Sběrnice, rozhraní Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /3 Autor Ing. Miloš Zatloukal Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/1-EL-5/17 Název DUM Sběrnice, rozhraní Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/52 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Číslicová technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 18 – 19 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce s doplňujícím výkladem vyučujícího; náplň: přerušení programu mikropočítače a počítače Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Komunikace, sběrnice, DMA, IRQ, datový, adresní, řídicí, systémový, lokální, rozšiřovací, třístavový, řadič sběrnice, Bus, paralelní, sériové, most (bridge), multimastering, burst režim, PC Bus, ISA, MCA, EISA, VESA VL-Bus, PCI, AGP, PCI e Datum 5. 4. 2013

Sběrnice, rozhraní Obsah tématu Komunikace procesoru s okolím Sběrnice - dělení, vlastnosti - třístavové obvody Datová Adresní Řídicí Systémové sběrnice Lokální Rozšiřovací Parametry sběrnice Signály na sběrnici Režimy přenosu Sběrnice v PC Rozhraní v PC

Sběrnice (Bus) Procesor komunikuje se svým okolím (dalšími obvody, zařízeními…) dvěma způsoby: - prostřednictvím sběrnic - pomocí hardwarových přerušení (IRQ) Obejít procesor jako prostředníka při výměně informací mezi nějakým zařízením (periferií) a pamětí je možné pomocí kanálů přímého přístupu do paměti (DMA) (Direct Memory Access) Sběrnice - je to skupina vodičů (co 1 vodič, to jeden bit) - obecně n bitová (n = 1,2,4,5,8,14,16,24,32…) - šíří se po ní informace podobného charakteru (např. čísla - operandy, čísla - adresy, nebo čísla – čísla instrukcí – povely)  

Sběrnice (Bus) – pokračování Soustava sběrnic - umožňuje vzájemné propojení jednotek v počítači - vytváří stavebnicovou strukturu počítače - dovoluje rozšiřování systému o další jednotky (beze změn ve vnitřním zapojení jednotek) - v každém okamžiku může být na sběrnici připojen pouze jeden zdroj informace (nelze tedy současně předávat informace ze dvou zdrojů dvěma příjemcům) - sběrnice je sdílena různými jednotkami – bloky - vysílač: na sběrnici pouze informace vysílá (např. klávesnice) - přijímač: pouze ze sběrnice informace přijímá (např. displej) - kombinovaný vysílač/přijímač – schopen střídavě obou činností (např. operační paměť) - Přenos informací se děje podle stanovených pravidel – protokolu Řadič sběrnice - určuje role jednotek na sběrnici: nadřízený – podřízený = vysílač-přijímač - rozhoduje na základě žádostí o přidělení sběrnice, které vysílají jednotky na sběrnici - bere přitom zřetel na prioritu jednotek, které o přidělení sběrnice žádají

Sběrnice (Bus) – pokračování - pro sběrnice se používají třístavové logické obvody (aby nedocházelo k ovlivňovaní jednotek připojených na společnou sběrnici) 3 stavy: - nízká úroveň – logická nula („0“) - vysoká úroveň – logická jedna („1“) - třetí stav – stav vysoké impedance (obvod se vůči sběrnici jeví jako nepřipojený) - třístavové obvody vyžadují řízení - aby nikdy nemohlo dojít k současnému přenosu na sběrnici od dvou nebo více jednotek - došlo by tak ke kolizi na sběrnici a hrozilo by i zničení třístavových obvodů - činnost sběrnice je v každém okamžiku řízena jen  jednou jednotkou (nejčastěji procesorem, ale někdy může dočasně převzít řídicí funkci jiná jednotka)

Základní dělení sběrnic Paralelní (odděleny vodiče pro data, adresy, povely) Sériové (na společném vodiči informace jako data, povely… sdíleny) Jaké se v počítači (mikropočítači) používají sběrnice? Datová Adresní Řídicí Systémové sběrnice 1) Datová - slouží k přenosu dat (čísel) - její šířka je násobkem osmi (často jde o právě 8 bitů – 1 bajt) - informace jsou čteny ze zdroje dat (např. z datové paměti) - nebo jsou zapisována příjemcem dat (do paměti dat) (často střídavě – paměť typu RWM – RAM) - operace čtení (Read, RD) i zápis (Write, WR) jsou pomocí řídicí sběrnice řízeny a přesně časovány

