По какой шине данные передаются между северным мостом и процессором

Обновлено: 21.11.2024

Вы когда-нибудь путались в названиях автобусов, скоростях автобусов и связанных с ними аббревиатурах? В этом ежедневном обзоре Джеймс Макферсон дает обзор современных автобусов, включая их определения и характеристики. Используйте его в качестве обзора, для обучения или подготовки к экзамену A+.

В наши дни возьмите любое электронное устройство, и вы найдете на коробке несколько аббревиатур, описывающих различные шины, которые оно поддерживает. У компьютера будет список автобусов длиной с вашу руку. В этом ежедневном обзоре я расскажу о различных шинах, доступных и используемых в настоящее время, чтобы помочь вам точно понять, на что способно ваше оборудование.

Что такое автобус?
шина — это путь, по которому устройство отправляет свои данные, чтобы оно могло взаимодействовать с ЦП и/или другими устройствами. Например, устройство PCI, такое как звуковая карта, будет отправлять свои данные через шину PCI. Каждое устройство будет иметь точку доступа к шине с использованием интерфейса определенного типа. Слово интерфейс относится не только к физическому порту, к которому подключаются устройства, но также к электрическим рабочим параметрам и формату связи. Как правило, каждая шина имеет интерфейс уникальной формы, чтобы вы не могли повредить свои устройства, подключив их к неправильным портам. ПК имеют три или более шин.

Система шин материнской платы сравнивается с системой общественного транспорта, которая передает данные по многим маршрутам через город (ваша материнская плата) и использует для их перевозки различные типы транспортных средств (быстрые и медленные, маленькие и большие).

Разницы между компьютерными шинами можно разделить на следующие категории:

  • Ширина данных
  • Скорость цикла
  • Управление устройствами
  • Тип

В спецификации управления устройствами указано максимальное количество поддерживаемых устройств и сложность их настройки. Существует два типа связи по шине: последовательная и параллельная. На параллельной шине все устройства имеют собственный интерфейс к шине, что является нормой. Последовательные устройства связаны вместе, ну, в серии; последний должен говорить «сквозь» первого. Это может вызвать очевидные проблемы с производительностью. Эти шины обычно используются в условиях, когда скорость передачи данных не является критической.

Передняя шина (FSB)
Передняя шина — это интерфейс между ЦП и материнской платой, в частности, северным мостом/концентратором контроллера памяти. Подробнее о FSB, используемых Intel и AMD, см. ниже. Дополнительную информацию по этому вопросу см. в моем ежедневном обзоре «Чипсеты для материнских плат — хорошие, плохие и уродливые».

Фронтальная шина Intel GTL+
На самом простом уровне шина Intel GTL+ FSB обеспечивает единое подключение к северному мосту, совместно используемому всеми ЦП. В системе с двумя процессорами доступная полоса пропускания уменьшается вдвое, а для платы с четырьмя процессорами — в четыре раза. Кто-то обязательно укажет на тот факт, что процессорам практически никогда не требуется полная пропускная способность шины. Совершенно верно. К сожалению, поскольку шина находится в ситуации «все или ничего», процессоры должны чередоваться. (Здравствуйте, мистер Латенси, не могли бы вы присесть и поболтать, пока мы ждем прибытия автобуса?) Проблема еще хуже в современном мире процессоров с тактовой частотой 800 МГц, работающих на памяти с частотой 133 МГц, где даже один процессор имеет ожидать запроса данных до шести циклов процессора. Представьте, что сервер с четырьмя процессорами используется для чего-то другого, кроме шоу; если приложение недостаточно умно, чтобы заполнить этот кеш L1, или — не дай Бог — ваш кеш L1 слишком мал, чтобы продержаться столько времени, у вас будут простаивать процессоры. Таким образом, вы можете использовать меньшее количество процессоров или более медленные процессоры и сэкономить немного денег. Вот почему только процессоры Intel Xeon с объемом кэш-памяти L1 в восемь раз больше, чем у Pentium III, можно использовать в системах с более чем двумя процессорами.

Фронтальная шина AMD EV-6
Система FSB EV-6 больше похожа на сетевой коммутатор, чем на шину, поскольку каждый процессор полностью подключен к северному мосту, работающему на эффективной частоте 200 МГц; На 50 процентов быстрее, чем 133-мегагерцовая FSB Intel. Между попроцессорными соединениями с северным мостом и этой высокоскоростной шиной EV-6 является отличной многопроцессорной шиной. Естественно, общая эффективная пропускная способность ЦП не может превышать пропускную способность, доступную для других объединенных интерфейсов, но, в отличие от шины GTL+, один ЦП может обращаться к периферийным устройствам на шине PCI, а другой - к памяти.

Конечно, шина EV-6 не является чем-то новым для компьютерного мира, поскольку она была одним из видов оружия Alpha в серверных войнах. Это также является академическим до тех пор, пока AMD не выпустит многопроцессорную версию набора микросхем 760 в конце декабря 2000 года.

Шины памяти
Шина памяти — это интерфейс между оперативной памятью и материнской платой. Поскольку для каждого варианта требуется свой тип контроллера, лишь немногие материнские платы поддерживают более одного типа памяти. Было много форм памяти, которые сейчас считаются устаревшими. Текущие типы обсуждаются ниже.

DDR-SDRAM (синхронная динамическая оперативная память с удвоенной скоростью передачи данных)
Предстоящая замена SDRAM представляет собой в основном тот же продукт, но работает дважды за такт. Ожидается, что сначала будут представлены два класса: 2x 100-МГц PC1600 (1,6 Гбит/с) и 2x 133-МГц PC2100 (2,1 Гбит/с). DDR-SDRAM всего на 10-20% дороже традиционной SDRAM и обеспечивает более высокую производительность, чем одноканальная RDRAM. В настоящее время разрабатывается 2x 200-МГц PC3200 (3,2 Гбит/с), который обеспечит такой же уровень производительности, как и двухканальная RDRAM, при использовании только одного модуля памяти.

