Системная шина — важнейший элемент компьютера

Передача данных по системной шине компьютера. Процессоры. Современные системные шины

Скорость шины системной платы не влияет на скорость установленного процессора. В компьютере, материнская плата и процессор — это две отдельные составляющие. Тем не менее, пользовательский опыт измерений заключается в том, насколько хорошо они работают вместе.

Процессор

Основной процессор компьютера, имеет определенную скорость. На некоторых компьютерах скорость процессора может быть изменена через настройки BIOS материнской платы. Ошибки совместимости оборудования в сторону скорости процессора не меняются из-за любой другой части компьютера. Но процессор является самой быстрой частью компьютера и часто другое оборудование не может за ним угнаться. Процессор обрабатывает всю вычислительную работу компьютера за пределами крупной графической работы которая выполняется с помощью GPU.

Шина материнской платы

Шина материнской платы — это часть устройства, которая передает данные между деталями компьютера. Термин «скорость шины» относится к тому, как быстро системная шина может перемещать данные с одного компонента компьютера к другому. Чем быстрее шина, тем больше данных она может передвигать в течение определенного количества времени. К системной «шине» подключается процессор для компьютера через «северный мост», который организует обмен данными между оперативной памятью компьютера и процессором. Это самая быстрая часть шины материнской платы и обрабатывает наиболее жизненно важную нагрузку компьютера.

Знать строение компьютера обычному пользователю совершенно не обязательно. Но если вы хотите считать себя продвинутым пользователем, который без труда справляется с любой поставленной компьютерной задачей, да к тому же собирается в ближайшем будущем самостоятельно собрать свой первый системный блок, то подобные знания просто необходимы.

Функционирование компьютера невозможно без наличия в нем хотя бы одной из перечисленных ниже систем:

1. Процессора.
2. Видеоплаты.
3. Оперативного запоминающего устройства.

Но даже все эти компоненты в совокупности не смогут функционировать. Для этого необходимо организовать между ними связь, посредством которой осуществлялись бы логические и вычислительные операции. Подобные системы связи организуют системные шины компьютера. Поэтому можно сказать, что это еще один незаменимый компонент системного блока.

Системная шина

Системная шина – это совокупность путей передачи данных, которые обеспечивают взаимосвязанную работу между остальными элементами компьютера: процессором, видеоадаптером, жесткими дисками и другими компонентами. Данное устройство состоит из нескольких уровней:

• механического;
• электрического или физического;
• логического и уровня управления.

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

• Шины данных — все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные;
• Адресные шины — связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;
• Шины питания — эти шины питают электричеством различные, подключенные к ним устройства;
• Шина таймера — эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;
• Шина расширений — позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид — это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора.

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

• ISA — Industry Standard Architecture;
• EISA — Extended Industry Standard Architecture;
• MCA — Micro Channel Architecture;
• VESA — Video Electronics Standards Association;
• PCI — Peripheral Component Interconnect;
• PCI-E — Peripheral Component Interconnect Express;
• PCMCIA — Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);
• AGP — Accelerated Graphics Port;
• SCSI — Small Computer Systems Interface.

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Из других усовершенствований этой шины можно отметить использование 24 адресных линий, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти. Эта шина имела обратную совместимость с 8 битным вариантом, поэтому здесь можно было использовать все старые карты. Первая версия шины работала на частоте процессора — 4,77 МГц, во второй реализации частота была увеличена до 8 МГц.

Шина MCA

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

Peripheral Component Interconnect (PCI) — это самая новая разработка в области шин расширений. Она является текущем стандартом для карт расширений персональных компьютеров. Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с памятью и другими периферийными устройствами.

PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных, количество передаваемых данных равно разрядности процессора, 32 битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64 битный — 64 битную. Работает шина на частоте 33 МГц.

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

AGP использует оперативную память компьютера для хранения 3D изображений. По сути, это дает видеокарте неограниченный объем видеопамяти. Чтобы ускорить передачу данных Intel разработала AGP как прямой путь передачи данных в память. Диапазон скоростей передачи — 264 Мбит до 1,5 Гбит.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Шина USB

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

Более новая спецификация — USB 2.0 появилась в 2002 году. Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это в 40 раз быстрее чем раньше.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

Параметры системной шины

• Частота системной шины показывает скорость, с которой та способна предавать информацию.
• Разрядность или ширина – количество данных (бит), которые магистраль пропускает через себя за один такт. Для современных материнских плат это 128-512 бит, реже – 1024 бита.

Частота FSB определяет быстродействие процессора. Каждому ЦП присущ свободный (разблокированный) или заблокированный множитель – коэффициент, который умножается на частоту шины. Например, FSB работает на частоте 200 МГц, множитель процессора равен 16. Его внутренняя (реальная) частота равняется 200 * 16 = 3200 МГц или 3,2 ГГц. У большинства ЦП, кроме дорогих моделей, рассчитанных на любителей разгона и геймеров, множитель заблокирован. Их быстродействие определяется частотой FSB.

