MAGISTRALA oraz MOSTEK PLNOCNY I POLUDNIOWY Komputer zbudowanych

MAGISTRALA oraz MOSTEK PÓLNOCNY I POLUDNIOWY

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. Wymiana informacji procesor-pamięć wymaga wewnętrznych rejestrów pamięci procesora: MAR - rejestr adresowy - określa adres następnego odczytu/zapisu MBR - rejestr buforowy pamięci - zawiera dane do odczytu/zapisu I/O AR - rejestr adresowy wejścia/wyjścia - określa konkretne urządzenie WE/WY I/O BR - rejestr buforowy wejścia/wyjścia - służy do wymiany danych między jednostką centralną a modułem WE/WY.

• Magistralą nazywamy 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. • Pojedyncze linie przekazują sygnały binarne (0/1) Sposób wykorzystania linii określają specjalne protokoły, opisujące dozwolone sekwencje sygnałów. Do magistral dołączonych może być wiele urządzeń, odbierających sygnały wysyłane przez jedno z nich. W tym samym czasie nadawać sygnały może tylko jedno urządzenie.

Linie magistral mogą być: • Jednokierunkowe • Dwukierunkowe Komunikacja między modułami dotyczy: • Adresów (komórek pamięci, rejestrów portów we/wy) • Danych (odczyt/zapis, z/do RAM, z/do urządzeń we/wy, z/do procesora) • Sygnałów sterujących (ustalenie kierunku zapisu, aktywowanie modułów funkcjonalnych, wyboru funkcji wykonywanej przez moduł, przerwania, synchronizacja, zgłoszenie zapotrzebowania na dostęp, zwolnienie dostępu) Stąd w magistralach wyróżnić można grupy linii (szyny): • Szyna adresowa stanowi wiązkę jednokierunkowych linii, których liczba wyznacza możliwości adresowania (8, 16, 24, 32, 64 linie --> jedna linia = jeden bit) • Szyna danych stanowi dwukierunkową wiązkę linii, których liczba określa długość słowa procesora (np. 8, 16, 32, . . + bit detekcji i korekcji błędów. Jeśli szyna danych jest np. 8 bitowa a rozkaz procesora 16 - bitowy, to w czasie jednego cyklu procesor musi łączyć się z pamięcią dwukrotnie - obniżenie wydajności systemu) • Szyna sterowania, którą stanowi dwukierunkowa wiązka linii (zwykle kilkanaście kilkadziesiąt linii)

System komputerowy zawiera zwykle kilka różnych magistral (struktura wielomagistralowa), które łączą zespoły komputera na różnych poziomach hierarchii. Tradycyjny system komputerowy opiera się na dwóch magistralach: lokalnej i systemowej. Magistrala lokalna łączy procesor z pamięcią podręczną. Magistrala systemowa łączy wszystkie bloki pamięci systemowej z procesorem za pośrednictwem sterownika pamięci podręcznej.

Do magistrali systemowej dołączony jest również moduł urządzeń wejścia/wyjścia. Efektywność połączeń zwiększa się przy wykorzystaniu jednej lub więcej szyn rozszerzenia (expansion bus). Interfejs szyny rozszerzenia buforuje dane przesyłane między magistralą systemową a sterownikami We/Wy dołączonymi do szyny rozszerzenia. Umożliwia to systemowi wiele operacji we/wy i komunikacji między urządzeniami we/wy bez angażowania procesora. Wraz z pojawieniem się urządzeń o dużych wymaganiach dotyczących prędkości transmisji danych, pojawiła się tzw. magistrala szybkiego przesyłania. System komputerowy wykorzystujący tą magistrale ma zazwyczaj architekturę międzypiętrową (mezzanine architecture)

Sterownik pamięci podręcznej jest zintegrowany z mostem (urządzenie buforujące i sterujące ruchem na magistralach). Most łączy magistralę lokalną z magistralą szybkiego przesyłania. Magistrala szybkiego przesyłania obsługuje połączenia z siecią LAN (np. 100 Mbit/s), sterowniki urządzeń graficznych, sterowniki interfejsów z lokalnymi magistralami peryferyjnymi (SCSI, P 1394). Magistrala szybkiego przesyłania sprzęga procesor z urządzeniami o wysokich wymaganiach, ale jest niezależna od procesora (tolerowane są różnice prędkości i definicje linii sygnałowych) Wraz ze wzrostem prędkości procesorów (CPU) i pamięci (RAM) konieczne stało się odizolowanie połączenia CPU-RAM od reszty systemu. Standardowa magistrala systemowa została zastąpiona przez DIB (Dual Independent Bus). Magistrala DIB składa się z dwóch magistral: FSB (frontside Bus) - połączenie pamięci systemowej przez kontroler pamięci (mostek) z CPU i innych magistrali z CPU i RAM. BSB (backside Bus) - bezpośredni szybki kanał między procesorem a pamięcią podręczną (Level 2 chache).

Rodzaje magistral. • ISA • EISA • VL-BAS (VESA, Vesa Local Bus) • PCI

• W pierwszym komputerze PC firmy IBM zainstalowano magistralę ISA (Industry Standard Architecture), dostosowaną do pierwszego procesora: • 8 lini danych (8 bitowa szyna danych) • 20 linii adresowych (szyna adresowa) • kilka linii sterujących (szyna sterująca) • 4. 77 MHz - przepływ informacji zgodny z prędkością taktowania wewnętrznego zegara procesora (w 1982 roku osiągnęła szerokość 16 bitów przy 8 MHz) • Wszystkie podzespoły, które nie mieściły się na płycie głównej montowano w postaci kart rozszerzeń (sterowniki dysków, portów, karty grafiki, pamięć itd. ) - wszystkie urządzenia pracowały z częstotliwością taktowania 8 MHz. ISA

• Szybsze procesory - większe wymagania dotyczące obsługi urządzeń we/wy oraz pamięci systemowej - nowe rozwiązania dotyczące magistral. EISA (Extended ISA) udoskonalona wersja ISA (32 bity i 8 MHz). Jedno z wielu rozwiązań pochodzące z lat 80 -tych, ale nadal spotykane we współczesnych komputerach. Większość komputerów posiada zwykle jedno gniazdo (slot) zgodne z tym standardem. Magistrala EISA łączy dyski posiadające obwody IDE. EISA

VL-BAS (VESA, Vesa Local Bus) • Standard (współczesny magistrali EISA) wprowadzony przez VESA (Video Electronics Standard Association). Szerokość: 32 bity, prędkość magistrali lokalnej, czyli taka, jak prędkość własna procesora. VL-bus z definicji miała być połączona bezpośrednio z procesorem. Takie rozwiązanie sprawdzało się dla pojedynczych urządzeń, podłączany bardzo blisko procesora. Podłączenie więcej niż dwóch urządzeń wyraźnie obniżało wydajność pracy procesora (przy częstotliwości zegara do 33 MHz). Przy prędkości powyżej 50 MHz magistrala była w stanie obsłużyć tylko jedno urządzenie i to w dodatku zamontowane bezpośrednio na płycie głównej. Z tego powodu VL-Bus była stosowana wyłącznie do podłączenia karty graficznej. (duży zysk z bezpośredniego, szybkiego dostępu do CPU).

PCI Najnowsze rozwiązanie (dla procesorów począwszy od pentium 60/66 MHz) to magistrala PCI (Pheripheral Component Interconnect). PCI jest współczesną szerokopasmową magistralą niezależną od procesora, która może funkcjonować zarówno jako peryferyjna jak i magistrala międzypiętrowa. PCI jest rodzajem hybrydy między ISA a VL-Bus. Łączy bezpośrednio moduł we/wy z pamięcią systemową, ale z magistralą systemową łączy się za pośrednictwem mostka (izolacja od procesora, brak zakłóceń). PCI może obsłużyć więcej urządzeń niż VL -Bus (do pięciu). Każde z połączeń zewnętrznego składnika może zostać zastąpione dwoma urządzeniami zamontowanymi bezpośrednio na płycie głównej (np. kolejną magistralą PCI). Mostek PCI reguluje prędkością pracy magistrali PCI niezależnie od prędkości procesora.

Magistrala PCI rozprowadza sygnały między procesorem, urządzeniami na płycie głównej a kartami rozszerzeń znajdującymi się w złączach PCI. Może obsługiwać różne standardy urządzeń (pracujące z różną prędkością, różną szerokością szyny, i z różnym napięciem) Płyta główna z gniazdami PCI, ISA i AGP. (PC-Tech. Guid) Typowa karta PCI (How. Staff. Work)

• Karty PCI produkowane są z napięciami znamionowymi 5 V (starsze) i 3. 5 V (nowsze). Specjalne nacięcia (klucze) zapewniają prawidłowy montaż. Karty wolniejsze zostaną obsłużone przez szybszą magistralę (podobnie jak karty o mniejszej szerokości szyny przez szeroką magistralę), ale ich zastosowanie osłabi potencjalną wydajność magistrali. W definicji magistrali PCI uwzględniono automatyczną konfigurację podłączanych do niej urządzeń (Pn. P plug and play) PCI (układ linii i podzespoły elektroniczne) buforuje sygnały i ma możliwość zmiany ich zależności czasowych.

PCI łączy się z innymi magistralami za pomocą mostków (np. za magistralą ISA) • Oś północ-południe. Różne funkcje magistrali PCI z związane z różnorodnością urządzeń, które łączy, zostały zgrupowane w dwóch układach scalonych zwanych mostkiem północnym i Mostkiem południowym. Mostek północny pośredniczy w połączeniu procesora z pamięcią poprzez magistralę systemową zewnętrzną (węzłową). Mostek (składa się z buforów i dekoderów adresów) wzmacnia sygnały procesora i kieruje je w odpowiednie miejsce, tzn. rozstrzyga np. czy komunikat z procesora dotyczy pamięci czy urządzenia I/O. Istnienie mostka pn umożliwia obsługę magistrali AGP (Advanced Graphics Port), która jest wyspecjalizowaną odmianą PCI, łączącą urządzenie AGP z procesorem.

• Mostek południowy - układ scalony odpowiedzialny za: • połączenie magistrali PCI z wolniejszą magistralą ISA, • połączenia ze stacjami dyskietek, • 2 kanały EIDE (główny i wtórny), do których można podłączyć po dwa urządzenia EIDE • połączenie z magistralami myszy i klawiatury • połączenie z magistralami USB i IEEE 1394 • połączenie standardowego portu równoległego ECP (lub EEP) oraz szeregowego • obsługę złącz kart PC (Card. Bus) typ magistrali ISA EISA VL-bus PCI PCI szerokość 16 bitów 32 bity 64 bity częstotliw ość 8 MHz 25 MHz 33 MHz 66 MHz 133 MHz MB/s 16 MB/s 32 MB/s 100 MB/s 132 MB/s 264 MB/s 512 MB/s 1 GB/s

AGP • Zaawansowany system graficzny, sterowany za pomocą dobrej karty graficznej wymaga od magistrali szybkiego połączenia z procesorem i bezpośredniego połączenia z niektórymi obszarami pamięci głównej. Akcelerator graficzny najczęściej ma postać karty (karta graficzna) ze złączem AGP. Z biegiem czasu pojawiły się różne standardy AGP charakteryzujące się różnymi szybkościami przetwarzania (AGO 1 X, AGP 2 X, AGP 4 X, AGP 8 X i AGP Pro)

Mostek północny (ang. northbridge) – element współczesnych chipsetów, realizujący połączenia pomiędzy procesorem, pamięcią operacyjną, magistralą AGP lub PCI Express i mostkiem południowym. • W większości współczesnych płyt głównych mostek północny pełni rolę kontrolera pamięci oraz pośrednika pomiędzy procesorem, pamięcią operacyjną i kartą graficzną. Komunikacja pomiędzy procesorem a resztą podzespołów płyty głównej odbywa się przy pomocy mostka południowego. W starszych modelach płyt głównych mostek północny i południowy były połączone szyną PCI, obecnie stosuje się do tego celu dedykowane magistrale o dużej przepustowości. Niektórzy producenci płyt głównych integrują z mostkiem północnym układ graficzny lub kontroler Gigabit Ethernet

Mostek południowy (ang. southbridge) – element współczesnych chipsetów, realizujący połączenie procesora do wolniejszej części wyposażenia mikrokomputera: • • • napędów dysków twardych (złącza IDE/ATA/SATA/ATAPI) magistral ISA, PCI sterownika przerwań sterownika DMA nieulotnej pamięci BIOS modułu zegara czasu rzeczywistego Opcjonalnie most południowy może obsługiwać również: łącze Fire. Wire łącze USB złącze do sterownika RAID złącze Ethernet W rzadkich przypadkach mostek południowy obsługuje także zewnętrzne złącza szeregowe, w tym złącza myszy i klawiatury oraz RS-232 – zazwyczaj jednak urządzenia te dołączane są do mostka południowego przez dodatkowy układ nazywany SIO (ang. Super Input/Output). Przez SIO obsługiwane są również złącza równoległe (port Centronics), łącze podczerwieni (Ir. DA), stacje dyskietek i Flash ROM BIOS-u.