Что такое магистраль в компьютере

Обновлено: 07.07.2024

Сразу же оговоримся, что под интерфейсами персонального компьютера в данном случае имеются в виду только внешние интерфейсы, то есть средства сопряжения с внешними по отношению к компьютеру в целом устройствами. При этом внешние устройства могут быть как стандартными (например, принтер или модем ), так и нестандартными (например, измерительные и управляющие модули , приборы, установки).

В настоящее время компьютеры могут иметь множество внешних интерфейсов. Наиболее распространены следующие:

системная шина ( магистраль ) ISA ;
шина PCI ;
шина AGP ;
шина PC Cards (старое название PCMCIA ) — обычно только в ноутбуках;
параллельный порт (принтерный, LPT-порт ) Centronics ;
последовательный порт (COM-порт) RS-232C ;
последовательный порт USB (Universal Serial Bus );
последовательный инфракрасный порт IrDA .

Кроме того, компьютеры могут иметь разъемы для подключения внешнего монитора, клавиатуры, мыши. Некоторые компьютеры имеют встроенные модемы и сетевые адаптеры, тогда они располагают, соответственно, телефонным и сетевым внешними интерфейсами.

Подключение стандартных внешних устройств обычно не вызывает никаких проблем: надо только присоединить устройство к компьютеру соответствующим стандартным кабелем и (возможно) установить на компьютер программный драйвер . Знать особенности внешних интерфейсов пользователю в данном случае не обязательно. В случае инфракрасного порта не нужен даже кабель .

Гораздо сложнее ситуация, когда к компьютеру требуется присоединить нестандартное внешнее устройство . В этом случае необходимо доскональное знание особенностей используемых интерфейсов и умение эффективно с ними работать. Ограниченный объем книги не позволяет полностью рассмотреть данный вопрос, поэтому мы остановимся только на общем описании некоторых внешних интерфейсов компьютера.

Чаще всего для подключения нестандартных внешних устройств используются системная магистраль ISA , параллельный интерфейс Centronics ( LPT ) и последовательный интерфейс RS-232C ( COM ).

8.1. Системная магистраль ISA

Системная шина ( магистраль ) ISA была разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT и является фактическим стандартом. В то же время, отсутствие официального международного статуса магистрали ISA (она не утверждена в качестве стандарта ни одним международным комитетом по стандартизации) приводит к тому, что многие производители допускают некоторые отклонения от фирменного стандарта.

ISA явилась расширением магистрали компьютеров IBM PC и IBM PC XT. В ней было увеличено количество разрядов адреса и данных, увеличено число линий аппаратных прерываний и каналов ПДП , а также повышена тактовая частота . К 62-контактному разъему прежней магистрали был добавлен 36-контактный новый разъем . Тем не менее, совместимость была сохранена, и платы, предназначенные для IBM PC XT, годятся и для IBM PC AT. Характерное отличие ISA состоит в том, что ее тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, как это было в IBM PC XT, поэтому скорость обмена по ней не пропорциональна тактовой частоте процессора.

Рис. 8.1. Нумерация контактов разъема ISA (для IBM PC XT — только А1 . А31 и В1 . В31).

В роли задатчика ( Master ) магистрали могут выступать процессор , контроллер ПДП , контроллер регенерации или другое устройство. Исполнителями ( Slave ) могут быть системные устройства компьютера, подключенные к ISA , или платы (карты) расширения.

Наиболее распространенное конструктивное исполнение магистрали — разъемы (слоты), все одноименные контакты которых параллельно соединены между собой, то есть все разъемы абсолютно равноправны. В слоты устанавливаются платы расширения, которые оснащены интерфейсными разъемами магистрали, выполненными печатными проводниками на краю платы. Количество установочных мест для плат расширения зависит от типа корпуса компьютера и составляет обычно от 2 до 8 и даже более.