RDRAM (динамическая оперативная память Rambus)
Rambus — это проприетарная архитектура памяти, рекламируемая Intel. Он имеет последовательный формат памяти с очень узким 16-битным интерфейсом, но работает очень быстро на частоте 800 МГц на шине 400 МГц типа DDR, что обеспечивает пропускную способность 1,6 Гбит/с. Двухканальная система RDRAM используется на нескольких редких системах рабочих станций: она имеет два контроллера RDRAM для пропускной способности 3,2 Гбит/с, но требует установки RDRAM парами.

RDRAM в несколько раз дороже SDRAM и обеспечивает повышенную задержку. Вскоре DDR-SDRAM бросит ей вызов на рынке как по цене, так и по производительности.

SDRAM (синхронная динамическая оперативная память)
SDRAM — это стандартный формат памяти для большинства компьютеров, представленных на рынке. Эта 64-разрядная память бывает трех классов: PC66 (66 МГц или 528 МБ/с), PC100 (100 МГц или 800 МБ/с) и PC133 (133 МГц или 1,06 ГБ/с). PC66 использовался на ранних процессорах Intel Pentium II и на всех ПК Intel Celeron. PC100 используется на подавляющем большинстве процессоров Intel Pentium II и Pentium III. PC133 является предпочтительной памятью для всех процессоров AMD Athlon и Duron, а также новейших систем Pentium III.

VCM (память виртуального канала)
Это подмножество SDRAM представляет собой вариант с малой задержкой, обеспечивающий повышенную производительность. Он работает на частоте 133 МГц и имеет ту же пропускную способность 1 ГБ, что и PC133 SDRAM, но сокращает задержку примерно на 10 наносекунд по сравнению с обычной задержкой SDRAM в 40 наносекунд. Он делает это с помощью специальных «быстрых» регистров, которые отслеживают страницы памяти. Эти регистры обеспечивают быструю связь или канал с памятью, используемой приложением. VCM на самом деле лучше работает для сложных приложений, таких как игры и базы данных, которые имеют память, охватывающую несколько банков памяти.

VCM поддерживается на некоторых материнских платах Pentium II, Pentium III и Athlon, но его очень сложно приобрести. Низкие объемы производства привели к тому, что цены не соответствовали производительности по сравнению со стандартным PC133. Материнские платы, поддерживающие VCM, могут использовать его или стандартную SDRAM.

Высокоскоростные шины ввода-вывода
Теперь давайте рассмотрим высокоскоростные шины ввода-вывода.

AGP/Pro (Advanced Graphics Port)
Этот интерфейс представляет собой 32-разрядную систему, основанную на стандарте PCI версии 2.1. Первоначальная версия 1x работала на частоте 66 МГц со скоростью 266 МБ/с с возможностью прямого доступа к памяти, которой не было у PCI. Вариант 2x — это система с удвоенной скоростью передачи данных, которая передает данные дважды за такт на рабочей частоте 133 МГц (532 МБ/с).

4x снова удваивает пропускную способность до 1066 МБ/с и имеет дополнительные функции доступа к памяти. Пропускная способность AGP 4x превышает возможности SDRAM, поэтому большинство улучшений имеют ограниченное применение в системах, где в настоящее время не используется Rambus RDRAM (1,6 Гбит/с) или грядущая память DDR с удвоенной скоростью передачи данных (2,1 Гбит/с).

Pro – это четырехкратный вариант, который включает в себя дополнительные провода питания для работы с современными видеокартами с большим числом транзисторов. Стандартные слоты AGP обеспечивают мощность до 25 Вт, что намного меньше, чем максимально доступные 110 Вт для AGP Pro.

Порт AGP обычно представляет собой порт темного цвета, напоминающий слот PCI. Он расположен дальше от края материнской платы, чем слоты PCI, и на большинстве плат расположен рядом с блоком питания и процессором.

EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics)
Жесткие диски IDE содержат контроллер устройства, установленный на диске. Это результат совместной работы компаний Compaq и Western Digital в 1986 году с целью разработки дешевого диска с хорошей производительностью. Было решено ограничить количество контактов и длину кабеля, так как это было предназначено для младших систем, которым не требовалось бы большое количество внутренних устройств.

Поскольку у каждого устройства есть собственный контроллер, в каждой цепочке могут быть только два устройства, чтобы избежать чрезмерных помех. Современные хост-адаптеры IDE могут работать с двумя цепочками, в каждой из которых есть ведущий и подчиненный. Ведущее устройство может прервать работу ведомого устройства в любое время, что делает неприемлемым использование основного системного диска или чувствительных устройств, таких как CD-R, CD-RW и ленточные накопители, в качестве ведомых. Максимум четыре устройства на контроллер (две цепочки по два устройства в каждой) ограничивают количество устройств, которые может обрабатывать система IDE.

Встроенные хост-адаптеры IDE текущего поколения требуют определенного управления со стороны процессора компьютера, что создает нагрузку на систему.Различные реализации протоколов прямого доступа к памяти (DMA) помогли передавать данные в оперативную память компьютера с устройств с меньшим управлением со стороны процессора. Скорость передачи увеличилась в соответствии со спецификацией ATA-2 с 11,1 МБ/с до 16,66 МБ/с — значительное увеличение, но все же узкое место для ПК. Начиная с ATA-2 (также известного как Fast ATA), улучшенный интерфейс стал называться EIDE, а не IDE.

В 1996 году в спецификации ATA/33 использовались новейшие технологии прямого доступа к памяти для достижения скорости передачи 33 МБ/с. Также известный как Ultra DMA или UDMA/33, он был полностью обратно совместим с предыдущими устройствами и стал стандартом для жестких дисков ПК.