Шина процессора

Шина процессора — соединяет процессор с северным мостом или контроллером памяти MCH. Она работает на частотах 66–200 МГц и используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Схема взаимодействия шин в типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на рисунке.

На этом рисунке четко видна трехуровневая архитектура, в которой на самом верхнем уровне иерархии находится шина процессора, далее следует шина PCI и за ней шина ISA. Большинство компонентов системы подключается к одной из этих трех шин.

В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэш-память второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100 МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой тактовой частотой рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно низкой частоте системной платы. Например, в наиболее быстродействующих системах Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора при множителе 3,5х достигает только 66 МГц. Следовательно, кэш-память второго уровня также работает на частоте 66 МГц. Возьмем, например, систему Socket 7, использующую процессоры AMD K6-2 550, работающие на частоте 550 МГц: при множителе 5,5х ч астота шины процессора равна 100 МГц. Следовательно, в этих системах частота кэш-памяти второго уровня достигает только 100 МГц.

Проблема медленной кэш-памяти второго уровня была решена в процессорах класса P6, таких как Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, а также AMD Athlon и Duron. В этих процессорах использовались разъемы Socket 8, Slot 1, Slot 2, Slot A, Socket A или Socket 370. Кроме того, кэш-память второго уровня была перенесена с системной платы непосредственно в процессор и соединена с ним с помощью встроенной шины. Теперь эта шина стала называться шиной переднего плана (Front-Side Bus — FSB), однако я, согласно устоявшейся традиции, продолжаю называть ее шиной процессора.

Включение кэш-памяти второго уровня в процессор позволило значительно повысить ее скорость. В современных процессорах кэш-память расположена непосредственно в кристалле процессора, т.е. работает с частотой процессора. В более ранних версиях кэш-память второгоуровня находилась в отдельной микросхеме, интегрированной в корпус процессора, и работала с частотой, равной 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора. Однако даже в этом случае скорость интегрированной кэш-памяти была значительно выше, чем скорость внешнего кэша, ограниченного частотой системной платы Socket 7.

В системах Slot 1 кэш-память второго уровня была встроена в процессор, но работала только на его половинной частоте. Повышение частоты шины процессора с 66 до 100 МГц привело к увеличению пропускной способности до 800 Мбайт/с. Следует отметить, что в большинство систем была включена поддержка AGP. Частота стандартного интерфейса AGP равна 66 МГц (т.е. вдвое больше скорости PCI), но большинство систем поддерживают порт AGP 2x, быстродействие которого вдвое выше стандартного AGP, что приводит к увеличению пропускной способности до 533 Мбайт/с. Кроме того, в этих системах обычно использовались модули памяти PC100 SDRAM DIMM, скорость передачи данных которых равна 800 Мбайт/с.

В системах Pentium III и Celeron разъем Slot 1 уступил место гнезду Socket 370. Это было связано главным образом с тем, что более современные процессоры включают в себя встроенную кэш-память второго уровня (работающую на полной частоте ядра), а значит, исчезла потребность в дорогом корпусе, содержащем несколько микросхем. Скорость шины процессора увеличилась до 133 МГц, что повлекло за собой повышение пропускной способности до 1066 Мбайт/с. В современных системах используется уже AGP 4x со скоростью передачи данных 1066 Мбайт/с.

Шина процессора на основе hub-архитектуры

Обратите внимание на hub-архитектуру Intel, используемую вместо традиционной архитектуры “северный/южный мост”. В этой конструкции основное соединение между компонентами набора микросхем перенесено в выделенный hub-интерфейс со скоростью передачи данных 266 Мбайт/с (вдвое больше, чем у шины PCI), что позволило устройствам PCI использовать полную, без учета южного моста, пропускную способность шины PCI. Кроме того, микросхема Flash ROM BIOS, называемая теперь Firmware Hub, соединяется с системой через шину LPC. Как уже отмечалось, в архитектуре “северный/южный мост” для этого использовалась микросхема Super I/O. В большинстве систем для соединения микросхемы Super I/O вместо шины ISA теперь используется шина LPC. При этом hub-архитектура позволяет отказаться от использования Super I/O. Порты, поддерживаемые микросхемой Super I/O, называются традиционными (legacy), поэтому конструкция без Super I/O получила название нетрадиционной (legacy-free) системы. В такой системе устройства, использующие стандартные порты, должны быть подсоединены к компьютеру с помощью шины USB. В этих системах обычно используются два контроллера и до четырех общих портов (дополнительные порты могут быть подключены к узлам USB).

В системах, созданных на базе процессоров AMD, применена конструкция Socket A, в которой используются более быстрые по сравнению с Socket 370 процессор и шины памяти, но все еще сохраняется конструкция “северный/южный мост”. Обратите внимание на быстродействующую шину процессора, частота которой достигает 333 МГц (пропускная способность — 2664 Мбайт/с), а также на используемые модули памяти DDR SDRAM DIMM, которые поддерживают такую же пропускную способность (т.е. 2664 Мбайт/с). Также следует заметить, что большинство южных мостов включает в себя функции, свойственные микросхемам Super I/O. Эти микросхемы получили название Super South Bridge (суперъюжный мост).

Система Pentium 4 (Socket 423 или Socket 478), созданная на основе hub-архитектуры, показана на рисунке ниже. Особенностью этой конструкции является шина процессора с тактовой частотой 400/533/800 МГц и пропускной способностью соответственно 3200/4266/6400 Мбайт/с. Сегодня это самая быстродействующая шина. Также обратите внимание на двухканальные модули PC3200 (DDR400), пропускная способность которых (3200 Мбайт/с) соответствует пропускной способности шины процессора, что позволяет максимально повысить производительность системы. В более производительных системах, включающих в себя шину с пропускной способностью 6400 Мбайт/с, используются двухканальные модули DDR400 с тактовой частотой 400 МГц, благодаря чему общая пропускная способность шины памяти достигает 6400 Мбайт/с. Процессоры с частотой шины 533 МГц могут использовать парные модули памяти (PC2100/DDR266 или PC2700/DDR333) в двухканальном режиме для достижения пропускной способности шины памяти 4266 Мбайт/с. Соответствие пропускной способности шины памяти рабочим параметрам шины процессора является условием оптимальной работы.

Процессор Athlon 64, независимо от типа гнезда (Socket 754, Socket 939 или Socket 940), использует высокоскоростную архитектуру HyperTransport для взаимодействия с северным мостом или микросхемой AGP Graphics Tunnel. Первые наборы микросхем для процессоров Athlon 64 использовали версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/800 МГц, однако последующие модели, предназначенные для поддержки процессоров Athlon 64 и Athlon 64 FX в исполнении Socket 939, используют более быструю версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/1 ГГц.

Наиболее заметным отличием архитектуры Athlon 64 от всех остальных архитектур ПК является размещение контроллера памяти не в микросхеме северного моста (или микросхеме MCH/GMCH), а в самом процессоре. Процессоры Athlon 64/FX/Opteron оснащены встроенным контроллером памяти. Благодаря этому исключаются многие “узкие места”, связанные с внешним контроллером памяти, что положительно сказывается на общем быстродействии системы. Главный недостаток этого подхода состоит в том, что для добавления поддержки новых технологий, например памяти DDR2, придется изменять архитектуру процессора.

Поскольку шина процессора должна обмениваться информацией с процессором с максимально возможной скоростью, в компьютере она функционирует намного быстрее любой другой шины. Сигнальные линии (линии электрической связи), представляющие шину, предназначены для передачи данных, адресов и сигналов управления между отдельными компонентами компьютера. Большинство процессоров Pentium имеют 64-разрядную шину данных, поэтому за один цикл по шине процессора передается 64 бит данных (8 байт).

Тактовая частота , используемая для передачи данных по шине процессора, соответствует его внешней частоте. Это следует учитывать, поскольку в большинстве процессоров внутренняя тактовая частота, определяющая скорость работы внутренних блоков, может превышать внешнюю. Например, процессор AMD Athlon 64 3800+ работает с внутренней тактовой частотой 2,4 ГГц, однако внешняя частота составляет всего 400 МГц, в то время как процессор Pentium 4 с внутренней частотой 3,4 ГГц имеет внешнюю частоту, равную 800 МГц. В новых системах реальная частота процессора зависит от множителя шины процессора (2x, 2,5x, 3x и выше). Шина FSB, подключенная к процессору, по каждой линии данных может передавать один бит данных в течение одного или двух периодов тактовой частоты. Таким образом, в компьютерах с современными процессорами за один такт передается 64 бит.

Пропускная способность шины процессора

Для определения скорости передачи данных по шине процессора необходимо умножить разрядность шины данных (64 бит, или 8 байт, для Celeron/Pentium III/4 или Athlon/Duron/ Athlon XP/Athlon 64) на тактовую частоту шины (она равна базовой (внешней) тактовой частоте процессора).

Например, при использовании процессора Pentium 4 с тактовой частотой 3,6 ГГц, установленного на системной плате, частота которой равна 800 МГц, максимальная мгновенная скорость передачи данных будет достигать примерно 6400 Мбайт/с. Этот результат можно получить, используя следующую формулу:
800 МГц × 8 байт (64 бит) = 6400 Мбайт/с.

Для более медленной системы Pentium 4:
533,33 МГц × 8 байт (64 бит) = 4266 Мбайт/с;
400 МГц × 8 байт (64 бит) = 3200 Мбайт/с.

Для системы Athlon XP (Socket A) получится следующее:
400 МГц × 8 байт (64 бит) = 3200 Мбайт/с;
333 МГц × 8 байт (64 бит) = 2667 Мбайт/с;
266,66 МГц × 8 байт (64 бит) = 2133 Мбайт/с.

Для системы Pentium III (Socket 370):
133,33 МГц × 8 байт (64 бит) = 1066 Мбайт/с;
100 МГц × 8 байт (64 бит) = 800 Мбайт/с.

Максимальную скорость передачи данных называют также пропускной способностью шины (bandwidth) процессора.