Лекция 16 Шины ПК

1. Шины ПК

2. Шина (Bus)

совокупность линий связи (проводников
на материнской плате, дорожек),
протоколов и устройств управления,
предназначенная для обмена данными,
адресами и управляющими сигналами
между компонентами компьютера.

3. Аналогия для понимания:

Представьте себе транспортную систему крупного города:
Системная шина (FSB, DMI) — это скоростное
многополосное шоссе, соединяющее центр города
(процессор) с крупным логистическим хабом (чипсет).
Шина памяти — это выделенная дорога между мэрией
(процессор) и административными зданиями
(оперативная память), по которой курсируют чиновники с
документами.
Шина PCI Express — это современные развязки для
подключения крупных торговых центров (видеокарты) и
складов (SSD).
Шины USB, SATA — это городские улицы, по которым
товары доставляются в дома и магазины (периферийные
устройства).

4. Классификация шин

5. По назначению:

Шина данных (Data Bus): Передает
данные. Разрядность определяет, сколько
бит данных можно передать за один такт.
Шина адреса (Address Bus): Передает адреса
ячеек памяти или портов вводавывода. Разрядность определяет объем
адресуемой памяти (2^n байт).
Шина управления (Control Bus): Передает
управляющие сигналы (чтение/запись,
прерывание, сброс и т.д.).

6. По способу передачи данных:

Параллельные шины: Данные передаются
одновременно по нескольким линиям
(например, PCI, PATA). Были
доминирующими, но столкнулись с
проблемами синхронизации на высоких
частотах.
Последовательные шины: Данные
передаются бит за битом по одной или двум
линиям (например, PCIe, USB, SATA). Стали
доминировать благодаря простоте
масштабирования частоты и меньшему
количеству контактов.

7. По территориальному признаку:

Внутренние шины
(системные): Связывают процессор с
основными компонентами (памятью,
чипсетом).
Внешние шины (шины вводавывода): Связывают процессор/чипсет с
периферийными устройствами.

8. Иерархия шин в современном ПК

9. Шина памяти (Memory Bus)

Назначение: Соединяет процессор с контроллером оперативной
памяти (который сейчас находится внутри самого CPU).
Ключевая особенность: Работает на самой высокой частоте в
системе.
Технология: DDR (Double Data Rate). Передача данных
происходит по обоим фронтам тактового импульса (по срезу и по
фронту), что эффективно удваивает скорость передачи.
Пропускная способность (ПСП): Рассчитывается по формуле:
ПСП (ГБ/с) = (Частота шины (МГц) * 2 (DDR) * 64 бита
(разрядность)) / 8
*Пример: Для DDR4-3200: (1600 МГц * 2 * 64) / 8 = 25 600 МБ/с =
25.6 ГБ/с.*
Режимы: Одноканальный, двухканальный, четырехканальный.
Многоканальный режим кратно увеличивает эффективную
разрядность шины и, следовательно, пропускную способность.

10. Шина PCI Express (PCIe)

Это фундаментальная шина для подключения
высокоскоростных устройств в современном ПК.
Архитектура: Последовательная, точка-точка. Каждое
устройство имеет выделенное соединение с контроллером (в
чипсете или процессоре), в отличие от старой общей шины PCI.
Лейн (Lane, x1): Одна линия PCIe состоит из двух пар
проводников: одна на передачу, одна на прием.
Конфигурации: x1, x4, x8, x16. Количество Lane определяет
совокупную пропускную способность.
Версии: Пропускная способность удваивается с каждой новой
версией.
Что подключается:
x16: Видеокарты.
x4 (часто в форм-факторе M.2): Высокоскоростные NVMe SSD.
x1, x4: Сетевые карты, звуковые карты, контроллеры доп. портов.

11. «Мостовая» шина: DMI (Direct Media Interface)

Назначение: Соединяет процессор и чипсет
(PCH - Platform Controller Hub) в современных
системах Intel. Аналоги у AMD - Infinity Fabric.
Суть: Фактически, это несколько линий PCIe
(например, DMI 3.0 = 4 линии PCIe 3.0, с общей
ПСП ~4 ГБ/с).
Важность: Вся "медленная" периферия
(SATA, USB, сеть) общается с процессором
через эту шину. Она не должна становиться
«узким местом».

12. Периферийные шины

USB (Universal Serial Bus):
Тип: Последовательная.
Версии: USB 2.0 (480 Мбит/с), USB 3.2 Gen 1 (5 Гбит/с),
USB 3.2 Gen 2 (10 Гбит/с), USB4 (до 40 Гбит/с).
Особенность: Развитая система управления питанием
и поддержка «горячего» подключения.
SATA (Serial ATA):
Назначение: Подключение накопителей (HDD, SSD).
Версии: SATA 3.0 (6 Гбит/с) — актуальный стандарт.
Пропускная способность (~600 МБ/с) стала «узким
местом» для SSD, поэтому их перевели на PCIe (NVMe).

13. Эволюция системной шины: от FSB к современной архитектуре

14.

Эра FSB (Front-Side Bus):
Процессор соединялся с Северным мостом по общей шине
FSB.
К Северному мосту подключались оперативная память и
видеокарта (AGP/PCIe).
Проблема: Процессор, память и видеокарта конкурировали
за пропускную способность одной шины.
Современная архитектура (с встроенным
контроллером):
Контроллер памяти встроен в процессор. Память
подключена напрямую к CPU.
Видеокарта подключена к процессору через выделенные
линии PCIe.
Чипсет (PCH) стал "концентратором ввода-вывода" и
подключен к процессору через высокоскоростную
шину DMI.