Автобус (вычисления) - Bus (computing)

Четыре PCI Express слоты для платы шины (сверху вниз: × 4, × 16, × 1 и × 16), по сравнению с 32-битным обычный PCI слот для карты шины (самый нижний)

В компьютерная архитектура, а автобус^[1] (сокращение от латинского омнибус^{[нужна цитата ]}, и исторически также называется магистраль данных^[2]) - это система связи, которая передает данные между компонентами внутри компьютер, или между компьютерами. Это выражение охватывает все связанные аппаратное обеспечение компоненты (провод, оптоволокно и т. д.) и программного обеспечения, 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 параллельное соединение. электрический автобус. Современные компьютерные автобусы могут использовать оба параллельно и бит серийный соединения и могут быть подключены либо многоточечный (электрическая параллель) или гирлянда топологии или подключены коммутируемыми концентраторами, как в случае USB.

Предпосылки и номенклатура

Компьютерные системы обычно состоят из трех основных частей:

• В центральное процессорное устройство (CPU), который обрабатывает данные,
• В объем памяти который содержит программы и данные для обработки, и
• Ввод / вывод (ввод, вывод ) устройства как периферийные устройства которые общаются с внешним миром.

Ранний компьютер мог содержать подключенный вручную процессор вакуумные трубки, а магнитный барабан для основной памяти и перфолента и принтер для чтения и записи данных соответственно. Современная система может иметь многоядерный процессор, DDR4 SDRAM на память твердотельный накопитель за вторичное хранилище, а видеокарта и ЖК-дисплей в качестве системы отображения мышь и клавиатура для взаимодействия, а Вай фай соединение для сеть. В обоих примерах компьютерные шины той или иной формы перемещают данные между всеми этими устройствами.

В самых традиционных компьютерные архитектуры, ЦП и основная память, как правило, тесно связаны. А микропроцессор обычно представляет собой одну микросхему, которая имеет ряд электрические соединения на его булавки который можно использовать для выбора "адрес" в основной памяти и еще один набор контактов для чтения и записи данных, хранящихся в этом месте. В большинстве случаев ЦП и память совместно используют сигнальные характеристики и работают в синхронность. Шина, соединяющая ЦП и память, является одной из определяющих характеристик системы, и ее часто называют просто системная шина.

Можно разрешить периферийным устройствам обмениваться данными с памятью таким же образом, подключив адаптеры в виде карты расширения напрямую к системной шине. Обычно это достигается с помощью какого-то стандартного электрического соединителя, некоторые из которых образуют шина расширения или же местный автобус. Однако, как спектакль Различия между ЦП и периферийными устройствами сильно различаются, обычно требуется какое-то решение, чтобы периферийные устройства не замедляли 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 как прямой доступ к памяти. Большинство современных систем сочетают в себе 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 SATA порты в современных компьютерах, которые позволяют подключать несколько жестких дисков без необходимости использования карты. 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 стандартизованный универсальная последовательная шина (USB). Все такие примеры можно обозначить как периферийные шины, хотя эта терминология не универсальна.

В современных системах разница в производительности между процессором и основной памятью настолько выросла, что увеличивающийся объем высокоскоростной памяти встроен непосредственно в процессор, что называется тайник. В таких системах процессоры обмениваются данными с помощью высокопроизводительных шин, которые работают со скоростью, намного превышающей скорость памяти, и обмениваются данными 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 имеют общей архитектуры 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 фронтальный автобус.

Учитывая эти изменения, классические термины «система», «расширение» и «периферийный» больше не имеют одинаковых коннотаций. Другие распространенные системы категоризации основаны на основной роли шины: внутреннее или внешнее соединение устройств, PCI vs. SCSI например. Однако для обоих можно использовать многие распространенные современные шинные системы; SATA и связанные eSATA являются одним из примеров системы, которая раньше называлась внутренней, в то время как некоторые автомобильные приложения используют в основном внешние IEEE 1394 способом, более похожим на системную шину. Другие примеры, например InfiniBand и I²C были разработаны с самого начала для внутреннего и внешнего использования.

Внутренние автобусы

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

Внешние автобусы

Внешняя шина, или шина расширения, состоит из электронных проводов, которые соединяют различные внешние устройства, такие как принтер и т. д., с компьютером.

Адресная шина

An адресная шина это шина, которая используется для указания Физический адрес. Когда процессор или же DMA -включенное устройство должно читать или записывать в ячейку памяти, она указывает эту ячейку памяти на адресной шине (значение для чтения или записи отправляется на шина данных ). Ширина адресной шины определяет объем памяти, который может адресовать система. Например, система с 32-битный адресная шина может адресовать 2³² (4294967296) ячеек памяти. Если каждая ячейка памяти содержит один байт, размер адресуемой памяти составляет 4 ГиБ.

