Počítačová sběrnice ( angl. computer bus ) v architektuře počítače - spojení sloužící k přenosu dat mezi funkčními bloky počítače . Ve sběrnicovém zařízení lze rozlišovat mezi mechanickou, elektrickou (fyzickou) a logickou (řídicí) úrovní.
Na rozdíl od připojení typu point-to-point lze ke sběrnici obvykle připojit více zařízení pomocí jedné sady vodičů. Každá sběrnice definuje vlastní sadu konektorů (spojení) pro fyzické připojení zařízení, karet a kabelů.
Počítačové sběrnice raných počítačů byly svazky (svazky propojovacích vodičů - signál a napájení, svázané dohromady pro kompaktnost a snadnou údržbu), implementující paralelní elektrické sběrnice s několika připojeními. V moderních počítačových systémech se tento termín používá pro jakýkoli fyzický mechanismus, který poskytuje stejnou logickou funkčnost jako paralelní počítačové sběrnice.
Moderní počítačové sběrnice používají paralelní i sériové připojení a mohou mít paralelní ( anglicky multidrop ) a řetězové ( anglicky daisy chain ) topologie. V případě USB a některých dalších sběrnic lze použít i rozbočovače ( rozbočovače ).
Některé typy vysokorychlostních sběrnic ( Fibre Channel , InfiniBand , vysokorychlostní Ethernet , SDH ) využívají pro signalizaci spíše optické než elektrické připojení .
Konektory na sběrnici, různé konektory jsou zpravidla sjednoceny a umožňují připojení různých zařízení ke sběrnici.
Řízení přenosu sběrnice je realizováno jak na úrovni toku signálu ( multiplexery , demultiplexery , buffery , registry , tvarovače sběrnic ), tak z jádra operačního systému - v tomto případě obsahuje příslušný ovladač .
Sběrnice mohou být paralelní (data jsou přenášena cyklicky po cyklech slovy : každý bit je samostatný vodič) a sériové (datové bity jsou přenášeny střídavě kanálem , například dvojicí vodičů).
Většina počítačů má interní i externí sběrnice. Interní sběrnice propojuje všechny vnitřní komponenty počítače se základní deskou (a tedy i s procesorem a pamětí). Tento typ sběrnice se také nazývá místní sběrnice, protože se používá k připojení místních zařízení. Externí sběrnice připojuje externí periferie k základní desce.
Síťová připojení , jako je Ethernet , nejsou obvykle považována za sběrnice, i když rozdíl je spíše koncepční než praktický. Příchod technologií InfiniBand a HyperTransport dále rozmazal hranici mezi sítěmi a autobusy. [jeden]
Rané počítačové sběrnice byly skupinou vodičů, které připojovaly počítačovou paměť a periferie k procesoru. Téměř vždy se pro paměť a periferie používaly různé sběrnice, s různými přístupovými metodami, zpožděními, protokoly.
Jedním z prvních vylepšení bylo použití přerušení . Před jejich zavedením prováděly počítače I/O operace ve smyčce a čekaly, až bude periferní zařízení připraveno. Byla to ztráta času pro programy, které uměly jiné věci. Také pokud by se program pokusil provést jiné úkoly, mohl by zkontrolovat stav zařízení příliš pozdě a ztratit data. Proto inženýři umožnili periferním zařízením přerušit procesor . Přerušení byla upřednostněna, protože procesor mohl spustit kód pouze pro jedno přerušení najednou a některá zařízení vyžadovala nižší latenci než jiná.
O nějaký čas později začaly počítače přidělovat paměť mezi procesory. Na nich dostal přednost i autobusový přístup.
Klasickým a jednoduchým způsobem, jak upřednostňovat přerušení nebo přístup ke sběrnici, byla zařízení se za sebou jdoucími řetězci.
DEC poznamenal, že dvě různé sběrnice by mohly být redundantní a drahé pro malé, sériově vyráběné počítače, a navrhl mapování periferií na paměťovou sběrnici tak, aby vypadaly jako paměťové oblasti. V té době to bylo velmi odvážné rozhodnutí a kritici předpovídali, že selže.
První sběrnice minipočítačů byly pasivní backplanes připojené k pinům mikroprocesoru. Paměť a další zařízení byla připojena ke sběrnici pomocí stejné adresy a datových pinů jako procesor. Všechny kontakty byly zapojeny paralelně. V některých případech, jako například v IBM PC , jsou pro generování signálů potřeba další instrukce procesoru, aby byla sběrnice skutečnou I/O sběrnicí.
V mnoha mikrokontrolérech a vestavěných systémech I/O sběrnice stále neexistuje. Proces přenosu je řízen CPU, která ve většině případů čte a zapisuje informace do zařízení, jako by to byly bloky paměti. Všechna zařízení sdílejí společný zdroj hodin. Periferní zařízení mohou požadovat zpracování informací signalizací speciálních pinů CPU pomocí nějaké formy přerušení. Například řadič pevného disku oznámí procesoru data připravená ke čtení, načež je procesor musí přečíst z oblasti paměti odpovídající řadiči. Téměř všechny rané počítače byly postaveny tímto způsobem, od Altairu se sběrnicí S-100 po IBM PC v 80. letech 20. století .
Takové jednoduché sběrnice měly vážnou nevýhodu pro počítače pro všeobecné použití. Všechna zařízení na sběrnici musela přenášet informace stejnou rychlostí a používat stejný zdroj hodin . Zvýšení rychlosti procesoru nebylo jednoduché, vyžadovalo totiž stejnou akceleraci všech zařízení. To často vedlo k situaci, kdy velmi rychlé procesory musely zpomalit, aby mohly přenášet informace do některých zařízení. Ačkoli je to přijatelné pro vestavěné systémy, tento problém není přijatelný pro komerční počítače. Dalším problémem je, že procesor je vyžadován pro všechny operace a když je zaneprázdněn jinými operacemi, může skutečná propustnost sběrnice výrazně utrpět.
Takové počítačové sběrnice bylo obtížné nastavit se širokou škálou vybavení. Každá přidaná rozšiřující karta může například vyžadovat nastavení více přepínačů pro nastavení adresy paměti, I/O adresy, priorit a čísel přerušení.
Počítačové sběrnice „druhé generace“, jako je NuBus , vyřešily některé z výše uvedených problémů. Obvykle rozdělili počítač na dvě „části“, procesor a paměť v jedné a různá zařízení v druhé. Mezi díly byl instalován speciální sběrnicový řadič ( bus controller ) . Tato architektura umožnila zvýšit rychlost procesoru bez ovlivnění sběrnice, odlehčit procesor od úkolů správy sběrnice. Pomocí řadiče mohla zařízení na sběrnici mezi sebou komunikovat bez zásahu centrálního procesoru. Nové pneumatiky měly lepší výkon, ale také vyžadovaly sofistikovanější rozšiřující karty. Problémy s rychlostí byly často řešeny zvětšením šířky datové sběrnice , z 8bitových sběrnic v první generaci na 16bitové nebo 32bitové sběrnice ve druhé generaci. Také se objevila softwarová konfigurace zařízení, která zjednodušuje připojení nových zařízení, nyní standardizovaných jako Plug-n-play .
Nové pneumatiky však stejně jako předchozí generace vyžadovaly stejné rychlosti ze zařízení na stejném autobusu. Procesor a paměť byly nyní izolovány na vlastní sběrnici a jejich rychlost rostla rychleji než rychlost periferní sběrnice. V důsledku toho byly sběrnice pro nové systémy příliš pomalé a stroje trpěly nedostatkem dat. Jedním z příkladů tohoto problému je, že grafické karty se rychle zdokonalovaly a postrádaly šířku pásma dokonce i u nových sběrnic PCI ( Peripheral Component Interconnect ). Počítače začaly zahrnovat Accelerated Graphics Port (AGP) pouze pro práci s grafickými adaptéry. V roce 2004 AGP opět nestačilo na výkonné grafické karty a AGP začala být nahrazována novou sběrnicí PCI Express .
Stále větší počet externích zařízení začal používat vlastní sběrnice. Když byly vynalezeny diskové jednotky, byly připojeny ke stroji pomocí karty připojené ke sběrnici. Z tohoto důvodu měly počítače mnoho rozšiřujících slotů . Ale v 80. a 90. letech byly vynalezeny nové sběrnice SCSI a IDE , které tento problém vyřešily tím, že většinu rozšiřujících slotů v nových systémech nechaly prázdnou. Typické auto dnes podporuje asi pět různých pneumatik.
Pneumatiky se začaly dělit na vnitřní ( místní autobus ) a vnější ( externí autobus ). První byly navrženy pro připojení interních zařízení, jako jsou video adaptéry a zvukové karty, zatímco druhé byly navrženy pro připojení externích zařízení, jako jsou skenery . IDE je podle návrhu externí sběrnice, ale téměř vždy se používá uvnitř počítače.
Sběrnice "třetí generace" (jako je PCI-Express ) obvykle umožňují jak vysoké rychlosti potřebné pro paměť, grafické karty a meziprocesorovou komunikaci, tak malé při práci s pomalými zařízeními, jako jsou diskové jednotky. Usilují také o větší flexibilitu, pokud jde o fyzické připojení, což umožňuje jejich použití jako interní i externí sběrnice, například pro připojení počítačů. To vede ke složitým problémům při uspokojování různých požadavků, takže většina práce na těchto sběrnicích souvisí se softwarem, nikoli s hardwarem samotným. Obecně platí, že sběrnice třetí generace jsou spíše počítačové sítě než původní nápady sběrnic, s větší režií než dřívější systémy. Umožňují také více zařízení používat sběrnici současně.
Moderní integrované obvody jsou často navrhovány z prefabrikovaných dílů. Sběrnice (např. Wishbone ) byly vyvinuty pro snadnější integraci různých částí integrovaných obvodů.
| Počítačové sběrnice a rozhraní | |
|---|---|
| Základní pojmy | |
| Procesory | |
| Vnitřní | |
| notebooky | |
| Pohony | |
| Obvod | |
| Správa zařízení | |
| Univerzální | |
| Video rozhraní | |
| Vestavěné systémy | |