В таблицах 8.1 и 8.2 знак минус перед названием сигнала говорит о том, что активному (рабочему) уровню сигнала соответствует низкий уровень напряжения на соответствующей линии магистрали. На линиях адреса и данных логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а единице — высокий (то есть логика положительная).

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.

Что такое магистрально-модульный принцип построения компьютера? На чем он базируется? Каково техническое назначение такого принципа и зачем он вообще нужен в устройствах? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в ходе данной статьи.

Что такое магистраль в компьютере?

Магистраль иначе именуется специалистами как системная шина. Соответственно, магистрально-модульный принцип построения компьютера тогда будет базироваться на существовании некоторой шины данных, по которой они, собственно, и будут передаваться. На самом деле мы недалеки от правды. Магистраль компьютера – сложное техническое устройство, которое включает в себя три шины многоразрядного типа. Конкретнее о них будет сказано далее в статье, сейчас же расскажем в общих чертах, чтобы сформировать в понимании некоторую структуру и ассоциации, которые, быть может, кому-то в будущем послужат помощью.

Итак, магистраль компьютера включает в себя шину данных, а также шину адреса и управления. Что представляют собой эти шины? С точки зрения техники вышеназванные шины представляют собой систему линий многопроводного характера. Если говорить по существу, то именно к магистрали крепятся такие устройства, как планки процессора и оперативной памяти. Есть такое понятие, как устройства ввода и вывода. Это периферия, которой мы так привыкли пользоваться: клавиатуры, мониторы, мыши. Все это также подключается к магистрали. Магистрально-модульный принцип построения компьютера предполагает также подключение к системной шине устройств, хранящих информацию. Все эти устройства между собой обмениваются некоторым потоком информации, передающимся на любимом нами двоичном коде – так называемом “машинном языке”.

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.

Зачем нужна шина адреса?

Магистрально-модульный принцип, как мы выяснили ранее, предполагает наличие трех шин. Назначение первой из них мы уже разобрали. А с вопросом о том, зачем нужна шина адреса, разберемся сейчас.

Итак, представьте себе такую вещь: пусть каждое устройство компьютера (ну или же можно взять ячейку планки оперативной памяти) имеет определенный адрес. К этим устройствам, к слову, процессор и передает данные. Чтобы адрес передать, как раз и используют адресную шину. На этом этапе следует сделать одно достаточно важное замечание: адрес передается исключительно в одностороннем порядке. Инициатором-источником сигнала служит центральный процессор, а вот роль приемников в этой своеобразной системе играют устройства компьютера. Это, как говорилось ранее, и оперативная память, и периферийный устройства, и так далее.

И вот когда разговор заходит уже о том, с чем связана разрядность шины адреса, можно выяснить одну очень интересную вещь. На самом деле разрядность данной шины будет оказывать влияние на объем так называемой адресуемой памяти. Его специалисты также называют адресным пространством. Причем будет оказываться даже не влияние, а полное определение. Иначе говоря, количество ячеек, приходящихся на оперативную память, и является адресуемой памятью. Она рассчитывается согласно следующей формуле: X = 2^y. Здесь Y – разрядность шины.

Какой смысл имеет наличие шины управления?

Шина управления также занимается передачей. Только не информационных потоков, а сигналов. Стоит сказать, что эти сигналы, по сути дела, и определяют, какой характер имеет обмен информацией, которая “гуляет” по всей магистрали. Проще говоря, сигналы говорят центральному процессору о том, какую операцию необходимо производить в настоящий момент времени. Это может быть как считывание данных из памяти, так и наоборот – запись новых данных. Кроме того, шина управления помогает синхронизировать дерево процессов, способствующих обмену информацией между теми или другими отдельными устройствами.

Как устроен центральный процессор?

