оборудование. Доступны тысячи приборов с интерфейсами IEEE 488. Большинство цифровых осциллографов, например, теперь имеют встроенный интерфейс IEEE 488, который позволяет пользователям управлять ими и собирать данные измерений.

Эту возможность можно использовать для упрощения тестовых программ. Например, вы можете запрограммировать некоторые цифровые осциллографы на поиск важных параметров сигнала, таких как пиковое значение, или выполнить преобразование Фурье. Этот подход упрощает тестовую программу, заставляя тестовый прибор, а не тестовую программу, выполнять всю работу. Возможно, самыми большими недостатками использования интерфейса IEEE 488 являются стоимость и размер, а в некоторых приложениях и производительность. В системе IEEE 488 тестовое оборудование подключается к системному контроллеру извне, что означает, что контроллер и тестовое оборудование являются отдельными блоками, которые подключаются через кабель IEEE 488. Это увеличивает как стоимость, так и размер системы, поскольку контроллер и все испытательное оборудование находятся в отдельных коробках, каждая со своими дисплеями и элементами управления. Если вы используете компьютер для выполнения большей части анализа и отображения данных, эти функции тратятся на тестовое оборудование.

Функции измерения в компьютере
Один из способов уменьшить стоимость и размер системы тестирования — перенести функции измерения внутрь системного контроллера. Это можно сделать, купив дополнительные карты, которые подключаются непосредственно к компьютеру.Платы расширения для ПК доступны от нескольких производителей и выполняют широкий спектр функций, включая аналоговый ввод и вывод, цифровой ввод и вывод, фильтрацию и преобразование сигнала. Большинство плат аналогового ввода предлагают несколько каналов и позволяют настраивать входы как несимметричные или как дифференциальные входы.

Эти платы также доступны для самых разных компьютеров. Например, вы можете приобрести платы для ПК-совместимых компьютеров, использующих шину промышленной стандартной архитектуры (ISA), шину расширенной промышленной стандартной архитектуры (EISA) и новейший тип шины — шину PCI. Платы также доступны для портативных компьютеров, использующих шину PC Card (PCMCIA), и для компьютеров Macintosh, использующих NuBus.

Когда производители впервые представили эти платы чуть более десяти лет назад, производительность была низкой, разрешение было низким, они часто были шумными и не очень точными. Однако десять лет разработки действительно окупились. Производители улучшили как аналоговую, так и цифровую конструкцию этих плат, и если это требуется для вашего приложения, вы можете найти платы с усилителями инструментального класса, которые могут выполнять высококачественные измерения. Производительность также значительно улучшилась. Платы, использующие шину PCI, способны передавать данные со скоростью более 100 МБ/с.

Если вы решили разработать тестовую систему с использованием карт расширения для ПК, какую шину выбрать? Для большинства приложений платы ISA или платы EISA вполне справятся с этой задачей. Скорость передачи данных по шине ISA обычно составляет 1 МБ/с, чего должно хватить для большинства приложений. Однако, если ваша тестовая система будет проводить измерения по многим различным каналам с высокой скоростью, вам, возможно, придется использовать карты шины PCI. Шина PCI теоретически может передавать данные со скоростью 132 МБ/с. (передача четырех байтов за раз). Однако при таких скоростях вы начинаете сталкиваться с аппаратными ограничениями ПК.

Если вы проводите измерения с помощью портативного компьютера, вам следует выбрать PC-карту. Этот вариант популярен, например, у производителей и поставщиков автомобилей, которые проводят измерения в движущихся транспортных средствах. Использование портативного компьютера и PC-карт позволяет им не только собирать данные, но и немедленно их анализировать.

VXIbus: высокая производительность, компактный корпус.
Хотя тестовые системы на базе ПК предлагают преимущества по цене и размерам по сравнению с тестовыми системами, использующими шину IEEE 488, они не могут достичь высокой производительности системы IEEE 488. Для систем, требующих очень высокой производительности, а также компактных размеров, хорошим выбором является шина VXI.

VXIbus — это еще одна шина, разработанная специально для компьютеризированных приложений тестирования и измерений. Несколько производителей представили модули и системы VXIbus в 1987 году, а в 1992 году был опубликован стандарт IEEE IEEE 1155-1992, Стандарт IEEE VMEbus Extensions for Instrumentation: VXIbus. Сегодня существует более 1500 коммерческих продуктов VXIbus, включая компьютерные контроллеры и измерительные приборы, такие как вольтметры и осциллографы. Также доступны основные строительные блоки инструментов, такие как дигитайзеры и фильтры. С помощью этих модулей и хорошего программного пакета вы можете создавать так называемые системы «виртуального инструмента».

Как следует из названия, он основан на VMEbus, компьютерной шине, популярной для промышленных вычислительных приложений. VMEbus — это 32-битная шина, которая может передавать данные со скоростью до 40 МБ/с. К этой 32-битной шине разработчики VXIbus добавили сигналы для точной синхронизации, синхронизации между модулями на шине и управления ресурсами. В дополнение к определению электрических характеристик шины стандарт определяет механические, силовые, охлаждающие и электромагнитные характеристики модулей VXIbus. Эти спецификации помогают гарантировать совместную работу модулей разных производителей при использовании в системе.

Системы VXIbus можно настраивать практически безграничным количеством способов. Инструментальные модули VXIbus размещаются в шасси VXIbus, которое может содержать до 13 модулей. Компьютер, управляющий системой, может находиться в шасси или быть автономным компьютером, подключенным к шасси с помощью интерфейса IEEE 488 или высокоскоростного интерфейса, называемого шиной MXI. Если вы проектируете очень сложную систему и вам нужно больше слотов, чем может вместить одно шасси VXIbus, вы можете использовать второе шасси, подключив его к основной системе через интерфейс IEEE 488 или шину MXI.

