Buss (informatikk)

I datamaskinarkitektur er bussen (eller kanalen) et digitalt system som overfører data mellom komponentene i en datamaskin . Den består av ledninger eller spor på en trykt krets , enheter som motstander og kondensatorer , samt integrerte kretser . [ 1 ]

Det er to typer transport på busser:

Seriell: Bussen er kun i stand til å overføre data bit for bit. Det vil si at bussen har en enkelt kabel som overfører informasjonen.
Parallell: Bussen gjør det mulig å overføre flere biter samtidig, for eksempel 8 bits.

Selv om parallell overføring virker mye mer effektiv ved første øyekast, har den ulemper:

Klokkefrekvensen på parallellbussen må være lavere.
Lengden på kablene som utgjør bussen er begrenset av mulig interferens, støy og signalforsinkelser.

I tillegg er moderne seriebusser bygd opp av flere kanaler: I dette tilfellet sendes flere seriebusser samtidig.

I de første elektroniske datamaskinene var det veldig vanlig å finne parallelle busser, og etterlot seriebussene dedikert til mindre funksjoner og trege enheter, som tastaturet.

Trenden de siste årene er å erstatte parallellbusser med seriebusser (som vanligvis er flerkanals). Disse er vanskeligere å implementere, men tillater høyere overføringshastigheter, samt tillater lengre kabellengder.

Operasjon

Bussens funksjon er å tillate den logiske forbindelsen mellom de ulike delsystemene som utgjør datamaskinen. De fleste bussene består av metalliske ledere som overfører elektriske signaler som sendes og mottas ved hjelp av integrerte kretser som håndterer en protokoll som gjør at de kan overføre nyttige data . I tillegg til data sender bussen andre digitale signaler som adresser og styresignaler.

Bussene definerer sin kapasitet i henhold til maksimal sendingsfrekvens og bredden på dataene. Vanligvis er disse verdiene omvendt proporsjonale: hvis du har en høy frekvens, må databredden være liten. Dette er fordi interferensen mellom signaler (crosstalk) og vanskeligheten med å synkronisere dem vokser med frekvensen, så en buss med få signaler er mindre mottakelig for disse problemene og kan operere i høy hastighet.

Alle databusser har spesielle funksjoner som avbrudd og DMA som lar en perifer enhet få tilgang til en CPU eller minne ved å bruke et minimum av ressurser.

Første generasjon

Tidlige datamaskiner hadde to busssystemer, ett for minne og ett for andre enheter. CPU-en måtte få tilgang til to systemer med instruksjoner for hver, forskjellige protokoller og tidspunkter.

DEC - selskapet bemerket at bruk av to busser ikke var nødvendig hvis minneadressene ble kombinert med de til periferiutstyret i et enkelt minnerom ( kartlegging ), slik at arkitekturen ble forenklet og sparte produksjonskostnader i utstyr produsert i masse, som var de første minidatamaskinene .

De første mikrodatamaskinene var basert på tilkobling av flere trykte kretskort til en passiv Backplane -buss som fungerte som systemets akse. CPU -kortet som utfører funksjonene som voldgiftsleder for kommunikasjon med de andre tilkoblede enhetskortene ble koblet til denne bussen ; kort inkludert minne, diskett- og diskkontrollere, videoadaptere. CPU-en skrev eller leste dataene som pekte til adressen som den søkte enheten hadde i det unike adresserommet, noe som førte til at informasjonen strømmet gjennom hovedbussen.

Blant de mest kjente implementeringene er S-100- bussen og ISA-bussen som ble brukt i forskjellige mikrodatamaskiner på 1970- og 1980-tallet. I begge var bussen ganske enkelt en forlengelse av prosessorbussen slik at den kjørte på samme frekvens. . For eksempel, i systemer med en Intel 80286-prosessor , hadde ISA-bussen en frekvens på 6 eller 8 megahertz avhengig av prosessoren. [ 2 ]

Andre generasjon

Det faktum at bussen var passiv og at den brukte CPU som kontroll ga flere problemer for utvidelsen og moderniseringen av ethvert system med den arkitekturen. I tillegg brukte CPU en betydelig del av kraften sin til å kontrollere bussen.

Siden prosessorene begynte å jobbe med høyere frekvenser, ble det nødvendig å rangere bussene i henhold til deres frekvens: konseptet systembuss (forbindelse mellom prosessoren og RAM ) og utvidelsesbusser ble opprettet, noe som gjorde det nødvendig å bruke et brikkesett .

ISA -bussen som ble brukt som bakplan i den originale IBM- PCen ble endret fra en systembuss til en utvidelsesbuss, og overlot arbitreringen til en brikkesettbrikke og implementerte en buss ved en høyere frekvens for å koble minnet til prosessoren.

Derimot var Nubus-bussen uavhengig fra starten, hadde sin egen kontroller og presenterte et standardgrensesnitt til resten av systemet, slik at den kunne inkluderes i forskjellige arkitekturer. Den ble brukt på forskjellige datamaskiner, inkludert noen fra Apple , og var preget av å ha en 32- bits bredde og noen Plug and Play -funksjoner (autokonfigurasjon), noe som gjorde den veldig allsidig og forut for sin tid. Andre eksempler på disse autonome bussene inkluderer AGP og PCI -bussen .

Tredje generasjon

Tredje generasjons busser er karakterisert ved å ha punkt-til-punkt-forbindelser, i motsetning til bussene nevnt ovenfor der klokkesignaler deles. Dette oppnås ved å kraftig redusere antallet tilkoblinger hver enhet har ved å bruke serielle grensesnitt. Deretter kan hver enhet forhandle koblingsegenskapene i begynnelsen av forbindelsen og i noen tilfeller dynamisk, akkurat som det skjer i kommunikasjonsnettverk. Blant de mest bemerkelsesverdige eksemplene er busser [

Busstyper

Det er to typer som er klassifisert etter metoden for å sende informasjonen: parallell buss eller seriell buss.

Det er forskjeller i ytelse og inntil for noen år siden ble det vurdert at riktig bruk var avhengig av den fysiske lengden på forbindelsen: for korte avstander parallellbussen, for lange seriell.

Parallellbuss

Det er en buss der dataene sendes av byte samtidig, ved hjelp av flere linjer som har faste funksjoner. Mengden data som sendes er ganske stor med moderat frekvens og er lik databredden ganger driftsfrekvensen. I datamaskiner har det blitt brukt intensivt, fra prosessorbussen, harddiskbusser, utvidelses- og skjermkort, til skrivere.

Frontbussen til Intel-prosessorer er en buss av denne typen, og som enhver buss har den noen funksjoner på dedikerte linjer:

Adresselinjene er ansvarlige for å angi minneposisjonen eller enheten du ønsker å etablere kommunikasjon med.
Kontrolllinjene er ansvarlige for å sende voldgiftssignaler mellom enhetene. Blant de viktigste er avbruddslinjene, DMA og statusflagg.
Datalinjer overfører biter tilfeldig , så en buss har vanligvis en bredde som er en potens på 2.

En parallellbuss har komplekse fysiske forbindelser, men logikken er enkel, noe som gjør den nyttig i systemer med lite datakraft. I tidlige mikrodatamaskiner var bussen ganske enkelt forlengelsen av prosessorbussen og de andre brikkene "lyttet" til adresselinjene og ventet på å motta instruksjoner. I den originale IBM PC-en var bussdesignet avgjørende når man valgte en 8-bits I/O-prosessor ( Intel 8088 ), fremfor en 16-bits (8086), fordi det var mulig å bruke maskinvare designet for andre prosessorer, noe som billigere produktet.

Seriell buss

I denne sendes dataene, bit for bit, og rekonstrueres ved hjelp av registre eller rutiner. Den består av få ledere og båndbredden avhenger av frekvensen. Selv om de opprinnelig ble brukt til å koble til trege enheter (som et tastatur eller en mus), blir de nå brukt til å koble til mye raskere enheter som harddisker, solid state-stasjoner, utvidelseskort og til og med prosessorbussen.

Busser: kontroll, adresse og data

Kontrollbuss

Styrebussen styrer bruken av og tilgangen til adresse- og datalinjene . Siden disse linjene deles av alle komponentene, må visse mekanismer leveres for å kontrollere bruken. Styresignaler overfører både kommandoer og tidsinformasjon mellom moduler. Snarere er det den som gjør at det ikke er noen informasjonskollisjon i systemet .

Adressebuss

RAM-minne er adresserbart, så hver minnecelle har sin egen adresse. Adresser er et tall som velger en minnecelle i hovedminnet eller i I/O-enhetens adresserom.

Adressebussen er en helt uavhengig mikroprosessorkanal fra databussen hvor minneadressen til dataene i overføring er etablert.

Adressebussen består av settet med elektriske linjer som er nødvendige for å etablere en adresse. Kapasiteten til minnet som kan adresseres avhenger av antall biter som utgjør adressebussen, med 2n som maksimal størrelse i biter av minnebanken som kan adresseres med n linjer. For eksempel, for å adressere et 256-bits minne, trengs minst 8 linjer, siden 2 8 = 256. I tillegg kan det være nødvendig med kontrolllinjer for å signalisere når adressen er tilgjengelig på bussen. Dette avhenger av utformingen av selve bussen.

Databuss

Databussen tillater utveksling av data mellom CPU og de andre enhetene.

Multipleksbusser

Noen design bruker multipleksede kraftlinjer for adressebussen og databussen. Dette betyr at det samme settet med elektriske linjer oppfører seg noen ganger som en adressebuss og andre ganger som en databuss , men aldri på samme tid. En kontrolllinje gjør det mulig å se hvilken av de to funksjonene som er aktive.