Магистрально-модульный принцип построения ПК предполагает, что существует не только архитектура, составляемая из трех шин. Материнская плата, безусловно, объединяет разрозненные компьютерные детали в единое целое, благодаря чему мы на выходе получаем стабильную работу компьютера или ноутбука, другого устройства подобного рода. Но именно центральный процессор задает единую частоту, на которой будет работать вся система. Не будь его – и каждый отдельный элемент, каждая отдельная деталь работала бы на своей частоте и со своим интервалом времени. И что тогда? Тогда быстродействие компьютера было бы снижено в огромное количество раз, а его работа оказалась бы просто бессмысленной.

Центральный процессор представляет собой микросхему (или же электронный блок). Он занимается исполнением машинного кода, на котором пишутся те или иные программы. Если угодно, то центральный процессор исполняет инструкции, которые определяют работу компьютера как одного целого механизма. ЦПУ можно по праву назвать самым главным элементом аппаратного компьютерного обеспечения. Он также имеет место и в случае программирующих логических контроллеров. Иногда ЦП называют также микропроцессором.

Проводя аналогию с человеческим организмом, можно сказать, что центральный процессор есть не что иное, как “мозг”. Только он может выдать разрешение на выполнение той или иной программы. Он, наряду с материнской платой, командует тем, что происходит в компьютере, какие элементы подключаются к выполнению определенного задания, а какие – отключаются или перенаправляются на решение других задач.

Заключение

Итак, что мы узнали в ходе данной статьи? Магистрально-модульный принцип построения компьютера предполагает наличие системы из трех шин, каждая из которых имеет свои цели, а также центрального управляющего устройства (именуемого процессором) и остальных элементов. Шины передают сигналы, транслируемые от “центра” к периферийным устройствам, а также сигналами показывают, какой характер имеет эта информация.

Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии:

По шине данных между устройствами передаются данные, по шине адреса от процессора передаются адреса устройств и ячеек памяти, по шине управления передаются управляющие сигналы.

Основными характеристиками системной шины является разрядность и частота

Пропускная способность

Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты тактового генератора (измеряется в МГц) и разрядности, т.е. количества битов данных, которое устройство может обработать или передать одновременно (измеряется в битах).

Дополнительно в устройствах используется внутреннее умножение частоты с разными коэффициентами.

Пропускная способность шины данных (измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в Гц = 1/с).

Пропускная способность шины = Разрядность шины × Частота шины

Системная шина

Между северным мостом и процессором данные передаются по системной шине с частотой, в четыре раза больше частоты шины FSB, т.е. процессор может получать и передавать данные с частотой

Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора (64 бит), то пропускная способность системной шины равна:

64 Бит × 1064 МГц = 68 096 Мбит/с ≈ 66 Гбит/с ≈ 8 Гбайт/с

Шина памяти

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть меньше, чем частота шины процессора.

Если частота шины памяти равна 533 МГц, а разрядность шины памяти, равная разрядности процессора, составляет 64 бита, то пропускная способность шины памяти равна:

Шины AGP И PCI Express

Для подключения видеоплаты к северному мосту используется 32-битная шина AGP (Accelerated Graphic Port) с частотой 66 МГц или шина AGP×8, частота которой равна

Пропускная способность шины видеоданных AGP×8 составляет:

32 Бит × 528 МГц = 16 896 Мбит/с ≈ 16,5 Гбит/с ≈ 2 Гбайт/с.

К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается монитор или проектор.

Шина PCI

Шина PCI (шина взаимодействия периферийных устройств) обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств (сетевая карта, встроенный модем, сетевой адаптер Wi-Fi), которые устанавливаются в слоты расширения системной платы.

Разрядность шины PCI может составлять 32 бита или 64 бита, а частота 33 МГц или 66 МГц.

Максимальная пропускная способность шины PCI составляет:

Шина ATA

По шине АТА к южному мосту подключаются устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы).

Скорость передачи данных по параллельной шине РАТA (Parallel ATA) достигает 133 Мбайт/с, а по последовательной шине SATA (Serial ATA) – 300 Мбайт/с.