Одним из недостатков использования VXIbus является повышенная стоимость. Модули VXIbus обычно стоят больше, чем карты расширения для ПК. Системы VXIbus также иногда сложнее интегрировать, чем системы на базе ПК, что увеличивает стоимость разработки тестовой системы. Чтобы решить проблему интеграции, в 1993 году некоторые производители создали VXI Plug and Play Alliance.Этот альянс решил многие системные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики при сборке системы VXIbus, и разработал стандартные программные интерфейсы, которые помогают гарантировать совместную работу модулей как на системном, так и на аппаратном уровне.

Гибридное решение
Хотя теоретически можно собрать систему, основанную исключительно на одном типе шины, на самом деле нет необходимости ограничиваться только одной шиной. Если есть смысл смешивать и сочетать, делайте это. Например, ваша тестовая система может быть почти полностью основана на ПК, но для определенного теста вам может понадобиться функция прибора, которую проще всего реализовать с помощью прибора IEEE 488.

При разработке гибридной системы важно учитывать, какое программное обеспечение вы будете использовать. Если вы собираетесь использовать имеющийся в продаже тестовый программный пакет, убедитесь, что этот программный пакет поддерживает различные типы интерфейсов в вашей системе. Это сэкономит вам много времени при написании программного обеспечения для управления этими интерфейсами.

Еще больше вариантов автобусов

Хотя последовательные шины, шина IEEE 488, шины ПК и шина VXI являются наиболее популярным выбором для систем тестирования и измерений, существуют и другие варианты, которые могут иметь смысл в определенных приложениях. Одной из таких шин является Ethernet. Используя Ethernet, вы можете подключиться к испытательному оборудованию через локальную сеть компании или даже через Интернет. Очевидно, это делает его хорошим выбором для приложений удаленного мониторинга и управления.

Еще одна возможность – расширенный параллельный порт. EPP доступны на настольных ПК и некоторых ноутбуках, а некоторые производители тестового оборудования производят оборудование для сбора данных, использующее этот интерфейс. Передача данных до 2 МБ/сек. возможны с EPP, который в два раза превышает скорость передачи данных по шине IEEE 488. Тестовое оборудование, использующее EPP, позволяет пользователям подключать к ноутбуку больше каналов, чем они могут подключить к плате сбора данных ПК.

Третья возможность — шина IEEE 1394. Шина IEEE 1394, также иногда называемая «Firewire», представляет собой последовательную шину, которая вскоре может стать стандартным оборудованием для персональных компьютеров. Он способен передавать данные со скоростью 100 МБ/с. и, в отличие от интерфейса EIA-232-E, к компьютеру можно подключить несколько устройств.

Каждая системная плата имеет набор проводов, соединяющих все подключенные к ней устройства и микросхемы. Эти провода вместе называются шиной. Количество проводов в шине определяет ее ширину.

Шина данных содержит 8, 16, 32, 64, 128 или более проводов. Большинство домашних компьютерных систем имеют 32 или 64 провода. В дополнение к проводам данных есть один или несколько дополнительных проводов, используемых для сигнализации и управления. Позвольте привести пример. Чтобы ЦП мог общаться с ОЗУ и хранить часть данных, ЦП должен передавать данные по шине в ОЗУ. Он делает это, беря на себя управление шиной, используя сигнал прерывания, а затем отправляет данные по шине на системный адрес ОЗУ.

Пропускная способность шины

Чтобы получить общую пропускную способность шины, умножьте тактовую частоту шины в герцах на число разрядов шины. Шины данных почти всегда имеют ширину, кратную 8 битам (8, 16, 32, 64 и т. д.)

33 МГц x 32 бита = 1056 Мбит/с

200 МГц x 64 бита = 12 800 Мбит/с (12,8 Гбит/с)

Автобусный арбитраж

Всякий раз, когда устройству необходимо связаться с другим устройством, подключенным к материнской плате, оно должно делать это через шину. Поскольку шина является общей для всех устройств, необходимо использовать метод определения того, какое устройство получит доступ к шине. Метод, используемый для определения того, кто и когда получает доступ к шине, называется арбитраж шины. Механизм арбитража шины разработан таким образом, что устройства с высоким приоритетом, такие как процессор и оперативная память, получают доступ к шине в первую очередь, в то время как другие устройства (диски, видеокарты, звуковые карты и т. д.) получают более низкий приоритет и часто вынуждены ждать доступа к шине. . Обычно эта приоритизация осуществляется путем назначения прерываний с меньшими номерами системам с более высоким приоритетом. Во многих системах ЦП имеет прерывание 0. и всегда работает первым. Кроме того, по шине предоставляются временные интервалы.

Прерывания (IRQ)

Этот канал управления используется для сигнализации о прерываниях. Сигнал прерывания используется для «прерывания» ЦП от его обычных задач, чтобы любое произошедшее событие могло быть немедленно обработано должным образом. Например, когда клавиша на клавиатуре нажата, это заставляет клавиатуру запрашивать доступ к шине. Это событие называется «запрос на прерывание». CPU обрабатывает запросы на прерывание в соответствии с приоритетом устройства (номером прерывания). Чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет устройства. Эти прерывания часто обозначаются шестнадцатеричными значениями.

Прямой доступ к памяти (DMA)

Схемы арбитража шины стали настолько продвинутыми, что больше не требуется центральный процессор компьютера для арбитража шины, как это было в далеком прошлом. Устройства теперь могут напрямую вставлять или извлекать данные из/в память (ОЗУ). Это позволяет устройствам работать намного быстрее. В тактах, когда процессор не использует шину, другие устройства могут использовать шину для доступа к ОЗУ.

Читайте также: