Автобус (вычисления)

Было высказано предположение , что шина памяти будет объединена в эту статью. ( Обсудить ) Предлагается с февраля 2021 года.

Четыре слота для карт шины PCI Express (сверху вниз ко 2-м: × 4, × 16, × 1 и × 16), по сравнению с 32-битным обычным слотом для карт шины PCI (самый нижний)

В компьютерной архитектуре , A автобус ^[1] (сокращение от латинского омнибусе ^{[ править ]} , и исторически называемый также шоссе данных ^[2] ) представляет собой система связи , которая передает данные между компонентами внутри компьютера или между компьютерами. Это выражение охватывает все связанные аппаратные компоненты (провод, оптоволокно и т. Д.) И программное обеспечение , включая протоколы связи . ^[3]

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические провода с несколькими аппаратными соединениями, но теперь этот термин используется для любого физического устройства, которое обеспечивает ту же логическую функцию, что и параллельная электрическая шина . Современные компьютерные шины могут использовать как параллельные, так и последовательные соединения, и могут быть подключены либо по многоточечной (параллельной электрической), либо по гирляндной топологии, либо соединены коммутируемыми концентраторами, как в случае USB .

Предпосылки и номенклатура [ править ]

Компьютерные системы обычно состоят из трех основных частей:

• Центральный процессор (ЦП) , который обрабатывает данные,
• Память , которая хранит программы и данные, подлежащие обработке, и
• Устройства ввода / вывода ( ввода / вывода ) как периферийные устройства, которые обмениваются данными с внешним миром.

Ранний компьютер мог содержать собранный вручную центральный процессор электронных ламп , магнитный барабан для основной памяти, а также перфоленту и принтер для чтения и записи данных соответственно. Современная система может иметь многоядерный процессор , DDR4 SDRAM для памяти, твердотельный накопитель для вторичного хранилища , графическую карту и ЖК-дисплей в качестве системы отображения, мышь и клавиатуру для взаимодействия и соединение Wi-Fi для работы в сети.. В обоих примерах компьютерные шины той или иной формы перемещают данные между всеми этими устройствами.

В большинстве традиционных компьютерных архитектур ЦП и основная память, как правило, тесно связаны. Микропроцессор , обычно это один чип , который имеет ряд электрических соединений на его штырьков , которые могут использоваться , чтобы выбрать «адрес» в основной памяти и другой набор штырей для чтения и записи данных , хранящихся в этом месте. В большинстве случаев ЦП и память совместно используют сигнальные характеристики и работают синхронно . Шина, соединяющая ЦП и память, является одной из определяющих характеристик системы и часто называется просто системной шиной .

Можно позволить периферийным устройствам обмениваться данными с памятью таким же образом, подключив адаптеры в виде карт расширения непосредственно к системной шине. Обычно это достигается с помощью какого-то стандартного электрического соединителя, некоторые из которых образуют шину расширения или локальную шину . Однако, поскольку разница в производительности между процессором и периферийными устройствами сильно различается, обычно требуется какое-то решение, чтобы периферийные устройства не снижали общую производительность системы. Многие процессоры имеют второй набор контактов, аналогичный тем, которые используются для связи с памятью, но могут работать с очень разными скоростями и с использованием разных протоколов. Другие используют интеллектуальные контроллеры для размещения данных непосредственно в памяти, концепция, известная какпрямой доступ к памяти . Большинство современных систем сочетают оба решения там, где это необходимо.

По мере роста числа потенциальных периферийных устройств использование карты расширения для каждого периферийного устройства становилось все более неприемлемым. Это привело к появлению шинных систем, специально разработанных для поддержки нескольких периферийных устройств. Распространенными примерами являются порты SATA в современных компьютерах, которые позволяют подключать несколько жестких дисков без необходимости в карте. Однако эти высокопроизводительные системы, как правило, слишком дороги для реализации в устройствах низкого уровня, таких как мышь. Это привело к параллельной разработке ряда низкопроизводительных шинных систем для этих решений, наиболее распространенным примером является стандартизированная универсальная последовательная шина (USB). Все такие примеры можно назвать периферийными шинами , хотя эта терминология не является универсальной.

В современных системах разница в производительности между процессором и основной памятью настолько выросла, что увеличивающийся объем высокоскоростной памяти встроен непосредственно в процессор, известный как кэш . В таких системах процессоры обмениваются данными с помощью высокопроизводительных шин, которые работают со скоростью, намного превышающей скорость памяти, и взаимодействуют с памятью с использованием протоколов, аналогичных тем, которые использовались исключительно для периферийных устройств в прошлом. Эти системные шины также используются для связи с большинством (или всеми) другими периферийными устройствами через адаптеры, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими периферийными устройствами и контроллерами. Такие системы архитектурно больше похожи на мультикомпьютеры., общаясь по шине, а не по сети. В этих случаях шины расширения полностью разделены и больше не разделяют архитектуру со своим центральным процессором (и фактически могут поддерживать множество разных процессоров, как в случае с PCI ). То, что раньше было системной шиной, теперь часто называют фронтальной шиной .

С учетом этих изменений классические термины «система», «расширение» и «периферийный» больше не имеют одинаковых коннотаций. Другие распространенные системы категоризации основаны на основной роли шины, соединяющей устройства внутри или снаружи, например , PCI или SCSI . Однако многие распространенные современные шинные системы могут использоваться для обоих; SATA и связанный с ним eSATA являются одним из примеров системы, которая раньше называлась внутренней, в то время как некоторые автомобильные приложения используют в основном внешний IEEE 1394 способом, более похожим на системную шину. Другие примеры, такие как InfiniBand и I²C, с самого начала были разработаны для использования как внутри компании, так и за ее пределами.

Внутренние автобусы [ править ]

Внутренняя шина, также известная как внутренняя шина данных, шина памяти , системная шина или внешняя шина , соединяет все внутренние компоненты компьютера, такие как ЦП и память, с материнской платой. Внутренние шины данных также называют локальными шинами, поскольку они предназначены для подключения к локальным устройствам. Эта шина обычно довольно быстрая и не зависит от остальных операций компьютера.

Внешние автобусы [ править ]

Внешняя шина или шина расширения состоит из электронных каналов, которые соединяют различные внешние устройства, такие как принтер и т. Д., С компьютером.

Адресная шина [ править ]

Шина адреса автобус , который используется для указания физического адреса . Когда процессору или устройству с поддержкой DMA необходимо прочитать или записать в ячейку памяти, он указывает эту ячейку памяти на адресной шине (значение, которое должно быть считано или записано, отправляется по шине данных ). Ширина адресной шины определяет объем памяти, который может адресовать система. Например, система с 32-битной адресной шиной может адресовать 2 ³² (4 294 967 296) ячеек памяти. Если каждая ячейка памяти содержит один байт, адресуемая область памяти составляет 4 ГиБ.

Мультиплексирование адресов [ править ]

Ранние процессоры использовали провод для каждого бита ширины адреса. Например, 16-битная адресная шина имеет 16 физических проводов, составляющих шину. По мере того, как шины становились шире и длиннее, такой подход стал дорогим с точки зрения количества выводов микросхемы и следов на плате. Начиная с Mostek 4096 DRAM , мультиплексирование адресов, реализованное с помощью мультиплексоров, стало обычным явлением. В схеме мультиплексированного адреса адрес передается двумя равными частями по чередующимся циклам шины. Это вдвое сокращает количество сигналов адресной шины, необходимых для подключения к памяти. Например, 32-битная адресная шина может быть реализована путем использования 16 строк и отправки первой половины адреса памяти, за которой сразу следует вторая половина адреса памяти.

Обычно 2 дополнительных контакта на шине управления - строб адреса строки (RAS) и строб адреса столбца (CAS) - используются, чтобы сообщить DRAM, отправляет ли адресная шина в настоящее время первую половину адреса памяти или вторая половина.

Реализация [ править ]

Для доступа к отдельному байту часто требуется одновременное чтение или запись всей ширины шины ( слова ). В этих случаях наименее значимые биты адресной шины могут даже не быть реализованы - вместо этого на управляющее устройство возложена ответственность изолировать требуемый отдельный байт от всего передаваемого слова. Так обстоит дело, например, с локальной шиной VESA, в которой отсутствуют два младших бита, что ограничивает эту шину выровненными 32-битными передачами.

Исторически было также несколько примеров компьютеров, которые могли обращаться только к словам - машинным словам .

Детали реализации [ править ]

Шины могут быть параллельными шинами , по которым слова данных передаются параллельно по нескольким проводам, или последовательными шинами , по которым данные передаются в последовательной битовой форме. Добавление дополнительных силовых и контрольных соединений, дифференциальных драйверов и соединений для передачи данных в каждом направлении обычно означает , что большинство последовательные шины имеют более проводников , чем минимум , который используется в 1-Wire и UNI / O . По мере увеличения скорости передачи данных проблемы временного рассогласования , энергопотребления, электромагнитных помех и перекрестных помех на параллельных шинах становится все труднее и труднее обойти. Частичное решение этой проблемы заключалось в двойном насосе.автобус. Часто последовательная шина может работать с более высокими общими скоростями передачи данных, чем параллельная шина, несмотря на меньшее количество электрических соединений, поскольку последовательная шина по своей сути не имеет временного сдвига или перекрестных помех. Примеры этого - USB , FireWire и Serial ATA . Многоточечные соединения плохо работают с быстрыми последовательными шинами, поэтому в большинстве современных последовательных шин используются схемы с последовательным подключением или концентраторами.

Сетевые соединения, такие как Ethernet , обычно не считаются шинами, хотя разница в основном концептуальная, а не практическая. Атрибут, обычно используемый для характеристики шины, заключается в том, что шина обеспечивает питание подключенного оборудования. Это подчеркивает шинное происхождение шины архитектуры также поставки с коммутацией или распределенная мощностью. Это исключает, в качестве шин, такие схемы, как последовательный RS-232 , параллельные интерфейсы Centronics , IEEE 1284 и Ethernet, поскольку эти устройства также нуждались в отдельных источниках питания. Устройства с универсальной последовательной шиной могут использовать питание от шины, но часто используют отдельный источник питания. Это различие иллюстрируетсятелефонная система с подключенным модемом , в которой соединение RJ11 и связанная с ним схема модулированной сигнализации не считается шиной и аналогична соединению Ethernet . Схема подключения телефонной линии не считается шиной в отношении сигналов, но центральный офис использует шины с переключающими планками для соединения между телефонами.

Однако это различие - «что питание обеспечивается шиной» - не относится ко многим бортовым системам , где используются соединения для передачи данных, такие как ARINC 429 , ARINC 629 , MIL-STD-1553B (STANAG 3838) и EFABus ( STANAG 3910 ). обычно называемые «шинами данных» или, иногда, «шинами данных». Такие авионики шины передачи данных , как правило , характеризуются наличием нескольких оборудования или линии Сменные элементы / Единицы (LRI / LRUs) соединены с общим, общие средства массовой информации . Они могут, как и в случае с ARINC 429, быть симплексными , то есть иметь LRI / LRU с одним источником или, как в случае с ARINC 629, MIL-STD-1553B и STANAG 3910, быть дуплексными., позволяют всем подключенным LRI / LRU действовать в разное время ( полудуплекс ) как передатчики и приемники данных. ^[4]

Мультиплексирование шины [ править ]

Простейшая системная шина имеет полностью отдельные линии входных данных, выходные линии и адресные линии. Чтобы снизить стоимость, большинство микрокомпьютеров имеют двунаправленную шину данных, повторно используя одни и те же провода для ввода и вывода в разное время. ^[5]

Некоторые процессоры используют выделенный провод для каждого бита адресной шины, шины данных и шины управления. Например, 64-контактная шина STEbus состоит из 8 физических проводов, выделенных для 8-разрядной шины данных, 20 физических проводов, выделенных для 20-разрядной адресной шины, 21 физического провода, выделенного для шины управления, и 15 физических проводов, выделенных для автобусы различной мощности.

Для мультиплексирования шины требуется меньше проводов, что снижает затраты на многие ранние микропроцессоры и микросхемы DRAM. Одна распространенная схема мультиплексирования, адресное мультиплексирование , уже упоминалась. Другая схема мультиплексирования повторно использует контакты адресной шины в качестве контактов шины данных ^[5] , подход, используемый обычными PCI и 8086 . Различные «последовательные шины» можно рассматривать как конечный предел мультиплексирования, отправляя каждый из бит адреса и каждый бит данных по одному через один вывод (или одну дифференциальную пару).

История [ править ]

Со временем несколько групп людей работали над различными стандартами компьютерных шин, в том числе Комитет по стандартам архитектуры шины IEEE (BASC), исследовательская группа IEEE «Superbus», инициатива открытых микропроцессоров (OMI), инициатива открытых микросистем (OMI), «Банда девяти», разработавшая EISA и т. Д. ^{[ Необходима ссылка ]}

Первое поколение [ править ]

Ранние компьютерные шины представляли собой пучки проводов, которые соединяли память компьютера и периферийные устройства. Анекдотично называемые « цифровым стволом » ^[6], они были названы в честь электрических силовых шин или сборных шин . Почти всегда была одна шина для памяти и одна или несколько отдельных шин для периферийных устройств. Доступ к ним осуществлялся по отдельным инструкциям, с совершенно разными таймингами и протоколами.

Одной из первых сложностей было использование прерываний . Ранние компьютерные программы выполняли ввод-вывод , ожидая в цикле готовности периферийного устройства. Это была пустая трата времени для программ, у которых были другие задачи. Кроме того, если программа попытается выполнить эти другие задачи, повторная проверка может занять слишком много времени, что приведет к потере данных. Таким образом, инженеры устроили так, чтобы периферийные устройства прерывали работу ЦП. Прерываниям необходимо было присвоить приоритет, потому что ЦП может выполнять код только для одного периферийного устройства за раз, а некоторые устройства более критичны по времени, чем другие.

Высокопроизводительные системы представили идею контроллеров каналов , которые были по существу небольшими компьютерами, предназначенными для обработки ввода и вывода данной шины. IBM представила их на IBM 709 в 1958 году, и они стали общей чертой их платформ. Другие высокопроизводительные поставщики, такие как Control Data Corporation, реализовали аналогичные проекты. Как правило, контроллеры каналов будут делать все возможное, чтобы выполнять все операции шины внутри, перемещая данные, когда было известно, что ЦП занят в другом месте, если это возможно, и используя прерывания только при необходимости. Это значительно снизило нагрузку на ЦП и повысило общую производительность системы.

Для обеспечения модульности шины памяти и ввода-вывода могут быть объединены в единую системную шину . ^[7] В этом случае одна механическая и электрическая система может использоваться для соединения вместе многих компонентов системы или, в некоторых случаях, всех из них.

Позже компьютерные программы стали использовать общую память для нескольких процессоров. Доступ к этой шине памяти также должен быть приоритетным. Самый простой способ установить приоритеты прерываний или доступа к шине - использовать гирляндную цепочку . В этом случае сигналы будут естественным образом проходить через шину в физическом или логическом порядке, что устраняет необходимость в сложном планировании.

Мини и микро [ править ]

Digital Equipment Corporation (DEC) дополнительно снизила стоимость серийно выпускаемых миникомпьютеров и подключила периферийные устройства к шине памяти, так что устройства ввода и вывода оказались местами памяти. Это было реализовано в Unibus на PDP-11 вокруг 1969. ^[8]

Ранние микрокомпьютерные шинные системы представляли собой пассивную объединительную плату, подключенную напрямую или через буферные усилители к контактам ЦП . Память и другие устройства будут добавлены к шине с использованием тех же адресов и выводов данных, что и сам ЦП, подключенных параллельно. Связь контролировалась ЦП, который считывал и записывал данные с устройств, как если бы они были блоками памяти, используя одни и те же инструкции, синхронизируемые центральными часами, контролирующими скорость ЦП. Тем не менее, устройства прерывали работу ЦП, передавая сигналы на отдельные выводы ЦП.

Например, контроллер дисковода будет сигнализировать ЦП, что новые данные готовы к чтению, и в этот момент ЦП переместит данные, считывая «ячейку памяти», соответствующую дисководу. Почти все ранние микрокомпьютеры были построены таким образом, начиная с шины S-100 в компьютерной системе Altair 8800 .

В некоторых случаях, особенно в IBM PC , хотя может использоваться аналогичная физическая архитектура, инструкции для доступа к периферийным устройствам ( inи out) и памяти ( movи другим) вообще не были унифицированы и по-прежнему генерируют отдельные сигналы ЦП, которые могут быть используется для реализации отдельной шины ввода / вывода.

Эти простые шинные системы имели серьезный недостаток при использовании в компьютерах общего назначения. Все оборудование в автобусе должно было работать с одинаковой скоростью, так как оно использовало одни часы.

Увеличивать скорость процессора становится сложнее, потому что скорость всех устройств также должна увеличиваться. Когда нецелесообразно или экономично иметь все устройства с такой же скоростью, как ЦП, ЦП должен либо перейти в состояние ожидания , либо временно работать на более низкой тактовой частоте ^[9], чтобы взаимодействовать с другими устройствами в компьютере. Хотя эта проблема допустима для встроенных систем , она долго не допускалась в компьютерах общего назначения, расширяемых пользователем.

Такие шинные системы также сложно настроить, если они построены из стандартного стандартного оборудования. Обычно для каждой добавляемой платы расширения требуется множество перемычек для установки адресов памяти, адресов ввода / вывода, приоритетов прерываний и номеров прерываний.

Второе поколение [ править ]

Шинные системы «второго поколения», такие как NuBus, решают некоторые из этих проблем. Обычно они разделяли компьютер на два «мира»: ЦП и память с одной стороны и различные устройства с другой. А контроллер шины принятых данные со стороны процессора , чтобы быть перемещены в сторону периферии, тем самым смещая нагрузку протокола связи , от самого процессора. Это позволило ЦП и памяти развиваться отдельно от шины устройства или просто «шины». Устройства на шине могли общаться друг с другом без вмешательства процессора. Это привело к гораздо более высокой производительности в реальном мире, но также потребовало, чтобы карты были намного сложнее. Эти шины также часто решали проблемы скорости, будучи «больше» с точки зрения размера пути данных,переход с 8-битных параллельных шинв первом поколении до 16- или 32-битного во втором, а также добавлена ​​настройка программного обеспечения (теперь стандартизованная как Plug-n-play ) для замены или замены перемычек.

Однако эти новые системы обладали одним качеством со своими более ранними собратьями: все в автобусе должны были говорить с одинаковой скоростью. В то время как ЦП был теперь изолирован и мог увеличивать скорость, ЦП и память продолжали увеличивать скорость намного быстрее, чем шины, с которыми они разговаривали. В результате скорость шины стала намного ниже, чем требовалось современной системе, и машинам не хватало данных. Наиболее распространенным примером этой проблемы было то, что видеокарты быстро превзошли даже новейшие шинные системы, такие как PCI , и компьютеры начали включать AGP только для управления видеокартой. К 2004 году AGP снова переросли высококачественные видеокарты и другое периферийное оборудование и была заменена новой шиной PCI Express .

Все большее количество внешних устройств также начали использовать свои собственные шинные системы. Когда дисковые накопители были впервые представлены, они добавлялись к машине с картой, подключенной к шине, поэтому компьютеры имеют так много слотов на шине. Но в 1980-х и 1990-х годах для удовлетворения этой потребности были введены новые системы, такие как SCSI и IDE , в результате чего большинство слотов в современных системах оставалось пустыми. Сегодня в типовой машине, вероятно, будет около пяти различных шин, поддерживающих различные устройства. ^{[ необходима цитата ]}

Третье поколение [ править ]

Автобусы «третьего поколения» появляются на рынке примерно с 2001 года, включая HyperTransport и InfiniBand . Они также имеют тенденцию быть очень гибкими с точки зрения их физических соединений, что позволяет использовать их как в качестве внутренних шин, так и для соединения различных машин вместе. Это может привести к сложным проблемам при попытке обслуживания различных запросов, поэтому большая часть работы над этими системами связана с проектированием программного обеспечения, а не с самим оборудованием. В целом, эти шины третьего поколения, как правило, больше похожи на сеть, чем на исходную концепцию шины, с более высокими затратами протокола, чем в ранних системах, а также позволяют нескольким устройствам использовать шину одновременно.

Автобусы, такие как Wishbone , были разработаны движением за аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом в попытке еще больше устранить юридические и патентные ограничения на проектирование компьютеров.

Четвертое поколение [ править ]

Вычислительный Экспресс Ссылка (CXL) является открытым стандартом межсоединений для высокоскоростного процессора -в-устройства и процессор-памяти, предназначенного для ускорения следующего поколения центров обработки данных производительности. ^{[10] [ необходима ссылка ]}

Примеры внутренних компьютерных шин [ править ]

Параллельно [ править ]

Серийный [ править ]

Примеры внешних компьютерных шин [ править ]

Параллельно [ править ]

Серийный [ править ]

Примеры внутренних / внешних компьютерных шин [ править ]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Автобусы компьютерной техники в Curlie
• Распиновка шин и разъемов компьютерной техники с кратким описанием