Шина USB

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) обеспечивает подключение к компьютеру одновременно нескольких периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с.

Клавиатура и мышь

Клавиатура и мышь подключаются с помощью порта PS/2 или шины USB (в том числе с помощью беспроводного адаптера)

Блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи

Аппаратная реализация компьютера

Периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный . Последовательный порт (COM1, COM2) обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно.

Параллельный порт (LPT)получает и посылает данные побайтно.

Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Сейчас широко используется универсальный USB-порт, обеспечивающий высокоскоростное подключение различных внешних устройств

Понравилась статья, рекомендуйте Вашим друзьям!

Давайте дружить!

Часто люди, интересующиеся компьютерной тематикой, встречают в интернете такой термин, как системная шина. Но что же это такое? Эта статья подробно расскажет об одном из важнейших элементов компьютерной системы.

Системная шина – это устройство которое связывает между собой различные функциональные блоки компьютера, а ее задачей является передача данных между ними. Строго говоря это магистраль, состоящая из проводниковых элементов, по которым информация передается в виде электрического сигнала. Соответственно, чем больше тактовая частота, на которой шина работает, тем быстрее осуществляется обмен данными между элементами компьютерной системы.

Системная шина состоит из адресной шины, шины управления и данных. Каждая шина используется для передачи конкретной информации: по адресной передаются адреса (ячеек памяти и устройств), шина управления служит для передачи управляющих сигналов устройствам, а данные соответственно передаются посредством шины данных.

Типы системных шин.

В современных компьютерах используются шины нескольких видов. Материнские платы с процессорами Intel, оснащаются шинами QPB типа. Они способны передавать данные 4 раза за такт, а вот платы с процессорами AMD используют шины EV6, передающие данные 2 раза за один такт. Кстати, в последних моделях своих процессоров AMD вообще отказывается от стандартной системной шины, её роль будет выполнять технология HyperTransport.

Так как шина передает данные несколько раз за такт, её эффективная частота обычно в несколько раз выше реальной, то есть шина, имеющая фактическую частоту 200 мГц и передающая данные 4 раза за один такт, будет работать с эффективной частотой в 800 мГц. Это важно понимать для оценки производительности шины и расчета возможностей её разгона.

Следует учитывать и тот факт, что системная шина имеет ограничения по разгону, потому что превышение допустимого уровня тактовой частоты может привести к неисправности и нарушениям в работе. В то же время системная шина будет нормально функционировать при показателях частоты, которые ниже указанных на упаковке, не превышающих допустимый уровень.

Пропускная способность системных шин.

Одним из важных параметров, который характеризует системную шину является пропускная способность. Она определяет максимальное количество информации, которая передается по шине данных за одну секунду (Бит/с). Для определения величины пропускной способности следует частоту шины (частота считывания данных) умножить на количество Бит, переданных за один такт. Количество данных за такт соответствует показателю разрядности процессора. На современных процессорах показатель разрядности составляет 64 Бит.

Используя формулу и известные данные получаем:

800 мГц * 64 Бит = 51200 Мбит/с = 50 Гбит/c = 6.25 Гбайт/с.

Это и будет величиной пропускной способности магистрали, соединяющей чипсет (или северный мост) с процессором. Связанные с материнской платой ОЗУ, видеоадаптер и жесткий диск между собой функционируют посредством магистралей, среди которых системная шина является самой важной.

На деле системная шина фактически соединяет процессор и чипсет. А вот чипсет напрямую соединяется с различными устройствами компьютера (ОЗУ, видеоадаптер, USB) используя вспомогательные шины (шина памяти, графического контроллера, PCI, PCI Express и LPC), частоты которых отличаются от показателей системной шины.

Итак, данная статья отвечает на вопрос: что такое системная шина, каковы ее устройство и функции, какие виды системных шин существуют, а также как вычислить значение пропускной способности.

Читайте также: