Шины
Связь компонентов компьютера
- Связь компонентов компьютера
- Шина
Классическая структура связей
- Классическая структура связей
- Достоинства
- Недостатки
Шинная структура связей
- Шинная структура связей
- Достоинства
- Недостатки
Системная шина
- Системная шина
Задающее устройство
- Задающее устройство
Передача данных
- Передача данных
- Передача данных
Область применения
- Область применения
Характеристики шины
- Ширина шины
- Мультиплексирование
- Мультиплексирование
- Направленность шины
- Параллельные шины
- Параллельные шины
- Последовательные шины
- Последовательные шины
- Топология шины
- Параллельная топология
- Цепная топология
- Время цикла шины
- Синхронная шина
- Асинхронная шина
- Арбитраж
- Арбитраж с приоритетом
- Децентрализованный арбитраж
Режимы обмена
- Режимы обмена данными по системной шине:
- Программный обмен информацией
- Прерывания
- Прямой доступ к памяти

Шины

Связь компонентов компьютера

Способы связи элементов ЭВМ можно поделить на две группы – до изобретения шин и после. До изобретения шин все элементы связывались соединением 1:1. То есть у каждого элемента есть контакты для других элементов. Передача данных по одному каналу не влияет на передачу данных по другому. Данные передаются по разным протоколам, в зависимости от типа соединения. Шина – объединение нескольких проводников в один. При этом данные передаются по одному протоколу для всех устройств что подключены к шине. В один момент времени на шине могут передаваться данные только между одной парой устройств.

Шина

Канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы.
Общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому.
Несколько проводников, соединяющих различные устройства.
Набор параллельно связанных проводов для передачи адресов, данных и управляющих сигналов.

Классическая структура связей

Достоинства

Асинхронность.
Параллельная передача данных.
Высокая скорость.

Недостатки

Множество связей.
Сложность связей.
Разные протоколы обмена информацией.

Шинная структура связей

Все устройства параллельно подключаются к одной линии связи – шине. Шина – набор проводов (линий), которые соединяют несколько устройств. Линия – один физический провод.

В некоторых русскоязычных источниках главная шина как совокупность шин  поменьше называется магистралью. В англоязычных и внутренние шины и их совокупность называются bus.

Достоинства

Единая спецификация — “протокол шины”.
Единый протокол обмена данными.
Унификация устройств.
Удешевление производства.

Недостатки

Последовательная передача.
Неисправность одного устройства может вывести из строя всю систему.
Сложность отладки.
Необходимость арбитража.

Системная шина

Шина которая подключена к процессору называется системной. Все выходы на материнской плате подключены к системной шине.

Шина управления — управляющие сигналы и арбитраж
Шина адреса — адрес в памяти для чтения-записи
Шина данных — передача данных
Шина питания — чёнить пожрать

По шине контроля передается команда – что делать. Команда считывается всеми устройствами и выполняется теми, для которых она предназначена. Если для выполнения команды нужны данные и их адреса – они передаются и считываются по соответствующим шинам. Также системная шина обязательно содержит шину питания. Системная шина обязательно содержит эти 4 шины. Другие шины могут содержать произвольный набор.

В некоторых источниках системная шина называется называется системной магистралью, шины контроля/адреса/данных/питания – шинами, а шины из которых состоят эти шины – линиями. При этом, эти линии могут состоять из нескольких физических проводников, вместе образующих один логический элемент.

В некоторых источниках шина без питания называется шлейфом.

Задающее устройство

Задающее устройство	Подчинённое устройство	Пример
Центральный процессор	Память	Вызов команд и данных
Центральный процессор	Устройство ввода-вывода	Инициализация передачи данных
Центральный процессор	Сопроцессор	Передача команды от процессора к сопроцессору
Устройство ввода-вывода	Память	Прямой доступ к памяти
Сопроцессор	Центральный процессор	Вызов сопроцессором операндов из центрального процессора

Устройство которое подает команду на шину контроля называется “задающим”. Задающие устройства – процессоры: центральный, графический, звуковой, другие сопроцессоры. Задающими устройствами бывают только те, которые что-то вычисляют. Устройства памяти не могут быть задающими, так как у них не должно быть потребности в вычислениях. Задающее устройство подает команду на шину контроля

Данные передаются от устройства к устройству. Устройство которое запросило/задало передачу называется активным, устройство с которого считывают – пассивным. Или master и slave.

Передача данных

Между процессором и другим устройством (память/периферия).
Между периферийным устройством и памятью.

Передача данных

На шина адреса устанавливается адрес устройства, с которым будет обмениваться данными процессор.
На шине управления устанавливается характер обмена (чтение/запись/инициализация/сброс и т.д.).
Передача данных по шине данных.

Область применения

Внутренние и внешние шины.

Характеристики шины

Ширина шины

Количество линий для передачи данных. Важна для шины адреса и шины данных.

Количество линий	Адресуемый объём
20	1 мегабайт
32	4 гигабайта
64	18.5 экзабайт

Мультиплексирование

Шины адреса и данных объединяются. Передача адреса и данных разделена по времени.

Мультиплексирование

Бо́льший объём адресуемой памяти.
Сокращение количества проводников.
Снижение стоимости.
Снижение скорости.

Происходит несколько улучшений: 1) Расширяется область допустимых значений адреса. Как правило, ширина шины данных сильно превосходит ширину шины адресной шины. Область допустимых адресов ограничена шириной адресной шины. У мультиплексированной шины этой проблемы нет – шина адресов по ширине равна шине данных -> можно обращаться к бОльшему объему памяти. 2) Сокращается количество проводов. Поскольку для записи адреса нужно места не больше чем для записи данных, адрес полностью помещается в бывшую шину данных. Провода некогда принадлежавшие шине адреса можно просто выкинуть. 3) Снижается стоимость. Меньше проводов и контактов – меньше стоимость.

Но есть и один недостаток – снижение скорости. При записи данных с задающего устройства несколько тактов тратится на передачу адреса. В немультиплексированной шине адрес и данные передаются одновременно.

Направленность шины

Однонаправленная: задающим устройством всегда является процессор.
Двунаправленная: задающим устройством может быть не только процессор.

Параллельные шины

Заданная ширина N.
За один так передаётся N бит.
Преимущества: большая теоретическая скорость.
Недостатки: цена, сложность, расфазировка между линиями.

Параллельные шины

Последовательные шины

Ширина всегда 1 бит.
За один такт всегда передаётся 1 бит.
Преимущества: дешевле, проще, нет расфазировки между линиями.

В последовательных шинах за один такт передается один бит. Один провод – одна шина низкого уровня. Группа шин низкого уровня объединяются в группу – шину данных/адреса. Пример последовательной шины – шина прерывания. Прерывание либо запрашивается либо нет, так что для него хватает одного бита.

Расфазировка — clock skew: a phenomenon in synchronous digital circuit systems (such as computer systems) in which the same sourced clock signal arrives at different components at different times. The instantaneous difference between the readings of any two clocks is called their skew.

Последовательные шины

Топология шины

Параллельная топология

Цепная топология

Время цикла шины

Синхронная шина

Асинхронная шина

Арбитраж

Арбитраж 1) Устройство выставляет сигнал «запрос шины» 2) Арбитр выставляет сигнал «предоставление шины» 3) Если устройству нужна шина – пользуется, иначе – передает сигнал дальше

Чем ближе к арбитру – тем выше приоритет. Уровней приоритета может быть несколько. Чем выше уровень приоритета – тем больше устройств на этом уровне. У процессора – наименьший приоритет.

Когда арбитр обнаруживает запрос шины, он устанавливает линию предоставления шины. Эта линия последовательно связывает все устройства ввода-вывода (как в елочной гирлянде). Когда физически ближайшее к арбитру устройство получает сигнал предоставления шины, это устройство проверяет, нет ли запроса шины. Если запрос есть, устройство пользуется шиной, но не распространяет сигнал предоставления дальше по линии. Если запроса нет, устройство передает сигнал предоставления шины следующему устройству. Это устройство тоже проверяет, есть ли запрос, и действует соответствующим образом в зависимости от наличия или отсутствия запроса. Передача сигнала предоставления шины продолжается до тех пор, пока какое-нибудь устройство не воспользуется предоставленной шиной. Такая система называется системой последовательного опроса. При этом приоритеты устройств зависят от того, насколько близко они находятся к арбитру. Ближайшее к арбитру устройство обладает наивысшим приоритетом.

