Архитектура шины часть 1изм

1.

АРХИТЕКТУРА ВМ
Цифровой логический уровень. Шины.

2.

Компьютерные шины.
Введение

3.

Компьютерные шины. Характеристики шин
Шина – набор параллельно соединенных проводов для
связи компонентов компьютера, по которым передаются
адреса, данные и сигналы.
Шины можно разделить на
две группы в соответствии с
выполняемыми функциями:
внутренние - используются
для передачи данных в АЛУ и
из АЛУ;
внешние – связывают
процессор с памятью и УВВы.

4.

Управление передачей по шине реализуется как на уровне прохождения
сигнала (мультиплексоры, демультиплексоры, буферы, регистры, шинные
формирователи), так и со стороны ядра операционной системы — в таком
случае в его состав входит соответствующий драйвер.

5.

Компьютерная шина в архитектуре компьютера —
подсистема, служащая для передачи данных между
функциональными блоками компьютера. В устройстве
шины можно различить механический, электрический
(физический) и логический (управляющий) уровни.
К шине обычно можно подключить несколько
устройств по одному набору проводников. Каждая
шина определяет свой набор коннекторов
(соединений) для физического подключения устройств,
карт и кабелей.

6.

Современные компьютерные шины используют
как параллельные, так и последовательные
соединения и могут иметь параллельные
(multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В
случае USB и некоторых других шин могут также
использоваться хабы (концентраторы).
Некоторые виды скоростных шин (Fibre Channel,
InfiniBand, скоростной Ethernet, SDH) для
передачи сигналов используют не электрические
соединения, а оптические.

7.

Компьютерные шины.
Упрощенно шину можно представить, как
совокупность сигнальных линий, объединенных по
их назначению (данные, адреса, управление).
Каждая линия способна передавать сигналы,
представляющие двоичные цифры 1 и 0. При
совместном использовании несколько линий могут
обеспечить одновременную (параллельную)
передачу двоичных чисел.

8.

Компьютерные шины
Физически линии шины реализуются в виде отдельных
проводников, как полоски проводящего материала на
монтажной плате либо как алюминиевые или медные
проводящие дорожки на кристалле микросхемы.
Операции на шине называются транзакциями. Шинная
транзакция состоит из двух частей: посылку адреса и
прием (или посылку) данных.
Устройство, инициировавшее обмен и управляющее
им, называют ведущим (bus master). Устройство,
необладающее свойством инициирования транзакции,
называется ведомым

9.

Характеристики шин

10.

Ширина шины
Ширина шины - количество адресных и
управляющих линий в шине. Ширина шины
адреса определяет максимально возможный
размер адресного пространства.
Чем больше адресных линий, тем к большему
объёму памяти может обращаться процессор.
Если шина содержит n адресных линий, тогда
процессор может использовать её для
обращения к 2n различным ячейкам памяти. Для
памяти большой ёмкости необходимо много
адресных линий.

11.

Ширина шины
Чем больше ширина шины, тем больше
требуется проводов и физического
пространства (разъёмы большего размера).
Ширина шины данных определяет
количество битов информации, которое
может быть передано по шине за одну
транзакцию (цикл шины). Типовая ширина
шины данных 32, 64 или 128 бит, т.е.
кратная целому числу байтов.

12.

Синхронизация шин
Синхронная шина содержит линию, которая запускается
кварцевым генератором.
Синхронная передача быстрая. Синхронные протоколы
требуют меньше сигнальных линий, проще для
реализации и тестирования, но привязаны к конкретной
максимальной тактовой частоте и из-за проблемы
перекоса синхросигналов не могут быть длинными.
По синхронному протоколу обычно работают шины
«процессор-память».
Недостаток синхронной шины: если шина соединяет ряд
устройств, работающих с разной скоростью, то шина
подстраивается под самое медленное устройство и
более быстрые не могут использовать свой полный
потенциал.

13.

Синхронизация шин
Асинхронная шина не содержит задающего генератора. Начало
очередного события на шине определяется предшествующим
событием и следует непосредственно за этим событием.
Каждая совокупность сигналов, помещаемых на шину,
сопровождается соответствующим синхронизирующим
сигналом, называемым стробом.
Скорость асинхронной пересылки данных диктуется ведомым.
Асинхронные протоколы по своей сути являются
самосинхронизирующимися, поэтому шину могут совместно
использовать устройства с различным быстродействием,
построенные на базе старых или новых технологий. Шины
ввода/вывода обычно реализуются как асинхронные.

14.