В 1999 году был представлен улучшенный формат ATA/66. В системе 66 Мбит/с используется 40-контактный кабель с разъемом, аналогичным предыдущим форматам IDE, но для обеспечения передачи сигналов используется 80 проводников. Для работы со скоростью 66 МБ/с на канале могут существовать только устройства ATA/66. Контроллер по-прежнему может работать с более ранними устройствами IDE, но наличие устройств, отличных от ATA/66, вынуждает канал снижать скорость до ATA/33. ATA/66 получил широкое распространение и является стандартным для многих новых компьютеров.

Ранее в этом году был представлен интерфейс ATA/100. Первоначальные продукты иногда назывались ATA/66+. Он продолжает использование 80-жильного кабеля и обеспечивает скорость передачи до 100 МБ/с. Устройства IDE довольно недороги, и благодаря улучшенным функциям прямого доступа к памяти они не так сильно влияют на производительность системы, как раньше. Диски IDE можно использовать в конфигурации RAID с ограничением в четыре диска, определяемым картами контроллера. Достаточно сложный контроллер может управлять несколькими каналами IDE для большего количества дисков.

Позже ISA была расширена до 32-битной шины, работающей на частоте 8 МГц (32 МБ/с), и переименована в шину расширенной отраслевой архитектуры (EISA). Устройства ISA будут работать на материнской плате EISA для обеспечения совместимости. EISA добавила больше каналов ввода-вывода и доступа к памяти, разрешила совместное использование IRQ и включила программное обеспечение для настройки карт.

Устройства EISA подключаются непосредственно к материнской плате с помощью длинных разъемов, как правило, темного цвета, расположенных на самом дальнем краю платы. ISA уже несколько лет устарела, а EISA постепенно вымирает. Современные материнские платы имеют не более одного-трех слотов EISA. Большое количество материнских плат полностью лишено поддержки EISA.

FireWire/IEEE 1394
Разработанный Apple и ратифицированный IEEE (подгруппа ANSI, организация, которая также ратифицирует SCSI и IDE), FireWire — это высокоскоростной интерфейс с возможностью горячей замены, поддерживающий до 63 устройства со скоростью передачи данных 50 Мбит/с. Он не получил широкого распространения, поскольку конкурирует с SCSI, хорошо зарекомендовавшим себя интерфейсом. Поскольку это высокопроизводительный дизайн для портативных устройств, он страдает от низких начальных объемов продаж, что не позволяет ему конкурировать со SCSI по достоинству цены, как это может сделать IDE.

PC-Card/PCMCIA (Международная ассоциация карт памяти для персональных компьютеров)
Группа PCMCIA, определяющая этот стандарт, изначально обозначала устройства как карты PCMCIA. Большинство людей называли их картами для ноутбуков или теми картами для ПК, что вынуждало устройства называться картами для ПК, а шину просто CardBus.

Существует три типа PC-Card, все они немного больше кредитной карты. Тип 1 имеет высоту всего 3,3 мм и обычно подходит только для устройств памяти. Карты типа 2 высотой 5 мм достаточно велики для поддержки модемов, сетевых карт и других интерфейсных устройств. Большие 10-мм карты Type 3 подходят для жестких дисков и других больших устройств хранения данных.

Скорость передачи данных варьируется от 4 МБ/с для самой медленной передачи 16-битных данных до 132 МБ/с для самой быстрой 32-битной передачи в зависимости от устройства.

PCI (межсоединение периферийных компонентов)
PCI заменил EISA в качестве системной шины компьютеров ПК. Он включает в себя микросхему Bridge, которая позволяет другим типам процессоров взаимодействовать с ним. В результате PCI является стандартной шиной на ПК, а также на машинах Macintosh, Sun и Alpha. Настольный вариант PCI представляет собой 32-битную шину, работающую на частоте 33 МГц (133 МБ/с). Стандарт PCI поддерживает 64-разрядный (266 МБ/с) вариант. Однако в настоящее время этот формат используется только производителями рабочих станций и серверов, такими как Sun или Compaq/DEC. Текущий план состоит в том, чтобы PCI отказалась от давно предложенного ПК с частотой 66 МГц и превратилась в PCI X (расширенную), версию с частотой 133 МГц (532 МБ/с) с практически теми же функциями, но с утроенной пропускной способностью.

PCI предназначен для поддержки Plug and Play с использованием программного обеспечения для настройки плат, такого как EISA. Он также поддерживает гораздо большее количество адресов ввода-вывода и памяти и использует лучший прямой доступ к памяти, чем EISA. PCI управляется шиной, что означает, что все устройства могут взаимодействовать друг с другом без вмешательства ЦП, что повышает производительность системы.

Слоты PCI белого цвета и намного короче, чем слоты EISA. Большинство плат имеют от трех до пяти разъемов PCI.

SCSI (интерфейс малых компьютеров)
Высокопроизводительный интерфейс устройств, SCSI был представлен в середине 1980-х годов, чтобы конкурировать с ныне устаревшим интерфейсом устройств ESDI. SCSI предназначался для ПК, Apple Macintosh, рабочих станций UNIX и миникомпьютеров, но не для мейнфреймов, отсюда и название «маленький». SCSI с самого начала разрабатывался для поддержки не только жестких дисков, но и сканеров, оптических дисководов и других устройств с большой емкостью и высокой пропускной способностью, которые не обязательно устанавливаются внутри компьютера.

USB (универсальная последовательная шина)
USB поддерживает до 128 устройств. Устройства поддерживают горячую замену, то есть их можно добавлять и удалять во время работы компьютера. Таким образом, эта шина очень удобна для портативных устройств. USB обеспечивает питание устройств через интерфейс, что позволяет использовать сверхлегкие и удобные аксессуары без кабелей или шнуров питания. Источник питания ограничен, но концентратор с питанием или другое устройство с автономным питанием увеличит возможное количество устройств с питанием от шины.

Общая пропускная способность USB составляет 1,5 МБ/с; эта полоса пропускания распределяется между всеми устройствами на контроллере. Поскольку это последовательная шина, USB-устройства подключаются последовательно. USB поддерживает концентраторы, которые могут подключать несколько устройств, что сокращает количество устройств между контроллером и концом линии, но, поскольку каждый концентратор считается устройством, это решение уменьшает общее количество поддерживаемых устройств. Конечно, из-за низкой пропускной способности USB невозможно использовать все 128 устройств.

USB 2.0 уже некоторое время находится в разработке и должен быть шиной со скоростью 60 МБ/с. Этой пропускной способности достаточно для работы с жестким диском, 100-мегабитным Ethernet или системой видеозахвата, при этом остается много накладных расходов для мышей, клавиатур и других высокосрочных устройств.

Низкоскоростные шины ввода-вывода
В следующих разделах рассматриваются низкоскоростные шины ввода-вывода.

Параллельный порт
Этот 25-контактный порт должен быть знаком каждому, у кого есть принтер или Zip-накопитель. Первоначально максимальная скорость передачи составляла 115 Кбит/с, что подходило для линейных принтеров и устройств 1980-х годов. Затем появилась улучшенная логика управления ECP/EPP, которая повысила скорость передачи до 3 МБ/с, что было необходимо для поддержки высокоскоростных графических принтеров.

Параллельный порт технически является интерфейсом, а не шиной, но из-за недавнего распространения «сквозных» устройств, таких как Zip-накопители, которые допускают работу шины последовательного типа, он включен в этот раздел. Параллельный интерфейс по-прежнему является наиболее широко поддерживаемым интерфейсом для внешних устройств с высокой пропускной способностью на рынке, и, вероятно, он будет существовать еще много лет.

Порт PS/2
IBM представила знакомый круглый порт PS/2 для подключения клавиатур и мышей. Это интерфейс со сверхнизкой пропускной способностью, который останется стандартом до тех пор, пока операционные системы не смогут надежно поддерживать USB-клавиатуры и мыши.

Последовательный порт
Этот 15-контактный порт со скоростью 115 Кбит/с в настоящее время используется в основном для модемов и персональных цифровых помощников. Когда-то он был основным портом для мышей, но был вытеснен портом PS/2. Практически все компьютеры имеют последовательный порт на задней панели. Как и параллельные порты, последовательный порт технически является интерфейсом, а не шиной. Однако из-за недавнего распространения «сквозных» устройств, таких как КПК, которые допускают работу с последовательной шиной, она также включена в этот раздел.

Специальные разъемы для материнской платы
Теперь давайте рассмотрим другие типы разъемов для материнской платы.

ACR (Audio Communication Riser)
Подступенки названы так потому, что они возвышаются над материнской платой параллельно или перпендикулярно ей. Аппаратный стандарт ACR является попыткой заменить плохо принимаемые форматы AMR (Audio Modem Riser) и CNR (Communication Network Riser). Интерфейс представляет собой порт PCI, но с другими выводами, и он совместим со старой системой AMR. Он идентичен слоту PCI и обычно располагается под углом к ​​другим слотам на материнской плате.

AMR (Audio Modem Riser)
Этот порт расширения, разработанный Intel, предназначен для массовых производителей, которые могут использовать его для добавления модема или звуковой карты, большая часть вычислительной мощности которых зависит от процессора. Это очень маленький слот; около половины длины слота PCI. AMR заменяется CNR.

CNR (Communication Network Riser)
Порты расширения CNR предназначены для использования крупными производителями для встраивания в материнскую плату недорогой сетевой карты, модема или звуковой карты, большая часть работы которых зависит от ЦП. вычислительная мощность. В стояке используется очень короткий паз; вдвое короче слота PCI. CNR заменяет AMR.

Заключение
Новые разработки в области скоростей шины устраняют узкие места в системе, позволяя устройствам не отставать от более быстрых процессоров. Имейте в виду информацию в этом ежедневном обзоре, и вы сможете определить, какие автобусы соответствуют вашим потребностям, а какие скоро устареют.
Авторы и редакторы позаботились о подготовке содержания, содержащегося в данном документе, но не дают никаких явных или подразумеваемых гарантий любого рода и не несут ответственности за ошибки или упущения. Мы не несем никакой ответственности за любой ущерб. Всегда имейте проверенную резервную копию, прежде чем вносить какие-либо изменения.

Процессор обменивается данными с окружающими его устройствами через серию электрических соединений или линий. Автобусы представляют собой группы этих линий с аналогичной функцией. Наиболее распространенные типы шин, идущих к процессору и от него, используются для адресации устройств; для отправки и получения данных с устройств; и для передачи управляющей информации, такой как инициализация и характеристики конкретного устройства. Таким образом, можно сказать, что основной способ связи устройства с процессором (и наоборот) — через адресную шину, шину данных и шину управления.

Основная функция процессора в системе – получение и выполнение инструкций. Эти инструкции вместе называются компьютерной программой или программным обеспечением. Программа находится в устройстве (или группе устройств), известном как память. Процессор подключается к памяти через адресную шину, шину данных и шину управления. При выполнении программы процессор выбирает место инструкции в памяти по шине адреса и передает (выбирает) команду по шине данных. Шина управления определяет направление (в процессор или из процессора) и тип (в данном случае память) передачи. Путаницу в этой терминологии, возможно, усугубляет то, что когда мы говорим о какой-то конкретной шине, например о внешней шине или шине PCI , мы подразумеваем вместе все шины адреса, данных и управления.

Для запуска программного обеспечения в системе требуется широкий набор периферийных устройств. Последние компьютерные системы имеют два основных периферийных устройства (также называемых контроллерами), которые называются северным мостом и южным мостом. Традиционно термин мост описывает аппаратное устройство, соединяющее две шины. На рис. 5.1 показано, как северный и южный мосты соединяют другие устройства. В совокупности эти контроллеры составляют набор микросхем системы.

Рисунок 5.1. Старый Intel

Северный мост соединяет высокоскоростные и высокопроизводительные периферийные устройства, такие как контроллер памяти и контроллер PCI. Хотя существуют конструкции наборов микросхем с графическими контроллерами, встроенными в северный мост, самые последние разработки включают высокопроизводительную шину, такую ​​как Accelerated Graphics Port (AGP) или PCI Express, для связи с выделенным графическим адаптером. Для достижения высокой скорости и хорошей производительности северный мост соединяет переднюю шину [1] с, в зависимости от конкретной конструкции чипсета, шиной PCI и/или шиной памяти.

[1] В некоторых системах PowerPC эквивалент внешней шины известен как локальная шина процессора.

Южный мост, который подключается к северному мосту, также подключен к комбинации устройств с низкой производительностью. Например, Intel PIIX4 имеет свой южный мост, подключенный к мосту PCI-ISA, контроллеру IDE, USB, часам реального времени, двойному контроллеру прерываний 82C59 (который рассматривается в главе 3 «Процессы: основная модель»). выполнения"), таймер 82C54, два контроллера прямого доступа к памяти 82C37 и поддержка I/O APIC.

В первых персональных компьютерах на базе архитектуры x86 связь с основными периферийными устройствами, такими как клавиатура, последовательный и параллельный порты, осуществлялась по шине ввода-вывода . Шина ввода/вывода является разновидностью шины управления. Шина ввода-вывода — это относительно медленный способ связи, который управляет периферийными устройствами. Архитектура x86 имеет специальные инструкции ввода-вывода, такие как inb (чтение байта) и outb (запись байта), которые взаимодействуют через шину ввода-вывода. Шина ввода-вывода реализована путем совместного использования адреса процессора и линий данных. Линии управления, активируемые только при использовании специальных инструкций ввода-вывода, предотвращали путаницу устройств ввода-вывода с памятью. Архитектура PowerPC имеет другой метод управления периферийными устройствами; он известен как ввод-вывод с отображением памяти. При вводе-выводе с отображением памяти устройствам назначаются области адресного пространства для связи и управления.

Например, в архитектуре x86 первый регистр данных параллельного порта расположен в порту ввода-вывода 0x378, тогда как в PPC, в зависимости от реализации, он может находиться в ячейке памяти 0xf0000300. Чтобы прочитать первый регистр данных параллельного порта в x86, мы выполняем инструкцию ассемблера in al, 0x378. В этом случае мы активируем линию управления к контроллеру параллельного порта. Это указывает шине, что 0x378 — это не адрес памяти, а порт ввода-вывода. Чтобы прочитать первый регистр данных параллельного порта в PPC, мы выполняем ассемблерную инструкцию lbz r3, 0(0xf0000300).Контроллер параллельного порта наблюдает за адресной шиной [2] и отвечает только на запросы определенного диапазона адресов, под который попадает 0xf0000300.

[2] Наблюдение за адресной шиной также называется декодированием адресной шины.

По мере развития персональных компьютеров все больше дискретных устройств ввода-вывода объединялось в единые интегральные схемы, называемые чипами Superio. Функция Superio часто дополнительно объединяется в микросхеме южного моста (как в ALI M1543C). В качестве примера типичной функциональности дискретного устройства Superio рассмотрим SMSC FDC37C932. Он включает в себя контроллер клавиатуры, часы реального времени, устройство управления питанием, контроллер гибких дисков, контроллеры последовательных портов, параллельные порты, интерфейс IDE и ввод-вывод общего назначения. Другие микросхемы южного моста содержат встроенные контроллеры LAN, контроллеры PCI Express, аудиоконтроллеры и т. п.

В новой системной архитектуре Intel используется концепция концентраторов. Северный мост теперь известен как концентратор контроллера графики и памяти (GMCH). Он поддерживает высокопроизводительный контроллер памяти AGP и DDR. С PCI Express наборы микросхем Intel переходят на концентратор контроллера памяти (MCH) для графики и контроллер памяти DDR2. Южный мост известен как концентратор контроллера ввода-вывода (ICH). Эти концентраторы подключаются через фирменную двухточечную шину, называемую архитектурой концентратора Intel (IHA). Дополнительные сведения см. в технических описаниях наборов микросхем Intel для 865G [3] и 925XE. [4] Рисунок 5.2 иллюстрирует ICH.

Рисунок 5.2. Новый центр Intel

AMD перешла от прежнего стиля Intel с северным/южным мостом к пакетной технологии HyperTransport между основными компонентами набора микросхем. Для операционной системы HyperTransport совместим с PCI. [5] См. технические описания наборов микросхем AMD для наборов микросхем серии 8000. На рис. 5.3 показана технология HyperTransport.

Рисунок 5.3. AMD HyperTransport

Компания Apple, использующая PowerPC, разработала собственную разработку под названием Universal Motherboard Architecture (UMA). Цель UMA — использовать один и тот же набор микросхем во всех системах Mac.

Набор микросхем G4 включает в себя «контроллер памяти UniNorth и мост шины PCI» в качестве северного моста и «контроллер ввода-вывода Key Largo и дискового устройства» в качестве южного моста. UniNorth поддерживает SDRAM, Ethernet и AGP. Южный мост Key Largo, подключенный к UniNorth с помощью моста PCI-to-PCI, поддерживает шины ATA, USB, беспроводную локальную сеть (WLAN) и звук.

Набор микросхем G5 включает в себя специализированную интегральную схему системного контроллера (ASIC), которая поддерживает память AGP и DDR. К системному контроллеру через шину HyperTransport подключены контроллер PCI-X и высокопроизводительное устройство ввода-вывода. Дополнительные сведения об этой архитектуре см. на страницах разработчиков Apple.

Получив этот краткий обзор базовой архитектуры системы, мы теперь можем сосредоточиться на интерфейсе для этих устройств, предоставляемом ядром. В главе 1 «Обзор» упоминалось, что устройства представлены в виде файлов в файловой системе. Права доступа к файлам, режимы и системные вызовы, связанные с файловой системой, такие как open() или read(), применяются к этим специальным файлам так же, как и к обычным файлам. Значение каждого вызова зависит от обрабатываемого устройства и настраивается для обработки каждого типа устройства. Таким образом, детали работы с устройством становятся прозрачными для разработчика приложения и скрыты в ядре. Достаточно сказать, что когда процесс применяет один из системных вызовов к файлу устройства, он транслируется в некую функцию обработки устройства. Эти функции обработки определены в драйвере устройства. Теперь рассмотрим типы устройств.

Исследуйте мир информатики

Компьютерная шина

Шина данных | Адресная шина | Шина управления

Автобусная архитектура | Ширина шины | Скорость автобуса

Введение в компьютерную шину

Компьютерная шина — это коммуникационный канал, используемый в компьютерной системе для отправки данных, адресов, управляющих сигналов и питания различным компонентам компьютерной системы.

Компьютерные шины используются для подключения различных аппаратных компонентов, являющихся частью компьютерной системы.

Проще говоря, компьютерные шины — это электрические провода, соединяющие различные аппаратные компоненты в компьютерной системе. По компьютерной шине передаются данные , управляющие сигналы , адреса памяти и подается питание на эти компоненты.

Компьютерная система использует различные типы шин, такие как шина данных, шина адреса и шина управления.

Что такое компьютерная шина?

В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое компьютерные шины , архитектуру системной шины компьютера , типы шин , технические характеристики и функции компьютерных шин.

Компьютерная шина

Оглавление

Что такое компьютерная шина?

Что такое шина данных?

Что такое адресная шина?

Функции компьютерной шины

Архитектура шины материнской платы

Типы компьютерных шин

Что такое шина управления?

Что такое системная шина?

Ширина и скорость шины

Что такое шина расширения?

Что такое компьютерная шина?

Компьютерная система состоит из ряда внутренних и внешних компонентов. Эти компоненты физически взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом через сеть проводов, проходящих через компьютерную систему.

Эти провода называются компьютерными шинами . Шины необходимы для функционирования компьютерной системы.

Компьютерные шины могут быть в виде проводных кабелей или электрических проводов, встроенных в печатную плату материнской платы компьютера (печатную плату), видимую на задней стороне материнской платы.

Для специалистов в области компьютерных наук важно изучить архитектуру шины компьютерной системы, технические характеристики этих шин, такие как ширина и скорость шины, а также их общее влияние на производительность системы.

Шина – это общий канал связи, используемый в компьютерной системе, по которому информация передается от одного компонента компьютера к другому.

Система компьютерных шин – это сеть шин, которые физически соединяют все компоненты проводами (фактические провода шины ИЛИ провода цепи на материнской плате).

Система шин состоит из различных типов шин в зависимости от подключаемых компонентов и функций, назначенных шине.

Шина может состоять из набора проводов, сгруппированных вместе в виде соединительных проводов или печатных плат, по которым передаются данные и другие команды (инструкции) от ЦП к памяти и к различным другим компонентам, подключенным к системе.

Производительность шины является важным параметром для доступа к производительности компьютерной системы. Ширина и скорость шины влияют на производительность системы.

Кабельные шины

Шины материнской платы

Шина данных является двунаправленной и может передавать данные в обоих направлениях по шине данных. Например, ЦП может отправлять данные для сохранения в ОЗУ.

Аналогичным образом ЦП также может выполнять операцию выборки для извлечения данных из определенного места в памяти.

Компьютерная шина

Типы компьютерных шин

Система компьютерных шин использует разные типы шин в зависимости от назначения и функции шины.

Шины компьютерной системы можно классифицировать на основе ряда факторов. Эти факторы включают:

  • Подключаемые компоненты . (ЦП, ОЗУ, устройства ввода и вывода).
  • Тип передаваемых данных (данные, адрес, управляющие сигналы).
  • Расположение компонентов (внутренняя шина и внешняя шина).
  • Подключение к набору микросхем ЦП (через северный или южный мост)

Типы шины для передаваемых данных

Системные шины компьютера можно классифицировать по типу передаваемых данных следующим образом:

<р>1. Шина данных , 2. Адресная шина , 3. Шина управления.

Типы компьютерных шин

Типы шин в зависимости от подключаемых компонентов

Системные шины компьютера можно классифицировать по типу подключаемых компонентов следующим образом:

<р>1. Системная шина , 2. Шина расширения , 3. Входная и выходная шины.

Типы шин в зависимости от расположения компонентов

Системные шины компьютера можно классифицировать на основе расположения подключаемого компонента следующим образом:

<р>1. Внутренняя шина , 2. Внешняя шина

Компьютерная шина

Шина данных

В компьютерной архитектуре шина данных представляет собой проводное соединение, предназначенное для передачи данных между ЦП, периферийными устройствами и другими аппаратными компонентами. Шина данных является частью системной шины в дополнение к шине адреса и шине управления.

Шина данных имеет множество различных характеристик, но одной из наиболее важных характеристик является ширина шины. Под шириной шины данных понимается количество битов (электрических проводов), которые шина может передавать одновременно.

Например, 16-битная шина данных может одновременно передавать 16 бит данных между ЦП и системным компонентом, таким как основная память RAM (оперативное запоминающее устройство).

Общая ширина шины данных включает 8 бит, 16 бит, 32 бит и 64 бит. Чем шире ширина шины , тем быстрее будет поток данных по шине данных и, следовательно, будет выше производительность системы.