Арбитраж с приоритетом

Чтобы приоритеты устройств не зависели от расстояния до арбитра, в некоторых шинах поддерживается несколько уровней приоритета. На каждом уровне приоритета есть линия запроса шины и линия предоставления шины. В действительности шины обычно поддерживают 4, 8 или 16 уровней. Каждое устройство связано с одним из уровней запроса шины, причем, чем выше уровень приоритета, тем больше устройств привязано к этому уровню.

Если одновременно запрашивается несколько уровней приоритета, арбитр предоставляет шину самому высокому уровню. Среди устройств одинакового приоритета реализуется система последовательного опроса.

В системах, где память связана с главной шиной, центральный процессор должен завершать работу со всеми устройствами ввода-вывода практически на каждом цикле шины. Чтобы решить эту проблему, можно предоставить центральному процессору самый низкий приоритет. При этом шина будет предоставляться процессору только в том случае, если она не нужна другому устройству. Центральный процессор всегда может подождать, а устройства ввода-вывода должны получить доступ к шине как можно быстрее, чтобы не потерять данные. Например, диски, вращающиеся с высокой скоростью, не могут ждать. Во многих современных компьютерах память помещается на одну шину, а устройства ввода-вывода - на другую, поэтому им не приходится завершать работу, чтобы предоставить доступ к шине.

Децентрализованный арбитраж

В системе с децентрализованным арбитражем передача контроля происходит без арбитра. По линии запроса шины записывается n-битовое число, где n – количество устройств. Каждое устройство пишет в свой бит, нужен ли ему доступ к шине.

В шину BUSY пишет текущее задающее устройство. Если шина свободна, происходит арбитраж. По линии арбитража подается напряжение и последовательно каждый элемент проверяется на необходимость доступа. Если устройство поставило запрос на линию запроса, контроль передается ему и на BUSY ставится 1. Иначе, проверяется следующее устройство.

Режимы обмена

Режимы обмена данными по системной шине:

Программный обмен информацией.
Обмен с использованием прерываний.
Прямой доступ к памяти.

Программный обмен информацией

Процессор следует командам программы. Процессор единолично управляем доступом к памяти и вводом/выводом. Внешние события игнорируются.

Процессор выполняет программу, ни на что не отвлекаясь.

Если происходит обращение к участку памяти, процессор в первую очередь проверяет, не сохранил ли он копию этого участка в свою кэш-память. Если участок памяти используется часто, процессор копирует его в свою память для ускорения работы в будущем. В таком случае, процессор не запрашивает устройство памяти, а сразу возвращает результат на запросившее устройство.

Прерывания

В системах с однонаправленной шиной устройства должны запрашивать у процессора выполнение различных действий с шиной. Для этого они ставят сигнал запроса на свою линию шины контроля. Процессор время от времени проверяет линии устройств и проверяет для чего им нужен доступ к шине, собирает команды и выполняет их, после чего возвращает данные на устройство.

Прерывания, например происходят при чтении информации с HDD. Скорость считывания данных с HDD ограничивается скоростью вращения считывающей головки. Головка вертится с постоянной скоростью и период обращения, как правило, длиннее одно такта. Поэтому когда головка подъезжает к нужному сектору, контроллер памяти посылает прерывание и процессор переходит к считыванию данных, пока головка находится над нужным сегментом диска.

Шины

Связь компонентов компьютера

Связь компонентов компьютера

Шина

Классическая структура связей

Классическая структура связей

Достоинства

Недостатки

Шинная структура связей

Шинная структура связей

Достоинства

Недостатки

Системная шина

Системная шина

Задающее устройство

Задающее устройство

Передача данных

Передача данных

Передача данных

Область применения

Область применения

Характеристики шины

Ширина шины

Мультиплексирование

Мультиплексирование

Направленность шины

Параллельные шины

Параллельные шины

Последовательные шины

Последовательные шины

Топология шины

Параллельная топология

Цепная топология

Время цикла шины

Синхронная шина

Асинхронная шина

Арбитраж

Арбитраж с приоритетом

Децентрализованный арбитраж

Режимы обмена

Режимы обмена данными по системной шине:

Программный обмен информацией

Прерывания

Прямой доступ к памяти