Мультиплексирование адресов

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, этот подход стал дорогим с точки зрения количества выводов микросхемы и следов на плате. Начиная с Mostek 4096 DRAM, мультиплексирование адресов реализовано с помощью мультиплексоры стало обычным явлением. В схеме мультиплексированного адреса адрес отправляется 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 с использованием 16 строк и отправкой 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.

Выполнение

Для доступа к отдельному байту часто требуется чтение или запись полной ширины шины ( слово ) однажды. В этих случаях наименее значимые биты адресной шины могут даже не быть реализованы - вместо этого контролирующее устройство несет ответственность за изоляцию отдельного требуемого байта от всего передаваемого слова. Так обстоит дело, например, с Местный автобус VESA в котором отсутствуют два младших бита, что ограничивает эту шину выровнен 32-битные переводы.

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

Детали реализации

Автобусы могут быть параллельные автобусы, которые несут слова данных параллельно на нескольких проводах, или серийные автобусы, которые несут данные в последовательной битовой форме. Добавление дополнительных силовых и управляющих соединений, дифференциальные драйверы, а соединения для передачи данных в каждом направлении обычно означают, что большинство последовательных шин имеют больше проводников, чем минимум один, используемый в 1-Wire и UNI / O. По мере увеличения скорости передачи данных проблемы временной сдвиг, потребляемая мощность, электромагнитные помехи и перекрестные помехи через параллельные автобусы становится все труднее обойти. Одним из частичных решений этой проблемы было двойной насос автобус. Часто последовательная шина может работать с более высокими общими скоростями передачи данных, чем параллельная шина, несмотря на меньшее количество электрических соединений, потому что последовательная шина по своей природе не имеет временного сдвига или перекрестных помех. USB, FireWire, и Последовательный ATA примеры этого. Многоточечный соединения не работают для быстрых последовательных шин, поэтому большинство современных последовательных шин используют гирляндное соединение или конструкции ступицы.

Сеть такие связи, как Ethernet обычно не считаются автобусами, хотя различие носит скорее концептуальный, нежели практический характер. Атрибут, обычно используемый для характеристики шины, заключается в том, что шина обеспечивает питание подключенного оборудования. Это подчеркивает шина истоки архитектуры шины как коммутируемая или распределенная мощность. Это исключает, в качестве автобусов, такие схемы, как серийный RS-232, параллельно Centronics, IEEE 1284 интерфейсы и Ethernet, поскольку эти устройства также нуждались в отдельных источниках питания. универсальная последовательная шина устройства могут использовать питание от шины, но часто используют отдельный источник питания. Это различие иллюстрируется телефон система с подключенным модем, где RJ11 соединение и связанная с ним схема модулированной сигнализации не считается шиной и аналогична Ethernet связь. Схема подключения телефонной линии не считается шиной по сигналам, но Центральный офис использует автобусы с поперечные переключатели для связи между телефонами.

Однако это различие - «мощность обеспечивается автобусом» - во многих авиационные системы, где подключения к данным, такие как ARINC 429, ARINC 629, MIL-STD-1553B (STANAG 3838) и EFABus (STANAG 3910 ) обычно называют «шинами данных» или, иногда, «шинами данных». Такой авиационные шины данных обычно характеризуются наличием нескольких устройств или Заменяемые позиции / единицы линии (LRI / LRU) подключены к общему, общему средства массовой информации. Они могут, как и ARINC 429, быть симплекс, то есть иметь один источник LRI / LRU или, как в ARINC 629, MIL-STD-1553B и STANAG 3910, быть дуплекс, разрешить всем подключенным LRI / LRU действовать в разное время (полудуплекс ), как передатчики и приемники данных.^[4]

Мультиплексирование шины

Некоторые процессоры используют выделенный провод для каждого бита адресной шины, шины данных и шины управления. Например, 64-контактный 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 различных шин питания.

Для мультиплексирования шины требуется меньше проводов, что снижает затраты во многих ранних микропроцессорах и микросхемах DRAM. Одна общая схема мультиплексирования, мультиплексирование адресов В другой схеме мультиплексирования контакты адресной шины повторно используются в качестве контактов шины данных. обычный PCI. 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

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", разработанная EISA, так далее.^{[нужна цитата ]}

Первое поколение

Рано компьютер автобусы были связками проводов, которые прикрепляли память компьютера и периферийные устройства. Анекдотично названный "цифра ствола",^[5] они были названы в честь электрических автобусов, или шины. 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 прерывает. Ранние компьютерные программы выполнены Ввод / вывод к ожидание в цикле чтобы периферийное устройство было готово. 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 установить 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 контроллеры каналов, которые по сути представляли собой небольшие компьютеры, предназначенные для обработки ввода и вывода данной шины. IBM представил их на IBM 709 в 1958 году, и они стали общей чертой их платформ. Другие высокопроизводительные производители, такие как Корпорация Control Data реализованы аналогичные конструкции. 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.

