Magistrale

Gabriela Mizia 3TIR

Co to jest magistrala? Magistralą to zestaw linii oraz układów przełączających,

łączących dwa lub więcej układów mogących być nadajnikami lub odbiornikami informacji. Przesyłanie informacji zachodzi zawsze pomiędzy dokładnie jednym układem będącym nadajnikiem a dokładnie jednym układem będącym odbiornikiem przy pozostałych układach odseparowanych od linii przesyłających. Wydajność magistrali zależy od szerokości ścieżki danych (wyrażanej w bitach) oraz częstotliwości taktowania określanej w megahercach. 

NAD

Układ odseparowany

ODB

Komputer zbudowanych jest z 3 podstawowych modułów (procesora, pamięci i urządzeń wejścia/wyjścia), między którymi musi istnieć komunikacja.

Połączenie między modułami ma najczęściej charakter magistralowy.

Procesor Pamięć

Urządzenia We/Wy

magistrala

Przepływ danych w systemie mikroprocesorowym

PROCESOR PAMIĘĆ

Adres

DaneZapis

1

2

3

4

PROCESOR PAMIĘĆ

Adres

DaneOdczyt

1

2

3

4

PROCESOR UKŁADWY-WE

Adres

DaneZapis

1

2

3

4

PROCESOR UKŁADWY-WE

Adres

DaneOdczyt

1

2

3

4

Z P

RO

CESO

RA

DO

PA

MIĘ

CI

Z P

AM

IĘC

I D

O P

RO

CESO

RA

Z P

RO

CESO

RA

NA

WYJŚ

CIE

Z W

EJŚ

CIA

DO

PR

OC

ESO

RA

Rodzaje magistrali ze względu na przepływ danych

jednokierunkowa (simplex) - dane przepływają tylko w jednym kierunku,

dwukierunkowa (duplex)- dane mogą przepływać mogą w obu kierunkach,› dane mogą jednocześnie przepływać w obu

kierunkach (full duplex),› dane w danym momencie mogą przepływać tylko

w jednym kierunku (half duplex).

Typy magistrali

Rozróżniamy następujące typy magistrali : magistrala lokalna, obejmująca szynę danych i szynę

adresową procesora; magistrala systemowa, sprzężona z lokalną poprzez

rejestry zatrzaskowe, dostarcza ona sygnały sterujące; magistrala X, która komunikuje się z pamięcią ROM

zawierającą systemowy BIOS oraz z portami układów na płycie głównej;

magistrala pamięciowa, która łączy szyny systemowe z obwodami pamięci dynamicznej poprzez układy adresowania wierszy i kolumn;

magistralę zewnętrzną, która stanowi wyprowadzenie systemowej szyny adresowej oraz szyny danych.

Struktura magistraliZawarte w magistralach linie można podzielić na trzy grupy funkcjonalne:

szyny danych -nimi przepływają dane. szyny adresów (rdzeniowa)- mówią, z jakiej komórki

pamięci sygnał ma zostać odczytany lub do jakiej komórki pamięci sygnał ma zostać zapisany;

szyny sterowania - (kontrolne) mówią, czy sygnał ma zostać zapisany, czy odczytany

Ponadto mogą występować linie służące do zasilania dołączonych modułów.

Liczba linii wyznacza możliwości adresowania np. liczba linii 20 to można zaadresować 220 komórek

Liczba linii określa długość słowa procesora (8, 16, 32, .... (+biyt detekcji i korekcji błędów)

Kilkanaście (kilkadziesiąt) linii

Uniwersalny układ przetwarzający informację i sterujący pracą pozostałych elementów systemu

Magistrala zewnętrznaMagistrala zewnętrzna (wejścia-wyjścia) jest zespołem sygnałów elektrycznych służących do komunikowania się procesora z kartami rozszerzeń. Przez wiele lat ewolucji różnych modeli procesorów, ewolucje przechodziły również magistrale, które musiały się swoimi parametrami dostosować się do wciąż rosnącej wydajności procesorów. A wszystko zaczęło się od magistrali: ISA (Industry System Architecture)

ISAISA (Industry System Architecture)- standard architektury, którą opracowano w roku 1980, gdy firma IBM konstruowała pierwszego PC-ta. Miała ona ze względów oszczędnościowych szerokość 8-bitów (stosunkowo tanie wówczas układy 8-bitowe znacznie zmniejszały koszt wyprodukowania komputera, dlatego zastosowany w pierwszych PC-tach procesor 8088 był co prawda 16-bitowy, lecz miał 8-bitową zewnętrzną magistralę danych). Magistrala taktowana była zegarem 4,77 MHz, czyli pracowała z pełną częstotliwością procesora.

Szyna danych 8-bitowa

szerokość szyny: 8 bit kompatybilna z : 8 bit ISA ilość kontaktów: 62 Vcc : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V Zegar : 4.77 MHz

szerokość szyny: 16 bit kompatybilna z: 8 bit ISA, 16 bit ISA ilość kontaktów: 98 Vcc : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V Zegar : 8.33 MHz

Szyna danych 16-bitowa

EISA

EISA - Magistrale wejścia-wyjścia zaprojektowana specjalnie dla 32-bitowych komputerów 80386. Aby zapewnić jej kompatybilność z szyną ISA, taktowana jest zegarem 8,33 MHz. Dość duża prędkość transmisji danych (33 MB/s) jest nie tyle rezultatem częstotliwości taktowania, co szerokości szyny. Magistrala EISA obsługuje standard Plug&Play w przeciwieństwie do swojej poprzedniczki - ISA

Trzy sloty EISA

MCAMicrochannel, MCA- 32-bitowa magistrala skonstruowana przez IBM specjalnie dla komputerów z procesorami 80386DX. Taktowana jest zegarem 10 MHz i z tego względu nie jest kompatybilna z kartami typu ISA. Architekturę MCA wprowadzono w 1987 roku.

Karta graficzna z magistralą MCA

Wewnętrzna magistrala lokalna

Na płycie głównej komputera zostaje umieszczony układ graficzny, którego szyna danych jest wprost dołączona do szyny danych procesora. Tego typu rozwiązania spotyka się na płytach głównych standardu all in one. Rozwiązanie takie pozwala na zwiększenie szybkości przesyłania danych między urządzeniami zewnętrznymi a pamięcią RAM. Ponadto wpływa to obniżeniu ceny - płyta zawierająca sterownik grafiki jest tańsza niż 2 oddzielne elementy. Architektura ta ma jednak sporo wad. Pierwszą z nich jest brak możliwości rozbudowy. Użytkownik kupując komputer musi od razu zdecydować się na konkretna konfigurację i później nie może jej już zmieniać.

VESA Local BusVLB - stworzony przez organizację Video Electronics Standards Association, od poprzedniego rozwiązania różni się zainstalowaniem gniazda na płycie głównej, w którym umieszcza się karty i co za tym idzie łatwo je wymieniać. Pod nazwą VLB kryje się system 32-bitowej szyny lokalnej dedykowanej w zasadzie obsłudze tylko 2 urządzeń - karty grafiki i kontrolera dysków, chociaż teoretycznie można do niej dołączyć 5 urządzeń zewnętrznych. Magistrala ta taktowana jest zegarem procesora którego częstotliwość nie może jednak przekraczać 40 MHz. Przepustowość szyny sięga 120MB/s.

Płyta główna ze złączami VLB

PCIPCI - magistrala komunikacyjna służąca do przyłączania urządzeń do płyty głównej w komputerach klasy PC. Po raz pierwszy została publicznie zaprezentowana w czerwcu 1992 r. jako rozwiązanie umożliwiające szybszą komunikację pomiędzy procesorem i różnymi kartami rozszerzeń (karta sterownika dysków np. SCSI, sieciowa czy graficzna). W przeciwieństwie do innych magistrali, szyna PCI stanowi kompleksowe rozwiązanie, przyspieszające współpracę z dowolnym urządzeniem zewnętrznym. Przy częstotliwości taktowania 33 MHz i szerokości 32 bitów magistrala PCI osiąga szybkość transmisji 132 MB/s. Szerokość szyny adresowej i danych nowych procesorów 64 bitowych zmiany nie wpływają na architekturę PCI a jedynie podwaja się przepustowość do 264 MB/s. Karty dołączone do szyny PCI mogą się komunikować nawet bez udziału mikroprocesora, dzięki czemu wzrasta efektywność jego użytkowania.

Przy ładowaniu systemu procesor odczytuje zapisane w nich dane i rozpoznaje, jaka karta jest umieszczona w gnieździe. Instalacja i inicjacja karty następuje potem w pełni automatycznie. W standardzie PCI zdefiniowano tzw. gniazdo wspólne(ang. shared slot). Jest to gniazdo, które może być wykorzystane z kartami przystosowanymi do magistral ISA, EISA. Umożliwia to też produkcję kart jednocześnie przystosowanych do PCI i pozostałych, wyżej wymienionych magistral. Bardzo istotną cechą architektury PCI jest jej skalowalność: w jednym i tym samym komputerze może być równolegle lub szeregowo połączonych kilka magistral PCI. Nad koncepcją PCI Local Bus pracowało wielu znaczących producentów komputerów, z których każdy starał się aby sprzęt obecnie produkowany przez niego był z tym standardem zgodny. Kolejną istotną cechą PCI jest wysoka zgodność pomiędzy poszczególnymi wersjami PCI, jak i rozwiązań pochodnych (np. PCI X) przejawiająca się tym, że urządzenia mogą pracować zarówno w starszych jak i nowszych gniazdach, pod warunkiem że są dopasowane napięciowo (warianty 3.3V i popularniejszy 5V). Zgodność ta nie jest jednak zachowana w stosunku co do PCI Express, która ma zastąpić w przyszłości obecne PCI oraz AGP.

Gniazda 32-bitowej szyny PCI

PCI 2.0

PCI 2.1

PCI 2.2 PCI 3.0

Rok wprowadzenia

1993 1994 19939 2002

Maksymalna szerokośd szyny danych

32 bity 64 bity 64 bity 64 bity

Maksymalna częstotliwośd taktowania

33 MHz 66 MHz 66 MHz 66 MHz

Maksymalna przepustowośd

133MB/s

533MB/s

533MB/s

533MB/s

Napięcie 5 V 5 V 5 V /3,3 V 3,3 V

Wygląd gniazd i kart PCI

AGPAccelerated Graphics Port (AGP, czasem nazywany Advanced Graphics Port) to rodzaj zmodyfikowanej magistrali PCI opracowanej przez firmę Intel. Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana do szybkiego przesyłania dużych ilości danych pomiędzy pamięcią operacyjną a kartą graficzną. Niektórzy nie uważają jej za magistralę ponieważ umożliwia połączenie jedynie dwóch elementów: karty graficznej i chipsetu płyty głównej. Niektóre płyty główne posiadają więcej niż jeden slot AGP.

Standardy AGP

Odmiany złącza magistrali AGP

PCI-ExpressPci-s- znana również jako 3GIO (od 3rd Generation I/O) jest pionową magistralą służącą do podłączania urządzeń do płyty głównej. PCI-Express stanowi magistralę lokalną typu szeregowego, łączącą dwa punkty (Point-to-Point). Nie jest to więc magistrala w tradycyjnym rozumieniu i nie jest rozwinięciem koncepcji "zwykłego" PCI. Taka konstrukcja eliminuje konieczność dzielenia pasma pomiędzy kilka urządzeń - każde urządzenie PCI-Express jest połączone bezpośrednio z kontrolerem. Sygnał przekazywany jest za pomocą dwóch linii, po jednej w każdym kierunku. Częstotliwość taktowania wynosi 2,5GHz. Protokół transmisji wprowadza dwa dodatkowe bity, do każdych ośmiu bitów danych. Zatem przepustowość jednej linii wynosi 250MB/s. W związku z tym, że urządzenia mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu kierunkach (full-duplex) to można ewentualnie przyjąć, że w przypadku takiego wykorzystania złącza, transfer może sięgać 500MB/s.

Możliwe jest kilka wariantów tej magistrali - z 1, 2, 4, 8, 12, 16, 24 lub 32 liniami (każda składająca się z dwóch 2 pinowych części -nadawczej i odbiorczej). Wraz ze wzrostem liczby linii wydłużeniu ulega gniazdo, jego konstrukcja (poprzez wspólną część początkową i jedynie dodawanie na końcu nowych linii)umożliwia włożenie wolniejszej karty do szybszego gniazda (w drugą stronę jest niemożliwe).

Gniazda PCI-E 16x(niebieskie) 4x (czarne) i 1x (białe)

Gniazdo 1x ma 18 pinów z każdej strony, gniazdo 4x - 32, gniazdo 8x - 49,zaś gniazdo 16x - 82 piny z każdej strony.

Specyfikacja PCI Express

Specyfikacja określa też mniejsze rozmiarowo warianty kart: miniExpress cards, ExpressCards (następca PCMCIA) oraz AdvancedTCA (następca CompactPCI)

Magistrale AMR, ACR i CNR

AMR (Audio/Modem Riser) mało popularne rozwiązania Intel-a stosowane przez pewien czas dla tanich modemów i kart muzycznych. Powyższe magistrale umożliwiały przejęcie części pracy przez procesor, dzięki czemu cena tego typu kart mogła się bardzo obniżyć.

