Шины компьютерной системы

Компьютерной системе необходимы три сигнальные шины, чтобы осуществлять связь или управление операциями. Эти три шины следующие:

• шина данных
• шина адреса
• шина команд

Каждая из шин внутри системы имеет особую функцию.

Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд.

Шина данных используется, чтобы передавать информацию от одной части компьютера другой. Она известна как двунаправленная шина, поскольку информация может передаваться в любом направлении. Шина данных обычно имеет 4, 8, 16 или 32 линии, по каждой из которых передастся один бит. Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных.

Важно отметить, что в отдельный момент времени на шине может находиться только один элемент данных. Как правило, шина используется либо для передачи информации из памяти или из входного порта в микропроцессор, либо из микропроцессора в выходной порт. Предварительно на шине адреса выставляется адрес запрашиваемых данных.

Адресная шина начинается в микропроцессоре и является однонаправленной. Каждое устройство компьютерной системы, память или порт, имеет уникальный адрес в двоичном формате. Микропроцессор может обратиться по адресу любого из этих устройств и выставить на шине данных необходимую информацию или считать её. Адресная шина фактически сообщает компьютеру, какая из частей системы используется в данный момент времени.

Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2^N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП). Наиболее часто используются типы выходных каскадов с тремя состояниями или обычные ТТЛ (с двумя состояниями). Разрядность шины адресов определяет максимальный адрес адресуемой ячейки памяти

Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса / данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена. По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.

В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.

Адресная шина будет указывать, какая из частей компьютерной системы должна функционировать в данный момент времени, а шина команд укажет, как именно эта часть должна функционировать. Например, если микропроцессор требует информацию из ячейки памяти, адрес этой особой ячейки помещается на адресную шину. Шина команд в этом случае будет содержать два сигнала: сигнал обращения к памяти и сигнал чтения. Это приведет к тему, что содержимое памяти по заданному адресу будет выставлено на шину данных. Затем эта информация будет использована микрокомпьютером для выполнения другой команды.

Наконец, шина команд, как предполагает ее название, позволяет микропроцессору управлять остальной частью системы. Шина команд может иметь до 20 линий, но обязательно имеет четыре основных управляющих сигнала. Это сигналы чтения, записи, запроса ввода/вывода и обращения к памяти.

Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа.

Сигналы шины управления могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии шины управления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексированных линий).

https://window.edu.ru/resource/737/74737/files/Uchebnoe_posobie_MPS.pdf