Sběrnice (Bus) – pokračování 2) Adresní sběrnice - jejím prostřednictvím se - pracuje s pamětí - pracuje s jinými adresovatelnými obvody - podle velikosti obsluhované paměti pak vychází šířka adresní sběrnice - počet adres, adresovatelných buněk paměti) N = 2n (kde n je počet bitů = šířka sběrnice Osmibitové mikropočítače (počítače) (procesor a registry mají šířku datové sběrnice 8 bitů) - mají nejčastěji 16 bitovou adresní sběrnici - pak mohou adresovat až 216 čili 65 536 buněk paměti Šestnáctibitové počítače (mikropočítače) - mají 20 bitovou adresní sběrnici (220= 1 048 576 buněk paměti) (případně více než 20 bitů)

Sběrnicové cykly 2) Adresní sběrnice – pokračování - slouží k adresování jednotek - n bitové číslo na ní tvoří tzv. adresu (adresou je např. 16 ti bitové číslo - jeho nejvyšší bity adresují jednotky - zbytek (nižší bity) adresují dílčí bloky uvnitř vybrané jednotky Dekodér adres = adresový dekodér úlohou dekodéru adres je určit z vyšších bitů adresy o kterou jednotku se jedná a povolit její činnost – pomocí výběrového signálu CS (nebo podobného) (Chip Select – volba, výběr čipu = obvodu – např. jedné z pamětí) Sběrnicové cykly - jde o posloupnost činností, během nichž dojde právě jednou ke komunikaci se zařízením (jde o čtení nebo zápis pomocí sběrnic) (jedná se o tzv. sběrnicový cyklus = bus cycle)

Sběrnice (Bus) – pokračování Obr. 1: Sběrnice v mikropočítači

Sběrnice (Bus) – pokračování 3) Řídicí sběrnice - řídí činnost ostatních jednotek - řídicí signály (povely) vyrábí nejvíce procesor - některé řídicí signály mohou být vytvářeny i ostatními jednotkami (tyto tímto mohou ovlivňovat činnost procesoru) - přenášejí se po ní: - povely - příznaky - stavové signály

Sběrnice (Bus) – pokračování 4) Systémové sběrnice Dělí se na 1) Lokální a) uvnitř mikroprocesoru nebo jednočipového mikropočítače b) vnější – propojí tento mikroprocesor nebo mikropočítač s dalšími pomocnými obvody - vlastnosti lokálních sběrnic jsou závislé na konkrétním typu mikroprocesoru 2) Rozšiřovací - oddělují mikroprocesor nebo jednočipový mikropočítač od dalších funkčních jednotek - jsou normalizované (nezávislé na konkrétním typu mikroprocesoru) (jde o počet a účel vodičů, konektory, způsob komunikace na sběrnici…) Někdy je nutné rozšiřovací sběrnici oddělit od lokální pomocí speciálních obvodů nazývaných mosty (bridges)

Sběrnice (Bus) – pokračování Jaké vlastnosti – parametry musí sběrnice mít? (platí to stejně i pro rozhraní) 1) Elektrické – určují hodnoty napětí, proudů, impedancí a kapacit, také přiřazují logické hodnoty pro nulu a jedničku 2) Funkční – definují funkci signálů, jejich časové průběhy a návaznosti signálů 3) Operační – určují formáty a kódy přenášených informací 4) Mechanické – vodiče – počty, konektory z hlediska mechanického – rozměry, tvar, uspořádání…

Sběrnice (Bus) – pokračování Jaké signály sběrnice obsahuje? - vodiče (bity) datové sběrnice – počet 8, 16, 32 - vodiče adresní sběrnice – počet 20, 24, 32, 64 - vodiče pro přerušení – IRQ – 6, 8, 16, 24 - vodiče pro DMA kanály – 4, 8 - vodiče s napájecím napětím – 1 až 4 (včetně el. země) - řídicí signály (např. Reset, časovací signály, signály pro občerstvování = refresh dynamických pamětí RAM, pro určení typu adresovaného zařízení…)

Sběrnice (Bus) – pokračování Základní parametry sběrnice: - šířka sběrnice (počet bitů, které lze zároveň po sběrnici přenést) - pracovní frekvence (maximální frekvence, kterou jsou informace po sběrnici přenášeny) - propustnost = přenosová rychlost počet informačních jednotek (bitů, bajtů) přenesených za jednotku času (bit/s, bajt/s a násobky kilo, mega, giga…) Režimy pro přenos na sběrnici: - Multimastering – provoz sběrnice může řídit některé jiné zařízení než samotný mikroprocesor, je to výhodné v případě výměny informací mezi 2 periferiemi - Burst režim – přenáší po sobě následující data najednou (ve větší skupině), bez adresy u každého datového bloku (zrychlení přenosu informací)

Sběrnice (Bus) – pokračování Sběrnice používané v PC – jde o stručný historický přehled PC bus - pro první IBM PC a PC/XT (s mikroprocesorem I8088), - 8 bitová data, 20 bitová adresa, celkem 62 vodičů, - napájení +5 V, -5 V, +12 V - pracovní frekvence 8 MHz ISA - 8 bit (lndustry Standard Architecture) - pro počítače XT, - 8 bitová data ISA - 16 bit (také AT Bus) - pro počítače PC/AT, 286, 386 - 16 bitová data, 24 bitová adresa, celkem 62 + 36 vodičů Potřebují generátor čekacích taktů (wait-states generator), který bývá součástí některého z obvodů čipové sady - je určen pro vzájemné přizpůsobování rychlosti – pracovní frekvence mikroprocesoru je větší než prac. frekvence zařízení na sběrnici (zásuvné karty) a procesor tak na kartu čeká

Sběrnice (Bus) – pokračování karty se nastavují = konfigurují hardwarově (propojkami = jumpery) MCA (MicroChannel Architecture) - od IBM a jen pro IBM (nekompatibilní s ISA) - pro počítače řady PS/2 – 80286 a 80386 - 16 - 32 bitová data, 24 – 32 bitová adresa - celkem 2x58 + 2x10 (video) nebo 2x58 + 2x31 vodičů - programové nastavení zásuvných karet – softwarově - licencovaná pro výrobce karet a počítačů - pracovní frekvence 10 MHz - dovoluje busmastering (tj. sdílené řízení sběrnice) EISA bus (Extented ISA) - zdokonalená ISA (s ISA kompatibilní), pro PC s procesory 386 a 486 - 32 bitová data, 32 bitová adresa - celkem 62 + 36 + 59 vodičů - pracovní frekvence 8 MHz Pozn. Výše uvedené sběrnice pracovaly se ¼ až ½ frekvencí procesoru

Sběrnice (Bus) – pokračování VESA VL-BUS (Video Equipment Standards Association, Video Local Bus) - pracuje na stejné frekvenci jako procesor (25 – 50 MHz) – 1 karta - pokračováním ISA sběrnice - pro PC s procesorem 486 a pro první Pentia - 32 bitová data, 32 bitová adresa - pro 1 (až 50 MHz) až 3 (33 MHz) karty - nejčastěji pro grafickou kartu - 5 V napájení - umožňuje burst režim přenosu - celkem 2 x 58 vodičů

Sběrnice (Bus) – pokračování PCI (Peripheral Component Interconnect) - pro PC s procesorem 486 a Pentium (a obdobné) - 32 bitová data (486), 64 bitová data (Pentium) - 32 bitová adresa (umožní adresovat až 4 GB paměti RAM) - pracovní frekvence 33,33 MHz (32 bitů), 66 nebo 133 MHz (64 bitů) - propustnost sběrnice 132 MB/s (32 bitů) (33,33 MHz × 32 bitů) ÷ 8 bitů/byte = 133 MB/s nebo 266 MB/s nebo 533 MB/s (64 bitů) - rychlá, spolehlivá - s automatickou konfigurací PnP (Plug and Play) - k lokální sběrnici připojena přes mezisběrnicový můstek (bridge) - výhody můstku - možnost použití sběrnice PCI i v jiném počítačích (např. MacIntsoh) - přizpůsobování napěťových úrovní (3,3 V místo 5 V) - pro 3 až 4 karty - umožňuje burst režim, busmastering, dále Plug and Play = PnP - nezávislá na ISA sběrnici

Sběrnice (Bus) – pokračování AGP - 32-bitová, - průchodnější pro paměti - podpora grafických akcelerátorů (videokaret) - typy AGP1x, 2x, 4x, 8x (jde o počet přenosů za 1 takt) PCI Express (PCI e) - nejdříve kompatibilní s PCI (označení PCI-X) - opouští paralelní sběrnicový systém - růst pracovních frekvencí způsoboval vznik zpoždění, rušení, zkreslení signálů - inspirace u lokálních sítí – LAN (Ethernet) - sériový přenos dat na vysokých frekvencích (2,5 GHz – 5 GHz) - typy PCI e 1.1, 2.0, 3.0 (x1, x2, x16, x32) - použití: grafické karty, jiné karty s potřebou velké rychlosti - přenosová rychlost až 25 GB/s (PCI e 3.0 x32)

Sběrnice (Bus) – grafické karty Obr. 2 Obr. 3: grafická karta VGA pro PC 386 – sběrnice ISA 16 bitová Obr. 2: grafická karta pro PC XT –monochromatická – Hercules – sběrnice ISA 8 bitová

Sběrnice (Bus) – základní desky PC – sběrnice, ISA16, PCI 32 a AGP Obr. 4: základní deska PC 486 – sběrnice ISA 16 bitová, PCI 32 bitová Obr. 5: základní deska PC 486 –sběrnice ISA 16 bitová, 32 bitová PCI, AGP 1x

Rozhraní Jde o paralelní nebo sériové sběrnice pro připojení periferií (vnějších zařízení) typu monitor, tiskárna, myš, klávesnice, digitální kamera, externí disky, apod. Počítač je vybaven příslušným konektorem, který je vyveden na skříň PC (nejčastěji vzadu). Monitor – VGA, DVI, HDMI Tiskárna – Centronics (LPT), USB Klávesnice – DIN, PS/2, USB Myš – COM (RS 232C), PS/2, USB Digitální kamera – FireWire, USB Externí disky – FireWire, USB, SATA Skener – USB Dále jde o zařízení připojitelná dovnitř počítače (přes typizovaný konektor příslušný pro daný typ připojení – sběrnici) Hard Disk – SCSI, IDE = ATA (PATA), SATA CD ROM – IDE = ATA (PATA) DVD – ATA (PATA), SATA Blu-Ray Disk – SATA Vývoj – zrychlování přenosu (zvyšování přenosové rychlosti), rostoucí objemové nároky (stále větší soubory), zvyšování frekvence, sériový přenos, univerzální připojení (USB)

Sběrnice (Bus) – zadní stěna PC PS/2 – klávesnice PS/2 – myš COM 9 – modem LPT 25 – tiskárna USB – 4 ks Audio - vstup - výstup Video – monitor Digitální – DVI Analogový – VGA FireWire – 3 ks Obr. 6

Kontrolní otázky 1. Řadič sběrnice je obvod, který: Není většinou potřeba Řídí sdílení sběrnice typu kdo – s kým – a proč Je možné nahradit jinými obvody 2. Třetí stav obvodu pro sběrnice se jmenuje: Stav vysoké impedance Logická nula Logická jedna 3. Dvacetibitová adresa znamená možnost adresovat až paměť o kapacitě: 1 GB 4 GB 8 GB

Kontrolní otázky – správné odpovědi červené 1. Řadič sběrnice je obvod, který: Není většinou potřeba Řídí sdílení sběrnice typu kdo – s kým – a proč Je možné nahradit jinými obvody 2. Třetí stav obvodu pro sběrnice se jmenuje: Stav vysoké impedance Logická nula Logická jedna 3. Dvacetibitová adresa znamená možnost adresovat až paměť o kapacitě: 1 GB 4 GB 8 GB

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Sběrnice v mikropočítači Obr. 2: vlastní, foto, grafická karta pro PC XT – sběrnice ISA 8 bitová Obr. 3: vlastní, foto, grafická karta pro PC 386 – sběrnice ISA 16 bitová Obr. 4: vlastní, foto, základní deska PC 486 – sběrnice ISA 16 bitová, PCI Obr. 5: vlastní, foto, základní deska PC 486 – sběrnice ISA 16 bitová, PCI, AGP 1x Obr. 6: vlastní, foto, zadní stěna PC – konektory – přípojná místa

Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X

Děkuji za pozornost 