Магистрально-модульный принцип построения компьютера: основные элементы и их назначение

Что такое компьютерная шина (computer bus)

Персональный компьютер — устройство сколь сложное, столько и простое. Сложное оно потому, что за его элементами стоит многолетний труд инженеров. Просто из-за того, что внутреннее его устройство спроектировано как можно проще. Основным фактором этого является стандартизация узлов ПК. Сегодня речь пойдёт об одной из важнейших его составляющих — компьютерных шинах.

Как правило, на обывательском уровне принято уравнивать компьютерную шину и используемые ею разъём. Конечно, это неправильный подход. Разъём это один из составляющих компьютерной шины.

Если говорить обобщённо, то компьютерная шина это специализированная подсистема, которая отвечает за передачу данных между комплектующими персонального компьютера или между функциональными блоками.

Прародителями современных компьютерных шин были группы проводников, чья функция состояла в том, чтобы подключить оперативную память и различные периферийные устройства к центральному процессору. Уже на начальном этапе сложилась практика использования различных интерфейсов (разъёмов) для подключения устройств. Кроме того, определилось разделение шин на локальные (или внутренние) и периферийные (внешние). И те, и другие отвечают за подключение к материнской плате. Разница в том, что локальные шины отвечают за подключение к материнской плате внутренних устройств компьютера (т.е. тех, что внутри корпуса), а внешние шины отвечают за подключение периферийных устройств (которых находятся вне корпуса компьютера).

Во всей этой схеме центральным звеном является материнская плата. Именно на ней мы можем увидеть множество разъёмов. Это должно сказать нам, что материнская плата представляет собой скопление множества шин. В общем-то, её главная функция как раз и заключается в том, чтобы связывать между собой внутренние и внешние устройства.

Материнская плата это множество разъемов и габариты побольше прочих.

Различные устройства подключаются через северный и южный мосты на материнской плате. Данная концепция зарекомендовала себя как проверенная временем. И, несмотря на появление большого числа новых интерфейсов и эволюцию типоразмеров ПК, эта схема остаётся неизменной уже долгое время.

Говоря о компьютерных шинах, невозможно не упомянуть две важнейших категории — последовательные и параллельные шины. Это разделение основывается на количестве сигнальных линий, используемых в шине.

В последовательной компьютерной шине сигнальная линия одна. При этом допускается использование двух каналов для разделения потоков приёма и передачи. Чтобы не слишком усложнять описание, скажем, что в последовательной шине биты передаются один за другим (последовательно, как ни странно).

Передача информации через последовательную шину.

Передаваемые биты облекаются в байт (8 бит = 1 байт). Первым делом передаётся так называемый стартовый бит. Он является противоположной полярностью состоянию незанятой линии. После этого передаются 8 бит полезной информации. После этого идёт бит чётности, а последним стоповый бит. Он говорит о том, что передача завершена.

Из описания последовательной шины может показаться, что их «ширина» составляет только один бит. Но это совсем не так. Хотя принцип устройства последовательной шины и подразумевает передачу бит за битом, ширина это шины может быть и 2 бита, и 8 бит, и так далее. При этом данные разделены на логическом уровне.

Из примеров последовательной шины очень распространенным является стандарт RS-232, применяемый, как правило, при соединении различного компьютерного и телекоммуникационного оборудования.

Параллельные шины представляют собой своего рода совокупность сигнальных линий. В параллельных шинах ширина соответствует количеству сигнальных линий. Другими словами, ширина параллельных шин соответствует количеству передаваемых битов информации. Сигнал каждой линии может принимать два значения — 0 или 1. На физическом уровне это означает, что в параллельной шине используется большее число проводов или стекловолокон, нежели в последовательной. Если последовательная и параллельные шины работают на одной и той же частоте, то параллельный канал окажется быстрее.

Для стабильной передачи сигнала параллельные каналы передачи данных обладают дополнительными контрольными сигналами и, как следствие, контроллером, который отвечает за управление процессом обмена данными. Это несколько усложняет процесс обмена данными, поскольку контроллеру требуется внешних синхронизирующий сигнал.

Из известных примеров параллельных шин можно вспомнить ISA, ATA (также известен как IDE или PATA), SCSI или PCI.

Скорее всего, читателя интересует вопрос, какой из двух подходов лучше. Как ни странно, живы оба. Причина лежит на физическом уровне.

По сути, скорость передачи данных это тактовая частота, которую надо помножить на разрядность. В параллельных шинах на скорость передачи данных влияют следующие факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки и прочее. В последовательных шинах повышение частоты упирается в возможности приемопередающих цепей. Фактически, если говорить о последовательных шинах, то всё упирается в свойства используемого кабеля. На текущий момент свойств оптического кабеля хватает для передачи данных. Поэтому последовательный способ передачи данных рано сбрасывать со счетов. Тем более, если речь идёт о передачи на дальние расстояния.

Также необходимо упомянуть такие понятия, как шина адреса, шина данных и шина управления.

Шина адреса — это компьютерная шина, которая используется центральным процессором или другими устройствами, обладающими прямым доступом к памяти, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения чтения или записи.

Шина данных — это компьютерная шина, отвечающая за передачу данных между компонентами компьютера.

Шина управления — это компьютерная шина, передающая сигналы, которые сообщают устройствам, какую операцию необходимо проводить.

Напоследок о такой важной характеристике компьютерных шин как пропускная способность, которая измеряется в количестве бит в секунду (бит/с) или байт в секунду (Б/с). Скорость работы параллельных шин обычно измеряют в байтах в секунду, а последовательных — в битах в секунду.

Что такое шина данных?

Шина данных имеет в компьютере достаточно важное значение, которое кроется, прежде всего, в передаче информационного потока. Он следует от некоторого одного устройства к другому. Вот самый простой пример: информацией о задаче обмениваются процессор и оперативная память.

Стоит параллельно отметить тот факт, что именно разрядность процессора будет оказывать определяющее влияние на разрядность шины данных. А что же тогда представляет собой разрядность процессора? На самом деле ничего сложного здесь нет. Разрядность процессора есть не что иное, как количество тех двоичных разрядов, которые одновременно процессором и обрабатываются, и передаются.

Магистраль (системная шина)

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Шина представляет собой канал передачи данных в виде электронных проводников на материнской плате или многожильного кабеля.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины:

ü шину данных,

ü шину адреса,

ü шину управления.

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные данные из оперативной памяти могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения.

Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных зависит от разрядности процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться процессором одновременно. Разрядность процессора постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бита.

Шина адреса. По ней передаются адреса ячеек памяти, которые используются для хранения обрабатываемых данных, а также адреса внешних устройств, подключенные к компьютеру. (каждая ячейка оперативной памяти или устройство имеет свой адрес). Сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство). Адресное пространство – это количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Количество адресуемых ячеек памяти (адресное пространство) рассчитывается по формуле: N=2 i , где i – разрадность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивается и в процессорах Pentium Extreme Edition составляет 64 бита. Таким образом, адресное пространство оперативной памяти составляет

Шина управления.По ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали: считывание или запись информации из памяти.

Системные платы

Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.

Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.

• Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
• Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
• Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres — это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение — 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
• Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
• Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI — компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
• Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.

Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser (CNR). Подобные специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выполнение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являются универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к какой-либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как стандартные, так и расширенные системные платы, не резервируя на них место для установки дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъемы AMR/CNR имеют узкоспециализированное назначение.

В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем, например hub-интерфейса и шины LPC. Hub-интерфейс представляет собой четырехтактную (4x) 8-разрядную шину с рабочей частотой 66 МГц, которая используется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях. Некоторые современные наборы микросхем для рабочих станций и серверов, а также последняя серия 9xx от Intel для настольных компьютеров используют более быстродействующие версии этого hub-интерфейса. Сторонние производители наборов микросхем системной логики также реализуют свои конструкции высокоскоростных шин, соединяющих отдельные компоненты набора между собой.

Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 16,67 Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значительно меньше контактов. Она позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.

Набор микросхем системной логики можно сравнить с дирижером, который руководит оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к собственной шине.

• Шины ISA, EISA, VL-Bus и MCA в современных конструкциях системных плат не используются. Мбайт/с. Мегабайт в секунду.
• ISA. Industry Standard Architecture (архитектура промышленного стандарта), известная также как 8-разрядная PC/XT или 16разрядная AT-Bus.
• LPC. Шина Low Pin Count (шина с малым количествомконтактов).
• VL-Bus. VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus (расширение ISA).
• MCA. MicroChannel Architecture (микроканальная архитектура) (системы IBM PS/2).
• PC-Card. 16-разрядный интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). CardBus. 32-разрядная шина PC-Card.
• Hub Interface. Шина набора микросхем Intel серии 8xx.
• PCI. Peripheral Component Interconnect (шина взаимодействия периферийных компонентов).
• AGP. Accelerated Graphics Port (ускоренный графический порт).
• RS-232. Стандартный последовательный порт, 115,2 Кбайт/с.
• RS-232 HS. Высокоскоростной последовательный порт, 230,4 Кбайт/с.
• IEEE-1284 Parallel. Стандартный двунаправленный параллельный порт.
• IEEE-1284 EPP/ECP. Enhanced Parallel Port/Extended Capabilities Port (параллельный порт с расширенными возможностями). . Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина).
• IEEE-1394. Шина FireWire, называемая также i.Link. PIO. AT Attachment (известный также как IDE) Programmed I/O (шина ATA с программируемым вводом-выводом).
• ATA-UDMA. AT Attachment Ultra DMA (режим Ultra-DMA шины ATA).
• SCSI. Small Computer System Interface (интерфейс малых компьютерных систем).
• FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
• EDO. Extended Data Out (расширенный ввод-вывод).
• SDRAM. Synchronous Dynamic RAM (синхнонное динамическое ОЗУ).
• RDRAM. Rambus Dynamic RAM (динамическое ОЗУ технологии Rambus).
• RDRAM Dual. Двухканальная RDRAM (одновременное функционирование).
• DDR-SDRAM. Double-Data Rate SDRAM (SDRAM с удвоенной скоростью).
• CPU FSB. Шина процессора (или Front-Side Bus).
• Hub-интерфейс. Шина набора микросхем Intel 8xx.
• HyperTransport. Шина набора микросхем AMD.
• V-link. Шина набора микросхем VIA Technologies.
• MuTIOL. Шина набора микросхем SiS.
• DDR2. Новое поколение памяти стандарта DDR.

Для повышения эффективности во многих шинах в течение одного такта выполняется несколько циклов передачи данных. Это означает, что скорость передачи данных выше, чем это может показаться на первый взгляд. Существует достаточно простой способ повысить быстродействие шины с помощью обратно совместимых компонентов.

Магистрально-модульный принцип построения ПК

На прошлых уроках вы познакомились с назначением и характеристиками основных устройств компьютера. Очевидно, что все эти устройства не могут работать по отдельности, а только в составе всего компьютера. Поэтому для понимания того, как компьютер обрабатывает информацию, необходимо рассмотреть структуру компьютера и основные принципы взаимодействия его устройств.

В соответствии с назначением компьютера как инструмента для обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организованно таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки информации. (Какие?) Схему устройства компьютера мы рассмотрели на 5 уроке. (Вспоминаем.)

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными.

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.

Обработка данных на компьютере:

1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома. Основными модулями компьютера являются память и процессор. Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков компьютера. Действия процессора определяются командами программы, хранящейся в памяти.

Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и дл работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.

В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а так же приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.