Системные шины

По системным шинам осуществляется передача информации (по шине данных), адресация устройств (по шине адреса) и обмен специальными служебными сигналами (по шине управления). Основной функцией системной шины является обмен информацией между процессором и остальными электронными компонентами компьютера.

Перемещение информации между оперативной памятью и процессором и между оперативной памятью и портами происходит по системе соединений, которые называются шиной данных. Для увеличения скорости передачи биты информации передаются одновременно по нескольким линиям шины. Количество линий называется разрядностью шины. В современных персональных компьютерах используется 64-разрядная шина данных, по ней можно передавать 8 байтов данных одновременно.

Для правильной организации работы компьютера процессор и память должны обмениваться не только данными, но и управляющими сигналами. Для этого в компьютере предусмотрены, кроме шины данных, еще две шины: шина адреса и шина управления (на самом деле есть еще шина питания, по которой на все устройства компьютера подается питание).

1. Как уже отмечалось, шина адреса нужна для того, чтобы локализовать те ячейки оперативной памяти или те порты ввода-вывода, которые должны непосредственно участвовать в операции. Все байты оперативной памяти перенумерованы числами от нуля до максимального номера байта (последний зависит от объема оперативной памяти). Аналогично перенумерованы также все порты ввода-вывода (обычно от 0 до 65 535). Адресом байта оперативной памяти называется его номер. Адресом участка памяти, состоящего из нескольких последовательных байтов (области памяти), служит адрес начального байта. Адресом порта ввода-вывода также называется его номер. При выполнении машинной команды адрес байта оперативной памяти, содержимое которого должно участвовать в операции, посылается процессором по шине адреса. При прохождении адреса по шине адреса активизируется именно байт памяти с указанным адресом. Остальные управляющие сигналы, необходимые для правильного выполнения операции, посылаются по шине управления.

Для характеристики компьютера очень важна разрядность шины адреса. Например, у прежних персональных компьютеров использовалась 20-разрядная шина адреса. Максимальный адрес, который можно послать по такой шине, равен 2²⁰ - 1 = 1Мб, поэтому байту оперативной памяти с адресом, большим 1 Мб, предписание по шине адреса отправить, в принципе, невозможно. В таких компьютерах объем оперативной памяти принципиально не мог быть больше 1 Мб. В процессорах этих компьютеров использовалась специальная система определения адреса, ориентированная на такое ограничение.

Современные персональные компьютеры включают 32-разрядную шину адреса. При такой шине максимальный объем оперативной памяти равен 2³²= 4 Гб. Пока этого достаточно, но уже существуют компьютеры с 64-разрядной шиной адреса. При 32-разрядной шине можно обратиться к любому байту оперативной памяти в пределах 4 Гб. В новых программах используется эта возможность. Однако необходимо предусмотреть возможность выполнения программ, написанных для старых процессоров. Поэтому в современных процессорах предусмотрены два режима работы: один режим, называемый реальным, имитирует работу старых процессоров, и в этом режиме осуществляется доступ только к 1 Мб оперативной памяти; другой режим, называемый защищенным, имеет доступ ко всей оперативной памяти.

2. По шине управления идут сигналы, которые выполняют различные вспомогательные функции, необходимые для правильного выполнения операций. Всего в шине управления может быть более 100 линий. Перечислим только некоторые из них. Существует линия переключения между оперативной памятью и портами ввода-вывода. Дело в том, что когда по шине адреса идет сигнал, то он может восприниматься и как адрес байта оперативной памяти, и как адрес порта ввода-вывода. Как именно воспринимать этот адрес, зависит от сигнала, который одновременно с адресом идет по управляющей линии (например, ноль на управляющей линии обозначает оперативную память, единица — порт). По другой управляющей линии идет сигнал, который задает направление перемещения информации (ноль — информация читается из памяти или из порта в регистр процессора, единица — пишется из регистра в память или порт). По третьей управляющей линии передаются сигналы от тактового генератора. Эти сигналы позволяют синхронизировать операции, которые должны одновременно выполняться сразу несколькими устройствами компьютера (например, подготовиться к очередной операции).

Архитектура системной шины определяется типом процессора, применяемым набором микросхем, количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к шине. Так, системные шины платформы Pentium (PCI) обеспечивают обмен центрального процессора с оперативной памятью 64 разрядами данных, при этом адресация данных осуществляется 32-разрядным адресом. Часто используется в качестве критерия сравнения возможностей шин различной архитектуры максимальная пропускная способность шины. Ее можно рассчитать, умножив рабочую частоту шины на количество байтов, передающихся в одном такте (ширину полосы пропускания). Например, системная шина PCI процессора Pentium имеет пропускную способность 533 Мб/с

Если процессор имеет тактовую частоту выше частоты системной шины и/или способен исполнять несколько инструкций в одном такте, он может полностью использовать пропускную способность шины. Если тактовая частота процессора ниже, чем у шины, то это приводит к задержкам, существенно снижающим производительность процессора. Для увеличения пропускной способности требуется увеличить либо тактовую частоту, либо разрядность шины данных.

Дата добавления: 2013-12-12