Bus (computing) - Bus (computing)


z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Čtyři PCI Express sloty sběrnice karty (od shora 2. dolů: x 4 x 16, x 1 a x 16), ve srovnání s 32-bitovým PCI slotu sběrnice karty (velmi dolní)

V architektuře počítače , je bus (kontrakce latinského omnibus ) je komunikační systém, který přenáší data mezi komponenty uvnitř počítače , nebo mezi počítači. Tento výraz se vztahuje na všechny příbuzné hardwarové komponenty (dráty, optické vlákno, atd.) A software, včetně komunikačních protokolů.

Brzy počítačové autobusy byly paralelní elektrické vodiče s více hardwarových připojení, ale termín je nyní používána pro jakékoliv fyzické uspořádání, které poskytuje stejnou logickou funkci jako paralelní elektrické sběrnice . Moderní počítačové autobusy lze použít jak paralelní a bit sériové spojení, a může být připojen buď v multidrop (elektrický paralelní) nebo sériovým zapojením topologii, nebo je připojen spínaných uzlů, jako je tomu v případě USB .

Pozadí a nomenklatura

Počítačové systémy se obvykle skládají ze tří hlavních částí: centrální procesorovou jednotku (CPU), který zpracovává data, paměť , která uchovává programy a data, které mají být zpracovány, a I / O (vstup / výstup) zařízení, jako jsou periferní zařízení , které komunikují s okolním světem. Časný počítač může obsahovat ručně pevné CPU ve vakuové trubice , je magnetický buben pro hlavní paměti, a na děrné pásky a tiskárnu pro čtení a zápisu dat, resp. Moderní systém by mohl mít multi-core CPU , DDR4 na paměti, je solid-state drive pro sekundární úložiště , je grafická karta a LCD jako zobrazovací systém, myš a klávesnici pro interakci, a Wi-Fi připojení na sítě , V obou příkladech, počítačové autobusy či oné formě přesunutí dat mezi všemi těmito zařízeními.

Ve většině tradičních počítačových architektur , procesor a operační paměť mají tendenci být pevně spojeny. Mikroprocesor konvenčně je jediný čip, který má celou řadu elektrických přípojek na kolíky, které mohou být použity k výběru „adresu“ v hlavní paměti a další sadu kolíků číst a zapisovat data uložená na tomto místě. Ve většině případů, CPU a paměti sdílejí charakteristiky signalizačních a pracují synchronně . Autobus spojuje CPU a paměti je jedním z určujících charakteristik systému, a často odkazoval se na jednoduše jako na systémovou sběrnici .

Je možné, aby periferie komunikovat s pamětí stejným způsobem, připojení adaptérů v podobě rozšiřujících karet přímo na systémovou sběrnici. To se obvykle provádí pomocí nějaké standardizované elektrického konektoru, několik z nich tvoří expanzní autobus nebo místní autobus . Nicméně, jak výkonnostní rozdíly mezi CPU a periferií velmi liší, je obvykle zapotřebí určité řešení, které zajistí, že periferní zařízení nejsou zpomalit celkový výkon systému. Mnoho procesory mají druhou sadu kolíků podobných těm, pro komunikaci s pamětí, ale mohou sloužit k provozu na velmi různých rychlostech a při použití různých protokolů. Jiní používají inteligentní řadiče umístit data přímo do paměti, což je pojem známý jako přímý přístup do paměti . Nejmodernější systémy kombinují obě řešení, kde je to vhodné.

Vzhledem k tomu, počet potenciálních periferií rostla, pomocí rozšiřující karta pro každého periferního stal se zvýšeně neudržitelný. To vedlo k zavedení autobusových systémů určených speciálně pro podporu více periferií. Běžné příklady jsou SATA porty v moderních počítačích, které umožňují řadu pevných disků, které mají být spojeny bez potřeby kartu. Nicméně, tyto vysoce výkonné systémy jsou obecně příliš nákladné implementovat do low-end zařízení, jako jsou myši. To vedlo k paralelnímu vývoji řady low-výkonných systémů sběrnic těchto řešení, z nichž nejčastější příkladem je standardizované Universal Serial Bus (USB). Všechny tyto příklady mohou být označovány jako periferní autobusy , ačkoli tato terminologie není univerzální.

V moderních systémech je rozdíl výkonu mezi procesorem a hlavní pamětí rozrostla tak velký, že zvyšující se množství vysokorychlostní paměti je integrována přímo do procesoru, známý jako mezipaměť . V takových systémech, procesory komunikují pomocí vysoce výkonné autobusy, které pracují při rychlostech mnohem větší než paměť, a komunikovat s pamětí pomocí protokolů podobné těm, které používají výhradně pro periferie v minulosti. Tyto systémové sběrnice jsou také slouží ke komunikaci s většinou (nebo všech) dalších periferií, a to prostřednictvím adaptérů, které zase mluvit s ostatními periferiemi a regulátorů. Takové systémy jsou architektonicky podobnější multipočítačů , komunikující po sběrnici, nikoli síti. V těchto případech, expanzní autobusy jsou zcela oddělené a už ne sdílet jakékoliv architektury s hostitelské CPU (a může být v podpůrných skutečnost mnoha různých procesorů, jako je tomu v případě PCI ). Co by dříve byla systémová sběrnice je nyní často známý jako front-side bus .

Vzhledem k těmto změnám, klasické pojmy „System“, „expanze“ a „periferní“ již mají stejné konotace. Další časté kategorizace systémy jsou založeny na primární roli autobusu, připojení zařízení interně nebo externě, PCI vs. SCSI například. Nicméně, mnoho společných moderní sběrnicové systémy mohou být použity pro obě varianty; SATA a související eSATA jsou jedním příkladem systému, který by dříve popsán jako vnitřní, zatímco některé automobilové aplikace použít především externí IEEE 1394 způsobem, který je více podobné systémovou sběrnicí. Jako další příklady, jako InfiniBand a I²C byly navrženy od začátku má být použit jak interně, tak externě.

vnitřní autobusy

Interní sběrnice, také známý jako autobus interních dat, paměťové sběrnice, systémové sběrnice nebo front-side-Bus, spojuje všechny vnitřní součásti počítače, například procesor a paměť, k základní desce. Interní datové sběrnice se také označují jako místní autobus, protože jsou určeny pro připojení k místní zařízení. Tento autobus je obvykle poměrně rychle a je nezávislá na ostatních počítačových operací.

Externí autobusy

Externí sběrnice, nebo expanzní sběrnice , se skládá z elektronických drah, které spojují různé externích zařízení, jako jsou tiskárny, atd, k počítači.

implementační detaily

Autobusy mohou být paralelní autobusy , které nesou datových slov paralelně na více drátů, nebo sériové sběrnice , který nést data v bitové-serial formě. Přidání dalších napájecích a řídicích spojů, diferenciální řidiče a datových spojení v každém směru, obvykle znamená, že většina sériové sběrnice má více vodičů než minimum je použit v 1-Wire a UNI / O . Jako datové toky zvyšovat problémy časování zkosení , spotřebu energie, elektromagnetického rušení a přeslech po paralelních autobusy stává stále obtížnější obejít. Dílčím řešením tohoto problému bylo dvojité čerpadlo autobus. Často, sériová sběrnice mohou být provozovány při vyšších celkových rychlostí než paralelní sběrnici, přesto, že má méně elektrické spoje, protože sériová sběrnice má ve své podstatě žádný časový zkosení nebo přeslechy. USB , FireWire a Serial ATA jsou příkladem. Multidrop spojení nefungují dobře pro rychlé sériové sběrnice, takže většina moderních sériové sběrnice pomocí řetězové nebo náboje vzorů.

Síťová připojení, jako je Ethernet , nejsou obecně považovány za autobusy, i když rozdíl je do značné míry koncepční spíše než praktické. Atribut obvykle používá pro charakterizaci autobusu je, že síla je sběrnicí pro připojený hardware. To klade důraz na přípojnice původ sběrnicové architektuře jsou přiváděni zapnutý nebo distribuované energie. To vylučuje, jak autobusy, schémata, jako je sériové rozhraní RS-232 , paralelní Centronics , IEEE 1284 rozhraní a Ethernet, protože tato zařízení potřebných také samostatné napájení. Universal Serial Bus zařízení mohou používat sběrnice napájena, ale často používají samostatný napájecí zdroj. Tento rozdíl je ilustrováno pomocí telefonního systému s připojeným modemem , kde RJ11 připojení a související modulovaný systém signalizace není považováno za autobus, a je analogická k ethernetové připojení. Schéma připojení telefonní linka není považována za autobus s ohledem na signály, ale centrální úřad používá autobusy s příčka přepínačů pro připojení mezi telefony.

Nicméně, tento rozdíl, že síla je sběrnicí, není tomu tak v mnoha elektronických systémů , kde datová spojení, jako je ARINC 429 , ARINC 629 , MIL-STD-1553B (STANAG 3838), a EFABus ( STANAG 3910 jsou) běžně označované jako „datové sběrnice“ nebo někdy „databuses“. Takové avioniky datové sběrnice jsou obvykle charakterizovány tím, že mají několik zařízení nebo vyměnitelná prvky / jednotek (LRI / hlavní železniční), připojené ke společným sdíleným média . Ty mohou být, jak se ARINC 429, být simplex , tedy mít jediný zdroj LRI / LRU, nebo, jak se ARINC 629, MIL-STD-1553B a STANAG 3910, je oboustranný , aby všechny připojené LRI / hlavní železniční jednat na různé časy ( polovina duplex ), jako vysílače a přijímače dat.

Dějiny

V průběhu doby, několik skupin lidí, pracoval na různých počítač autobusových standardů, včetně výboru IEEE sběrnice architektura standardy (BASC), IEEE „Superbus“ studijní skupiny, iniciativy open mikroprocesoru (OMI), otevřené iniciativy mikrosystémů (OMI), přičemž "Gang of Nine", která se vyvinula EISA , atd.

První generace

Rané počítačové autobusy byly svazky drátů, které připojené paměti počítače a periferie. Anecdotally nazval „ číslice kufr “, oni byli jmenováni po elektrické energie autobusů nebo sběrnic . Téměř vždy, byl tam jeden autobus pro paměť, a jeden nebo více samostatných autobusy periferií. Ty byly přístupné samostatnými pokyny, s naprosto odlišnými časování a protokolů.

Jedním z prvních komplikací byl použití přerušení . Rané počítačové programy prováděny I / O tím čekání ve smyčce na periférii, aby se stal připraven. To byla ztráta času pro programy, které měly jiné úkoly, které dělat. Také, pokud se program pokusil provést tyto další úkoly, může to trvat příliš dlouho, aby se program znovu zkontrolovat, což vede ke ztrátě dat. Technici tedy zařídil periférie přerušit CPU. Přerušení musely být upřednostněny, protože procesor může provádět pouze kód pro jednu periferní najednou, a některá zařízení jsou více časově náročné než ostatní.

High-end systémy představil myšlenku na regulátory kanálů , které byly v podstatě malé počítače určené k manipulaci vstup a výstup daného autobusu. IBM představila nich na IBM 709 v roce 1958, a oni se stali společným rysem jejich platformách. Další dodavatelé vysoce výkonné jako Control Data Corporation implementovány podobné návrhy. Obecně platí, že regulátory kanálů udělá vše pro to, spustit všechny autobusové operací interně, přesouvání dat, kdy byla CPU známo, že je zaneprázdněn někde jinde, pokud je to možné, a to pouze pomocí přerušení v případě potřeby. To výrazně snižuje zatížení procesoru, a za předpokladu, lepší celkový výkon systému.

Poskytnout modularitu, paměti a I / O autobusy lze kombinovat do jednotné systémové sběrnici . V tomto případě, jeden mechanický a elektrický systém může být použit pro připojení dohromady mnoho systémových komponent, nebo v některých případech, všechny z nich.

Pozdější počítačové programy začaly používat sdílenou paměť jsou společné pro několik procesorů. Přístup k tomuto paměťové sběrnice měla být prioritou, stejně. Jednoduchý způsob, jak stanovit priority přerušení nebo autobusové přístup byl s řetězu . V tomto případě budou signály přirozeně proudit přes sběrnici ve fyzické nebo logické pořadí, což eliminuje potřebu složitého plánování.

Minis a miliontin

Digital Equipment Corporation (DEC) dále sníží náklady na sériově vyráběných minipočítače a mapované periferie do paměťové sběrnice, takže vstupní a výstupní zařízení se zdá být paměťová místa. To byl realizován v Unibus na PDP-11 kolem roku 1969.

Časné mikropočítačové sběrnicové systémy byly v podstatě pasivní backplane připojen přímo nebo prostřednictvím vyrovnávacích zesilovačů pro kolíky procesoru . Paměť a jiná zařízení bude přidána ke sběrnici pomocí stejné adrese a datové vývody jsou procesoru samotného použitého připojen paralelně. Komunikace byla řízena CPU, které četl a psal dat ze zařízení, jako kdyby oni jsou bloky paměti, za použití stejných pokynů, vše načasováno centrální hodiny ovládající rychlost procesoru. Přesto zařízení přerušena CPU signalizací na samostatných CPU kolíky.

Například disk regulátor bude signalizovat CPU, že nová data byla připravená být čten, na kterém místě by CPU přesunout data čtení „místo v paměti“, který odpovídal disku. Téměř všichni brzy mikropočítače byly stavěny tímto způsobem, počínaje autobusem S-100 v Altair 8800 počítačového systému.

V některých případech, zejména v IBM PC , i když mohou být použity podobné fyzikální architektura, instrukce pro přístup k počítačové periférie ( ina out) a paměť ( mova další) nebyly určeny jednotné vůbec, a stále generovat různé CPU signály, které by mohly být slouží k implementaci samostatný I / o sběrnice.

Tyto jednoduché sběrnicové systémy měl vážnou nevýhodu při použití pro univerzální počítače. Veškeré zařízení v autobuse museli mluvit stejnou rychlostí, protože sdílí jeden hodiny.

Zvýšení rychlosti procesoru stále obtížnější, protože rychlost všech zařízení musí zvýšit stejně. Když to není praktické a úsporné mít všechna zařízení tak rychle, jak CPU, procesor musí buď zadat stavu čekání , nebo pracovat v pomalejším taktovací frekvenci dočasně, mluvit s jinými zařízeními v počítači. Zatímco přijatelné v oblasti vestavěných systémů , tento problém nebyl tolerován na dlouho v univerzálních, počítače uživatelem rozšiřitelné.

Takové sběrnicové systémy jsou také těžko konfigurovat když postavený ze společného off-the-police zařízení. Typicky každý z přidané rozšiřující karta vyžaduje mnoho propojek pro nastavení adresy paměti, I / O adresy, přerušit priority a přerušení čísla.

Druhá generace

„Druhé generace“ sběrnicové systémy jako NuBus řešit některé z těchto problémů. Oni typicky odděleny počítač do dvou „světů“, CPU a paměti na jedné straně, a různá zařízení na straně druhé. Řadič sběrnice přijímaných údajů ze strany CPU, které mají být přesunuta na straně periferií, a posune tedy komunikační protokol zátěž ze samotného procesoru. Toto dovolilo CPU a paměti na straně vyvíjet odděleně od sběrnice zařízení, nebo jen „autobus“. Zařízení na sběrnici mohl mluvit k sobě navzájem bez zásahu CPU. To vedlo k mnohem lepším „reálného světa“ výkon, ale také požaduje karty je mnohem složitější. Tyto autobusy také často řešit problémy rychlost tím, že je „větší“, pokud jde o velikost datové cesty, pohybující se z 8-bitových paralelních autobusů v první generaci, 16 nebo 32-bit ve druhém, stejně jako přidávání nastavení softwaru (nyní standardizován jako plug-n-play ), nahradit nebo nahradit propojky.

Nicméně tyto novější systémy sdílí jednu vlastnost se svými dřívějšími bratranci, v tom všem na autobus musel mluvit stejnou rychlostí. Zatímco CPU byl nyní izolován a mohlo zvýšit rychlost, CPU a paměti i nadále zvyšoval rychlost mnohem rychleji než autobusy Mluvili. Výsledkem bylo, že rychlost sběrnice teď byly mnohem pomalejší, než to, co moderní systém potřeboval a stroje byly ponechány hladovět dat. Zvláště Typickým příkladem tohoto problému bylo, že grafické karty rychle předběhl i novější sběrnicové systémy jako PCI a počítače začaly zahrnovat AGP jen řídit grafickou kartu. Do roku 2004 AGP opět přerůst high-end grafické karty a dalších periferií a byl nahrazen novým PCI Express sběrnici.

Zvyšující se počet externích zařízení začali zaměstnávat vlastní sběrnicové systémy stejně. Když byly disky nejprve představen, oni by být přidány k počítači s kartou zapojen do autobusu, který je důvod, proč počítače mají tolik slotů na sběrnici. Ale přes 1980 a 1990, nové systémy jako SCSI a IDE byly zavedeny sloužit tuto potřebu, přičemž většinu slotů v moderních systémech s prázdnou. V současné době existuje pravděpodobně o pěti různých autobusů v typickém stroji, podporující různá zařízení.

Třetí generace

„Třetí generace“ autobusy byly vznikající na trh zhruba od roku 2001, včetně HyperTransport a InfiniBand . Oni také inklinují být velmi flexibilní, pokud jde o jejich fyzické připojení, což jim umožňuje použít i jako interní sběrnice, stejně jako spojovací různých strojů dohromady. To může vést k složitých problémů, když se snaží opravit různé požadavky, tolik práce na těchto systémech se týká návrhu softwaru, na rozdíl od samotného hardwaru. Obecně platí, že tyto autobusy třetí generace mají tendenci vypadat spíše jako sítě , než původní koncept autobusu, s vyšší režii protokolu potřebného než dřívějších systémů, a zároveň umožňuje více zařízení použít autobus najednou.

Autobusy, jako Wishbone byly vyvinuty open source hardwaru pohybu ve snaze dále odstranit právní a patentových omezení z počítačového designu.

Příklady vnitřních počítačových autobusů

Paralelní

Seriál

Příklady vnějších počítačových autobusech

Paralelní

  • HIPPI High Performance paralelního rozhraní
  • IEEE-488 (také známý jako GPIB, General-Purpose Interface Bus a HPIB, Hewlett-Packard Instrumentation Bus)
  • PC Card , dříve známý jako PCMCIA , hodně používají v přenosných počítačích a dalších přenosných počítačů, ale blednutí se zavedením USB a vestavěné sítě a modem připojení

Seriál

Mezi vnitřní / vnější počítačových sběrnic

viz též

Reference

externí odkazy