Автобусная архитектура

Автобусная архитектура

Компьютерная шина

Шина управления

ЦП (микропроцессор) содержит блок управления, который управляет работой всех других компонентов, подключенных к компьютерной системе. Шина управления используется для передачи сигналов управления от одного компонента к другому.

Шина управления — это компьютерная шина, которая используется ЦП для связи с устройствами, подключенными к компьютерной системе. Эти устройства соединяются с помощью кабелей и печатной платы, такой как материнская плата.

Шина управления является частью системной шины в дополнение к шине данных и адресной шине.

Шины материнской платы

Шины материнской платы

Центральный процессор ( ЦП ) передает различные типы управляющих сигналов компонентам системы. Устройства также взаимодействуют с ЦП, передавая управляющие сигналы по шине управления.

Шина управления является двунаправленной и помогает ЦП синхронизировать управляющие сигналы с внутренними компонентами и внешними устройствами, подключенными к системе.

Шина управления передает управляющие сигналы, такие как сигнал прерывания устройства, сигнал разрешения байта, сигналы чтения или записи в память и сигналы состояния.

Шина управления

Как работает процессор?

Адресная шина

Что такое адресная шина?

Компьютерная программа состоит из ряда программных инструкций. Эти инструкции предписывают ЦП выполнить желаемую операцию.

Операционная система загружает инструкции программы и данные в основную память. ЦП выполняет программные инструкции одну за другой, извлекая программные инструкции из основной памяти RAM (оперативное запоминающее устройство).

Чтобы выполнить операцию чтения или записи памяти из ОЗУ основной памяти, ЦП отправляет сигнал управления чтением или записью по шине управления и адрес ячейки памяти по «адресной шине», откуда должна выполняться операция. выполняться .

Адресная шина является частью «системной шины» наряду с шиной данных и шиной управления, которые мы обсуждали.

Системная шина

Что такое системная шина?

Системная шина — это основная шина, которая содержит шину данных, адресную шину и шину управления.

Системная шина в компьютерной системе соединяет ряд жизненно важных внутренних аппаратных компонентов, размещенных на материнской плате.

Эти аппаратные компоненты в основном включают ЦП, материнскую плату, внутренние дополнительные карты, такие как графическая карта, звуковая карта, сетевая карта, ОЗУ (основная память) и внутренний жесткий диск.

Системная шина — это набор параллельных проводов, которые соединяют два или более независимых основных внутренних компонента компьютерной системы. По системной шине передаются данные, адреса памяти и команды управления устройством.

Компьютерная шина

Функции компьютерной шины

Каковы функции компьютерной шины?

Система компьютерных шин использует различные типы шин. Каждая из этих шин предназначена для передачи определенного типа сигналов и данных в зависимости от ее функции.

  1. Обмен данными.
  2. Адресация
  3. Сигналы управления
  4. Подача питания на компоненты.
  5. Общий доступ к системному времени.

Компьютерная шина

Внутренняя шина

Внутренние шины соединяют различные компоненты внутренней системы, такие как микропроцессор (ЦП), ОЗУ (основная память), набор микросхем (северный мост и южный мост) и дисковая память (жесткий диск).

Внешняя шина

Внешняя шина соединяет различные внешние компоненты системы, такие как монитор, клавиатура, принтер, внешний жесткий диск и другие компоненты, подключенные к системе извне.

Системная шина

Системная шина соединяет наиболее важные внутренние компоненты системы, такие как микропроцессор (ЦП) и оперативную память основной системы. Системная шина также называется FSB (Front Side Bus) или шиной памяти. Он состоит из шины данных, адресной шины и шины управления.

Шина расширения

Шина расширения соединяет наиболее важные внутренние системные компоненты, такие как микропроцессор (ЦП) и слоты PCI ИЛИ PCI Express на материнской плате.

Разъемы PCI и PCI Express используются для подключения дополнительных карт, таких как графическая карта и звуковая карта. Эти карты устанавливаются для повышения производительности системы.

Шина ввода и вывода

Шина ввода и вывода соединяет наиболее важные внутренние компоненты системы, такие как микропроцессор ( ЦП ) , оперативную память основной системы и устройства ввода / вывода через южный мост контроллера ввода и вывода .

Компьютерная шина и производительность системы

Ширина и скорость шины компьютера

Шина — это информационная магистраль, по которой течет информация, и чем шире шина, тем больше информации может проходить по каналу.

Поэтому совместимая ширина и скорость шины важны для оптимальной работы двух наиболее важных системных компонентов, включая центральный процессор (ЦП) и основную системную память RAM.

Это похоже на более широкое шоссе с несколькими полосами движения, по которому может проехать больше автомобилей из-за большего количества полос, доступных для движения . тогда как по однополосной дороге может проехать меньше автомобилей, чем по многополосной.

Компьютерная система на аппаратном уровне понимает только двоичные 0 (ноль) и 1 (единица). И поэтому все компьютерные программы скомпилированы для преобразования в машинный код инструкций в двоичном формате, которые ЦП компьютера может декодировать и выполнять.

Шина состоит из группы кабелей, и каждый из этих кабелей может одновременно передавать 1 бит (двоичный 0 ИЛИ 1). Таким образом, шина состоит из группы кабелей, поэтому по этим шинам одновременно может передаваться группа битов.

Почему компьютерная шина использует двоичный код?

Ширина шины

Что такое ширина шины?

Размер шины измеряется количеством битов, которые она может передавать за один раз. Каждый провод может передавать один бит, таким образом большее количество проводов в шине может передавать большее количество битов за раз. Это количество проводов в шине называется шириной шины.

Ширина шины является важным показателем, поскольку она определяет, сколько данных может быть передано за один раз. Например, 16-битная шина может передавать 16 бит данных, а 32-битная шина может передавать 32 бита данных за раз.