CNR (Communications nad Networking Riser) rozwiązania Intel-a zastępujące AMR do modemu, kart sieciowych i muzycznych. Obsługuje w pełni mechanizm Plug and Play.

ACR (Advanced Communications Riser) powstało z inicjatywy AMD, VIA, Ali i NVIDIA w odpowiedzi na CNR –jest to przesunięte i odwrócone o 180⁰ gniazdo PCI.

Złącze z interfejsem AMR

Złącze z interfejsem ACR

Złącze z interfejsem CNR

Magistrale I/O dla komputerów przenośnych

Nowy element zawsze możemy podłączyd do zewnętrznej magistrali USB (Universal Serial Bus – uniwersalna magistrala szeregowa). Rodzaj sprzętowego portu komunikacyjnego komputerów, zastępującego stare porty szeregowe i porty równoległe. Został opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC. Nie zawsze jest to jednak najlepsze rozwiązanie – wystający z boku adapter łatwo można uszkodzid.

Magistrala PC-Card (PCMCIA) – (Personal Computer Memory Card International Association - to międzynarodowe stowarzyszenie producentów kart pamięci dla komputerów osobistych. Celem organizacji jest wprowadzenie i rozwijanie międzynarodowego standardu kart rozszerzeń dla komputerów przenośnych). Pierwszym zastosowaniem była komunikacja z kartą pamięci wielkości karty kredytowej; obecnie umożliwia instalowanie dodatkowych kart rozszerzeń (m. in. modemy, karty sieciowe, karty TV) w bocznej ścianie komputera przenośnego. Istniały 3 typy kart o różnych grubościach (3,3, 5,0 i 10,5 mm). Karta typu I - karta o grubości 3,3 mm pełniąca funkcje karty pamięci

SRAM lub Flash. Karta typu II - karta o grubości 5,0 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń

(modem lub karta sieciowa). Karta typu III - karta o grubości 10,5 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń

(dysk twardy).

ExpressCard – kolejna technologia opierająca się na standardach PCIExpress oraz USB. Udostępnia podobną funkcjonalność oraz technologie: hot-plug, Plug and Play. Nie wymaga specjalnego kontrolera tak jak to było przy PCMCIA. Zaprojektowano 2 profile dla kart rozszerzeń: ExpressCard34 (gniazdo dla urządzeń, w których ważna jest oszczędność zajmowanego miejsca) i ExpressCard54 (uniwersalne gniazdo dla większych urządzeń).

Karta PCMCIA ExpressCard

SCSI SCSI - skrót od Small Computer Systems Inferface - standard

równoległego przesyłu danych między komputerem a jego urządzeniami poprzez tzw. szynę SCSI. Komputer musi posiadać specjalny kontroler , który kontroluje "ruch" na szynie.

Wyróżniamy kilka odmian SCSI: SCSI-1: pierwsza wersja standardu. Pozwalała na transfer z prędkością

5MB/s an odległość 6m, SCSI-2: kolejna wersja standardu. Składa się z dwóch wariantów,

zwiększających transfer do 10 lub 20 MB/s (odpowiednio Fast SCSI i Wide SCSI). Maksymalna odległośc to około 3 metry,

SCSI-3: znany jako Ultra SCSI , prędkość transferu 20-40MB/s, teoretycznie maksymalna odległość zostaje nadal 3 metry,

Ultra2 SCSI: wprowadzono technologię Low Voltage Differencial, pozwalającą na zwiększenia maksymalnej odległości do ~ 12m. Prędkość tranferu 40-80 MB/s,

Ultra3 SCSI: maksymalny transfer 160MB/s, dodano fukcje wspomagające wykrywanie i usuwanie przekłamań.

Każde urządzenie SCSI, z kontrolerem włącznie, posiada swój niepowtarzalny numer identyfikacyjny (tzw. SCSI ID). Szyna jest zakończona specjalnym terminatorem . System SCSI jest obecnie wykorzystywany głównie w wysokiej klasy serwerach i stacjach roboczych. Tańsze komputery domowe wykorzystują przeważnie standard ATA/IDE .

Kontroler SCSI-2 ze złączami 50-pin na karcie rozszerzeń z interfejsem ISA