Комплекс, состоящий из пучка проводов и электронных схем, обеспечивающих правильную передачу информации внутри компьютера, называют магистралью, системной шиной или просто шиной. Шина характеризуется разрядностью и частотой .
Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины . Разрядность шины определяется разрядностью процессора и в настоящее время составляет 64 бита. Чем выше разрядность шины, тем больше информации она может предавать в единицу времени.
Поиск устройства или ячейки памяти осуществляет процессор. Каждое устройство или ячейка имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, сигналы по которой передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле: N = 2i , где i – разрядность адресной шины. Если разрядность адресной шины составляет 32 бита, то максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно 232 = 4 294 967 296 ячеек.
Информация по шине передается в виде импульсов электрического тока. Шина работает не непрерывно, а циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины.
Шина связывает между собой не только процессор и оперативную память, фактически все устройства компьютера – диски, клавиатура, дисплей и т.д. – так или иначе принимают и передают данные через шину. Для этого в шине предусмотрены стандартные разъемы, к которым подключаются те или иные устройства компьютера. Если шина одна, то пропускная способность ввода\вывода ограничена. Скорость шины лимитируется физическими факторами – длиной шины и количеством подсоединяемых устройств. Поэтому в современных крупных системах используется комплекс взаимосвязанных шин. Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью и шины ввода\вывода.
Шины ввода\вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память сравнительно короткие, высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память – процессор.
Некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода\вывода. Такая шина называется системной. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы.
Первоначально применялась шина ISA (8- и 16-разрядная, частота – 8 МГц), созданная в начале 80-х годов и обладавшая невысокой пропускной способностью. Сейчас шина ISA иногда используется для подключения низкоскоростных устройств (клавиатуры, мыши и т.д.).
В настоящее время чаще используются:
ü шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – шина взаимодействия периферийных устройств);
ü графическая шина AGP (Accelerated Craphic Port – ускоренный графический порт);
ü HyperTransport – высокоскоростная шина для соединения внутренних устройств компьютерной системы. Тактовая частота достигает 800 МГц. Пропускная способность составляет до 6,4 Гбайт/с;
ü USB предназначена для подключения до 256 внешних устройств (таких, как мышь, принтер, сканер, фотокамера, FM-тюнер и т.д.) к одному USB-каналу (по принципу общей шины). Пропускная способность до 480 Мбит/с (в версии USB 2.0).
В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины (частота процессора 1 ГГц, а частота шины – 100 МГц).
Системная шина предназначена для реализации связи процессора с внешними устройствами в компьютере при помощи специальных устройств управления - адаптеров или контроллеров. Все последние присоединены к системной шине при помощи типовых разъемов. Шины принято делить на три категории по функциональному назначению: адресные, информационные и управляющие, которые различаются разрядностью, то есть численностью данных, проходящих через них. Тип используемого устройства во многом определяется скоростью работы компьютера.
Системная шина может работать в следующих основных стандартах: MCA, ISA, VESA, EISA, PCI. Долгое время шина ISA считалась определенным стандартом в области персональных компьютеров. Ее разработали на базе восьмиразрядной системной шины XT и IBM PC. В ней было предусмотрено восемь линий прерываний для сопряжения с внешними устройствами, а также четыре линии для доступа к памяти напрямую.
Работа системной шины и микропроцессора осуществлялась на частоте 4,77 МГц. А скорость могла составлять примерно 4,5 Мбайт за секунду. В следующем поколении компьютеров уже использовалась шестнадцатиразрядная шина, которая благодаря 24-адресным линиям разрешала осуществлять прямое обращение к оперативной памяти, в то время ее объем составлял 16 Мбайт.
В этой шине уже было использовано шестнадцать аппаратных прерываний вместо восьми, а численность каналов для прямого доступа к информации составляла уже восемь, а не четыре. Теперь шина работает асинхронно с микропроцессором на частоте 6 МГц, а это стало причиной увеличения скорости передачи до 16 Мбайт за секунду. Теперь она уже предоставляла возможность для работы с низкоскоростными устройствами, но не могли обеспечить эффективного функционирования современных устройств. Это повлияло новых видов системных шин.
В 1987 году была разработана системная шина МСА, которая стала первой с высокой производительностью. Она отличалась тем, что ее скорость работы была 10 МГц, а сама шина уже стала 32-разрядной, что увеличило скорость передачи до 20 Мбайт в секунду. Однако из-за несовместимости шин между собой отсутствовала возможность использования контроллеров, предназначенных для шины ISA, из-за чего архитектура не нашла обширного применения.
Системная шина EISA была разработана в 1989 году, она стала расширенной версией ISA. Ее разъемы позволяли вставить не только собственные контроллеры, а и таковые для ISA. Она работала с частотой 8-10 МГц, при этом ее разрядность составляет 32, что позволяет направлять до 4 Гбайт, достигая скорости обмена информацией 33 Мбайт в секунду. Недостатком этой шины является малая скорость обмена информацией при обработке графики, изображений, а также относительно высокая цена контроллеров.
Была разработана для нового процессора Pentium, но может быть использована и на прочих платформах. Она позволяет подключить к себе до десяти различных устройств. В этой шине используется 32 или 64 разряда, а скорость передачи составляла 132 и 264 Мбайт в секунду.
Сейчас системные платы соединяются с прочими устройствами посредством шины AGP, позволяющей графической карте пользоваться оперативной памятью персонального компьютера. Она оказалась способной справиться с современной графикой, которая должна перемещаться по монитору с высокой скоростью, с чем сложно справиться PCI. При использовании PCI оказывалось нецелесообразно наращивать память на видеоадаптере из-за ограниченности скорости работы и пропускной способности шины. Частота системной шины AGP позволяет осуществлять обмен информацией между видеопамятью и оперативной памятью напрямую, чего нельзя добиться при использовании других стандартов этих устройств.
Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.
Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и с процессором через шины. Шина - это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому. В этой статье мы рассмотрим основные шины компьютера, их типы, а также для соединения каких устройств они используются и зачем это нужно.
Как я уже сказал - шина - это устройство, которое позволяет связать между собой несколько компонентов компьютера. Но к одной шине могут быть подключены несколько устройств и у каждой шины есть свой набор слотов для подключения кабелей или карт.
Фактически, шина - это набор электрических проводов, собранных в пучок, среди них есть провода питания, а также сигнальные провода для передачи данных. Шины также могут быть сделаны не в виде внешних проводов, а вмонтированы в схему материнской платы.
По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.
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.