Одинокий системная шина

Для обеспечения модульности шины памяти и ввода-вывода могут быть объединены в единую системная шина.^[6] В этом случае можно использовать единую механическую и электрическую систему 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 расставить приоритеты для прерываний или доступа к шине - это гирлянда. В этом случае сигналы будут естественным образом проходить через шину в физическом или логическом порядке, что устраняет необходимость в сложном планировании.

Мини и микро

Корпорация цифрового оборудования (DEC) дополнительно снизила стоимость массового производства миникомпьютеры, и подключенная периферия в шину памяти, так что устройства ввода и вывода оказались ячейками памяти. Это было реализовано в Юнибус из PDP-11 около 1969 г.^[7]

Рано микрокомпьютер автобусные системы были по сути пассивными объединительная плата подключены напрямую или через буферные усилители к выводам ЦПУ. 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 прерванный ЦП, передавая сигналы на отдельные выводы ЦП.

Например, дисковод Контроллер 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 Автобус С-100 в Альтаир 8800 компьютерная система.

В некоторых случаях, особенно в IBM PC Хотя может использоваться аналогичная физическая архитектура, инструкции для доступа к периферийным устройствам (в и из) и память (mov и другие) вообще не были унифицированы и по-прежнему генерируют отдельные сигналы ЦП, которые можно использовать 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.

Увеличить скорость процессора становится сложнее, потому что скорость всех устройств также должна увеличиваться. Когда нецелесообразно или экономично иметь все устройства так же быстро, как ЦП, ЦП должен либо войти в состояние ожидания, или временно работать на более низкой тактовой частоте,^[8] разговаривать с другими устройствами на компьютере. Хотя приемлемо в встроенные системы, эта проблема долгое время не допускалась на компьютерах общего назначения, расширяемых пользователем.

Такие шинные системы также сложно конфигурировать, если они построены из стандартного стандартного оборудования. Обычно каждый добавляется карта расширения требует много прыгуны для установки адресов памяти, адресов ввода / вывода, приоритетов прерываний и номеров прерываний.

Второе поколение

Автобусные системы второго поколения, такие как NuBus решила 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 принимаемые данные со стороны ЦП перемещаются на сторону периферийных устройств, тем самым перекладывая нагрузку на протокол связи с самого ЦП. Это позволило процессору 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 лучшей производительности в реальном мире, но также потребовало, чтобы карты были намного более сложными. Эти шины также часто решали проблемы скорости, будучи «больше» с точки зрения размера пути данных, переходя с 8-битного параллельные автобусы в первом поколении до 16- или 32-битного во втором, а также добавление настройки программного обеспечения (теперь стандартизовано как Plug-n-play ) для замены или замены перемычек.

Тем не менее, эти новые системы имели одно общее качество 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 частым примером этой проблемы было то, что видеокарты быстро обогнали даже более новые автобусные системы, такие как PCI, и компьютеры стали включать AGP просто чтобы видеокарту погонять. К 2004 году AGP снова переросли высокопроизводительные видеокарты и другую периферию и были заменены новыми. PCI Express автобус.

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

Третье поколение

Автобусы «третьего поколения» появляются на рынке примерно с 2001 года, в том числе Гипертранспорт 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 автобусы третьего поколения больше похожи на сеть чем исходная концепция шины, с более высокими накладными расходами протокола, чем в ранних системах, а также с возможностью одновременного использования шины несколькими устройствами.

Автобусы типа Wishbone были разработаны оборудование с открытым исходным кодом движение с целью дальнейшего устранения юридических и патентных ограничений компьютерного дизайна.

Четвертое поколение

В Вычислить экспресс-ссылку (CXL) - это открытый стандарт соединять для высокоскоростной ЦПУ -to-device и CPU-to-memory, предназначенные для ускорения следующего поколения Дата центр спектакль.^{[9][нужна цитата ]}

Примеры внутренних компьютерных шин

Параллельный

Серийный

Примеры внешних компьютерных шин

Параллельный

Серийный

Примеры внутренних / внешних компьютерных шин

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Автобусы компьютерной техники в Керли
• Распиновка шин и слотов компьютерной техники с кратким описанием