Арбитраж шин.
Принципы работы шины
Арбитраж шин – определение порядка обработки
прерываний от микросхем ввода/вывода, центрального
процессора.
Принципы работы шины. Шины могут работать с
использованием нескольких типов циклов работы.
Обычно задающее устройство при чтении/записи
передаётся одно слово.
При использовании кэш-памяти вызывается вся строка
КЭШа (16 последовательных 32-битных слов.
цикл обработки прерываний (работа с контроллером
прерываний), когда при работе с устройствами вводавывода центральный процессор ожидает прерывания
после завершения работы.

15.

Типы обмена информацией по шинам
В шине данных, так и в шине адреса может
использоваться положительная логика или
отрицательная логика. При положительной логике
высокий уровень напряжения соответствует
логической единице на соответствующей линии
связи, низкий — логическому нулю. При
отрицательной логике — наоборот.
Сигналы шины управления также могут
передаваться как в положительной логике (реже),
так и в отрицательной логике (чаще).

16.

Типы обмена информацией по шинам
мультиплексирование шин адреса и данных
Для снижения общего количества линий связи
магистрали часто применяется мультиплексирование
шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи
используются в разные моменты времени для передачи
как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в
конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов
(стробирования) служат специальные сигналы на шине
управления.

17.

Типы обмена информацией по шинам
мультиплексирование шин адреса и данных
Мультиплексированная шина адреса/данных
обеспечивает меньшую скорость обмена,
требует более длительного цикла обмена. По
типу шины адреса и шины данных все магистрали
также делятся на мультиплексированные и
немультиплексированные.

18.

Типы обмена информацией по шинам
мультиплексирование шин адреса и данных
В некоторых мультиплексированных магистралях после
одного кода адреса передается несколько кодов данных
(массив данных). Это позволяет существенно повысить
быстродействие магистрали.
Иногда в магистралях применяется частичное
мультиплексирование, то есть часть разрядов данных
передается по немультиплексированным линиям, а
другая часть — по мультиплексированным с адресом
линиям.

19.

Типы обмена информацией по шинам
мультиплексирование шин адреса и данных
Самые главные управляющие сигналы — это стробы обмена,
то есть сигналы, формируемые процессором и определяющие
моменты времени, в которые производится пересылка данных
по шине данных, обмен данными. Чаще всего в магистрали
используются два различных строба обмена:
o Строб записи (вывода), который определяет момент времени,
когда устройство-исполнитель может принимать данные,
выставленные процессором на шину данных;
o Строб чтения (ввода), который определяет момент времени,
когда устройство-исполнитель должно выдать на шину данных
код данных, который буде прочитан процессором.

20.

Типы обмена информацией по шинам
Синхронный и асинхронный обмен
Большое значение имеет то, как процессор заканчивает обмен в
пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена.
Возможны два пути решения:
1.При синхронном обмене процессор заканчивает обмен данными
самостоятельно, через раз и навсегда установленный временной
интервал выдержки (tвыд), то есть без учета интересов устройстваисполнителя;
2.При асинхронном обмене процессор заканчивает обмен только тогда,
когда устройство-исполнитель подтверждает выполнение операции
специальным сигналом (так называемый режим handshake —
рукопожатие).

21.

Типы обмена информацией по шинам
Синхронный и асинхронный обмен
Достоинства синхронного обмена — более простой протокол
обмена, меньшее количество управляющих сигналов.
Недостатки — отсутствие гарантии, что исполнитель
выполнил требуемую операцию, а также высокие требования
к быстродействию исполнителя.
Достоинства асинхронного обмена — более надежная
пересылка данных, возможность работы с самыми разными
по быстродействию исполнителями.
Недостаток — необходимость формирования сигнала
подтверждения всеми исполнителями, то есть
дополнительные аппаратурные затраты

22.

Двухмостовая архитектура
персонального компьютера

23.

Основой такой архитектуры является набор системной
логики или чипсет (chipset).
Обычно чипсет состоит из двух компонентов:
Северный мост (Memory Controller Hub),
Южный мост (I/O Controller Hub).
Северный мост работает со скоростными устройствами,
обеспечивая быструю связь процессора с оперативной
памятью и видеоадаптером.
Южный мост работает с более медленными устройствами
– жесткие диски, звуковые карты, приводы CD/DVD,
сетевые карты, устройства USB, системные часы.

24.

25.

Мост – это микросхема, которая распаяна на
материнской плате и является частью чипсета, они
выполняют связующую функцию между
центральным процессором компьютера и
остальными комплектующими.
На современных материнских платах два моста
больше не используется. Вместо северного и
южного мостов теперь используется исключительно
южный мост, так как все функции северного моста
были интегрированы в процессор

26.

Северный
(1) и южный
мост (2) на
материнской
плате

27.

Типы шин

28.

Классификация шин
По целевому назначению шины
подразделяются на три группы:
•шины «процессор-память»;
•шины ввода/вывода;
•системные шины.
Шина предназначена для обмена
информацией между двумя и более
устройствами. Шина, связывающая только два
устройства, называется портом.

29.

Классификация шин
Шины в ПК различаются по своему функциональному
назначению:
o системная шина используется микросхемами Chipset
для пересылки информации к процессору и обратно;
o шина кэш-памяти предназначена для обмена
информацией между процессором и внешней кэшпамятью;
o шина памяти используется для обмена информацией
между оперативной памятью и процессором;
o шины ввода-вывода используются для обмена
информацией с периферийными устройствами

30.

Шина «процессор-память»

31.

Шина «процессор-память» обеспечивает
непосредственную связь между центральным
процессором и основной памятью.
Эту шину часто называют шиной переднего плана FSB
(Front-Side Bus). Интенсивный обмен информацией
между процессором и памятью требует, чтобы полоса
пропускания шины была наибольшей (диапазон частот,
в пределах которого АЧХ устройства достаточно
равномерна и обеспечивает передачу сигнала без
существенного искажения его формы). Роль этой шины
иногда выполняет системная шина, но выгоднее, если
обмен между ЦП и ОП ведется по отдельной шине.

32.

Шина переднего плана FSB
Системная шина (FSB) – канал, по которому процессор
соединен с другими устройствами компьютера.
К шине напрямую подключен только процессор, другие
устройства компьютера подключены к ней через
разнообразные контроллеры.
Центральный процессор через системную шину (FSB)
подключается к системному контроллеру (Северный
Мост или North Bridge). Северный мост оснащен
контроллером ОЗУ (или же этот контроллер встроен в
центральный процессор), а также контроллеры шин для
подключения периферийных устройств

33.

Шина заднего плана
Для связи процессора с кэш-памятью второго уровня
используется шина заднего плана – BSB (Back-Side Bus),
позволяющая вести обмен с большей скоростью, чем FSB.
Эта шина (BSB) была названа двойной независимой
шиной (англ. DIB — dual independed bus)
Она работает только со специфичными устройствами.
Каждая из вторичных шин работает на своей частоте
(которая может быть как выше, так и ниже частоты FSB).
Иногда частота вторичной шины является производной от
частоты FSB, иногда задаётся независимо.

34.

Шина ввода/вывода
Шина ввода/вывода служит для соединения процессора
(памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ).
Ввиду разнообразия таких устройств шины
ввода/вывода унифицируются и стандартизируются.
Большинство УВВ (кроме видеосистем) не требуют от
шины высокой пропускной способности, учитывается
стоимость конструктива и соединительных разъемов.
В шинах используется меньше линий, длина линий
может быть весьма большой.

35.

Шина адреса
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство
процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые
могут иметь уникальные адреса.
Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по
формуле:
N =2 I , где I — разрядность шины адреса.
Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е.
максимальный объем адресуемой памяти:
N =2 I = 2 16= 64 Кб
N=2 I=2 24= 16 Мб
N=2I=2 20= 1 Мб
N= 2 I = 2 32= 4 Гб
Разрядность шины адреса постоянно увеличивается . Для 32 битного
адреса максимально возможное количество адресуемых ячеек
памяти равно: N =32= 2 32 = 4 294 967 296 = 4 Гб

36.

Шина данных
Шина данных — часть системной шины,
предназначенная для передачи данных между
компонентами компьютера.
Основной характеристикой шины данных
является её ширина в битах. Ширина шины
данных определяет количество информации,
которое можно передать за один такт.

37.

Шина управления
По шине управления передаются сигналы такие, как
сигналы чтения, записи, готовности, определяющие
характер обмена информацией по магистрали.
Сигналы управления определяют, какую операцию
считывание или запись информации из памяти нужно
производить, синхронизируют обмен информацией
между устройствами.

38.

Шина управления
Каждое внешнее устройство, которому нужно
обратиться к процессору, имеет на этой шине
собственную линию. Когда периферийное
устройство «хочет обратиться» к процессору, оно
устанавливает на этой линии специальный сигнал
(сигнал прерывания), заметив который, процессор
прерывает выполняемые в этот момент действия и
обращается (командой чтения или записи) к
устройству.