Шина состоит из группы кабелей, и каждый из этих кабелей может одновременно передавать 1 бит (двоичный 0 ИЛИ 1). Таким образом, шина состоит из группы кабелей, так что по шине может быть отправлена ​​группа битов.

Это похоже на более широкое шоссе с несколькими полосами движения, по которому может проехать больше автомобилей из-за большего количества полос, доступных для движения.

На материнской плате компьютера передняя шина представляет собой коммуникационный интерфейс, который соединяет центральный процессор с системной памятью и другими компонентами, такими как периферийные устройства, передавая данные туда и обратно между ЦП и другими компонентами.

Передняя шина связывает память компьютера и жесткий диск с главным центральным процессором.

Что делает передний автобус?

FSB обеспечивает связь между компонентами компьютера через набор микросхем. В компьютерах на базе процессоров Intel набор микросхем имеет северный мост (концентратор контроллера памяти) и южный мост (концентратор контроллера ввода-вывода).

Материнская плата с некоторыми разъемами.

Северный мост обычно подключается к слотам памяти, а также к видеокарте через высокоскоростную графическую шину (например, порт ускоренной графики). Южный мост обрабатывает соединения с периферийными устройствами через шину, такую ​​как Interconnect Peripheral Component Interconnect. Скорость FSB обычно определяет скорость вторичных системных шин.

BSB может обеспечить более эффективное соединение между ЦП и кэш-памятью.

Интересные факты

  • В компьютере шина облегчает двунаправленную передачу данных между компонентами.
  • Терминология шин различается в зависимости от производителя. Intel производит FSB, тогда как AMD предлагает шины EV6.
  • Термины системная шина, шина памяти и шина процессора могут относиться к FSB.
  • В большинстве современных компьютеров архитектура FSB была заменена двухточечными соединениями, которые обеспечивают более высокую производительность и лучшую масштабируемость.
  • К 2008 году архитектура FSB была практически упразднена.

FSB находится на материнской плате компьютера, где он соединяет ЦП с памятью и периферийными устройствами.

Как измерить скорость передней шины?

Что касается влияния FSB на производительность компьютера, то есть три основных фактора: тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных. Частота FSB измеряется в мегагерцах (1 000 000 циклов в секунду) и часто называется скоростью FSB. Скорости сильно различаются: от старых моделей с частотой 66 МГц до более поздних моделей со скоростями более 1 ГГц.

В большинстве современных компьютеров используются внутренние соединения "точка-точка" вместо традиционной шинной архитектуры.

Ширина (выраженная в битах) FSB — еще одна ключевая характеристика. Большинство моделей FSB имеют разрядность 32 или 64 бита. Другой важной метрикой является скорость передачи данных, которая обычно выражается в передачах/цикл. Умножение этих факторов вместе дает пропускную способность FSB, которая, по сути, является наилучшей из возможных пропускных способностей. Например, FSB с шириной шины 32 бита и частотой 100 МГц, выполняющей 4 передачи/цикл, имеет скорость передачи 3200 МБ/с.

FSB передает данные от ЦП к другим компонентам туда и обратно.

Часто полезнее выражать скорость FSB по отношению к скорости процессора. Например, если частота ЦП вашего компьютера составляет 2,0 ГГц, а частота FSB — 200 МГц, соотношение ЦП и FSB составляет 10:1. В этом случае ФСБ, по сути, является узким местом в данных; ЦП обрабатывает данные намного быстрее, чем шина может отправить их, поэтому ЦП должен некоторое время простаивать.

Меньшее соотношение означает меньшее расхождение между возможностями ЦП и FSB. Таким образом, компьютер с соотношением ЦП и FSB 3:1 будет работать лучше, чем компьютер с соотношением 10:1. Частоту FSB обычно можно настроить аппаратно на материнской плате: перемычками или через BIOS.

В чем разница между передней и задней шинами?

В компьютерах с архитектурой с двумя шинами есть передняя и задняя шины. BSB создает соединение между ЦП и кэш-памятью и обычно работает с той же тактовой частотой, что и ЦП. Память, к которой ЦП обращается через BSB, обычно представляет собой кэш 2-го уровня и/или кэш-память 3-го уровня. Кэш L2 — это статическая оперативная память, а кеш L3 — это специализированная память, которая может питать кеш L2.

В системе с двумя шинами быстрее получить доступ к системной памяти через BSB, поскольку это выделенное соединение, работающее на небольшом расстоянии. Более быстрый доступ к памяти повышает производительность компьютера.

Используется ли передняя шина до сих пор?

Компьютерная архитектура, основанная на FSB, в значительной степени была заменена более новыми системами с более высокой производительностью. FSB была распространена в большинстве компьютеров с 1990-х до начала 2000-х годов, но с тех пор была заменена современной компьютерной архитектурой.

Какая технология заменила переднюю шину?

Большинство современных компьютеров не имеют ни FSB, ни северного моста. Вместо этого эти машины используют двухточечные соединения, такие как Intel QuickPath Interconnect, Intel Direct Media Interface и AMD HyperTransport. В этой конфигурации ЦП напрямую подключен к южному мосту или контроллеру ввода-вывода.

В компьютерах без FSB ЦП имеет встроенный контроллер памяти, который имеет независимый доступ к системной памяти. Эта настройка значительно повышает эффективность доступа к памяти и высвобождает пропускную способность быстрых разъемов для других функций.

Фронтальная шина больше не является обычной частью архитектуры материнских плат, но в начале 21 века она повсеместно использовалась в компьютерах и серверах. FSB была значительным улучшением по сравнению с исходной одиночной системной шиной и проложила путь к высокопроизводительным компьютерам, доступным сегодня.

Медленная системная шина может повлиять на производительность компьютера, если она не поспевает за скоростью процессора.

Читайте также: