Tietokone linja on tiedonsiirtoyhteys laite jaetaan useiden komponenttien digitaalinen järjestelmä. Termi on peräisin latinankielisestä omnibusista (kaikille); Tätä tarkoittaa, vanhempi käyttöä termin linja on elektroniikkaa . Tietokoneväylä on aineellisten ja aineettomien osien liitos, joka mahdollistaa tiedonsiirron osallistuvien komponenttien välillä.
Erotamme väylän toisaalta pisteestä pisteeseen -yhteydestä , joka koskee vain kahta komponenttia, joilla on yksinomainen käyttö, ja toisaalta verkosta , johon osallistuu riippumattomia osallistujia, toisin sanoen pystyy toimimaan itsenäisesti ja joka sisältää useita kanavia, jotka mahdollistavat samanaikaisen viestinnän.
Väylä on järjestelmä tietojen siirtämiseksi useiden toiminnallisten tietojenkäsittely-yksiköiden välillä yhteisen siirtotien kautta, jossa komponentit eivät osallistu tiedonsiirtoon muiden osallistujien välillä.
Tämä määritelmä viittaa siihen, että tiedot on liitettävä osan tunnus, johon ne on tarkoitettu, joka on otettu metafora määränpään osoitteen , ja komento osoittaa siirron tyypin, erityisesti osoittaa, onko tämä komponentti on saatava tietoja tai välittää niitä. Voimme siten jakaa väylän kolmeen loogiseen osajoukkoon:
Näitä kolmea ryhmää kutsutaan yleisesti väyliksi (osoiteväylä, tietoväylä, ohjausväylä). Fyysisesti ne voivat olla väyliä termin sähköisessä mielessä, toisin sanoen riippumattomien johtimien kuljettamia, tai tuottaa muulla tavalla, esimerkiksi jakamalla aikajakoisesti yhteen johtimeen; tietoväylä yhdistää ne yhdeksi laitteeksi tietojen siirtämiseksi useiden komponenttien välillä.
Tietojen välittämisen mahdollistavan fyysisen näkökohdan lisäksi tietokoneväylä koostuu liitäntäpiireistä ja protokollasta, joka määrittelee tavan, jolla signaalien on toimittava tämän siirron suorittamiseksi. Laitteen ominaisuudet ehdollistavat osittain viestintätyypin, ja protokolla voi joskus sanella laitetyypin.
Suurin bitti nopeuden, ilmaistuna bittiä sekunnissa, kuvataan tietokoneen kyky linja siirtää tiedot enemmän tai vähemmän nopeasti.
Kun kyseessä on vain kaksi komponenttia, osoiteongelmaa ei esiinny. Puhumme enemmän pisteestä pisteeseen -linkistä. Useille komponenteille tarkoitettu tiedonsiirtojärjestelmä voi suorittaa siirron, mutta osoitetietojen tarpeeton käsittely painaa sen suorituskykyä.
Kun tietoliikennelaite käsittää useamman kuin yhden lähetyskanavan, joka sallii useita samanaikaisia yhteyksiä, tietokoneverkon käsite on sopivampi.
Kolme lähestymistapaa, pisteestä pisteeseen -linkki, tietokoneväylä, tietokoneverkko, jakavat saman tiedonsiirtofunktion entistä monimutkaisemmaksi. Ne vastaavat kunkin alueen erityisiä optimointeja.
Tietokonebusseja voidaan rakentaa useilla muunnelmilla.
Kyky hallita väylää Mukana olevien komponenttien nimeäminen ja siirtojen suunta on usein yhden komponentin etuoikeus, jota kutsutaan päälliköksi ( Gustavson 1984 ). Siinä tapauksessa, että useat komponentit voivat ohjata väylää (multi-master-väylä), tämän täytyy sisältää välimiesmenettely pyyntöjen välillä. Komponentti, jota kutsutaan ”väylän sovittelijaksi”, määrittelee sitten, mikä muu komponentti on valtuutettu ottamaan sen hallintaansa eri algoritmien avulla: kierros , jossa komponentin valinta on jaksoittaista, tai jopa komponentin määrittelemän prioriteetin mukaan. komponentti, joka tekee pyynnön. Kyselyt Yksinkertaisin protokolla sisältää vain luku- ja kirjoituspyynnöt. Osoitteen osoittaman komponentin on joko kopioitava väylän esittämä data tai toimitettava sen tiedot. Jotkut väylät sisältävät ohjaustoiminnot, jotka mahdollistavat nopeamman siirron.Ohjelmisto linja on liitännän ohjelmisto , jonka avulla asema käyttää tietoja muista komponenteista yhtä helposti kuin jos ne on kytketty sille linja. Tämä ohjelmisto purkaa ohjelmat viestintäkanavien ja -protokollien valintaa varten. Kutsuohjelman kannalta on vain yksi väylä. Systeemianalyysin näkökulmasta kaikki tietoliikennekanavat sekä ohjelmointiväylät, jotka tarjoavat rajapinnan, muodostavat tietokoneväylän.
Väylän toteutus voi seurata erilaisia topologioita riippuen sen käytöstä ja optimointistrategiasta: suorituskyky, käytettyjen resurssien määrä, kulutus jne. Topologia vaikuttaa näihin tekijöihin vaikuttamatta kytkettyihin komponentteihin. Nämä käyttävät yleensä yleistä protokollaa, ja komponenttien ja viestintäresurssien väliset sovittimet mahdollistavat pyyntöjen muuntamisen tehokkaiksi siirroiksi. Jotkut tietyt väylämäärittelyt, kuten AXI, eivät kuitenkaan rajoita topologiaa. Ne ilmoittavat vain protokollan, jota komponenttien tulisi käyttää väylään pääsemiseen, jolloin tietoliikennelinjojen toteuttaminen jätetään arkkitehdin harkintaan.
Kun arkkitehtuuri tietokonejärjestelmän , linja lähettää dataa laitteiden välillä. Näiden komponenttien ominaisuudet määräävät väylän ominaisuudet. On hyvin erilaista lähettää tavuja miljoonia kertoja sekunnissa miljoonien tai miljardien komponenttien välillä hyvin lähellä toisiaan, kuten mikroprosessorin ja henkilökohtaisen tietokoneen muistin, tuhansien pakettien, muutaman tuhannesosan paketissa. toinen muutaman kymmenen komponentin välillä muutaman metrin päässä, kuten USB-väylässä , ja muutaman kymmenen bitin koodit muutama kymmenen kertaa sekunnissa, teollisuusalueella hajautettujen komponenttien välillä, kuten kenttäväylässä .
Väylä voi käyttää erilaisia viestintävälineitä: johdot tai kaapelit oheislaitteiden liittämiseksi tietokoneen emolevyyn (esimerkiksi SCSI- tai USB- väylät ), painetut piirit samalla kortilla tai taustatasolla (esimerkiksi PCI : n tapauksessa) express bus ), looginen reitityksen FPGA (esimerkiksi AXI linja ), optinen kuitu , jne.
Liitäntäpiirit, mukaan lukien rinnakkaisesta sarjaan muuntaminen ja päinvastoin, puskurimuistin ja tietoliikenteen hallinta, samoin kuin jakelijat ja tietoliikennesolmut, kuten USB-keskittimet, ovat osa tietokoneväylää.
Väylän fyysinen rakenne voi muuntaa loogisen esityksen kolmeksi fyysiseksi alijärjestelmäksi, erillisillä johtimipaketeilla osoite-, data- ja ohjaussignaalien lähettämiseksi, jotka liittyvät kellopuuhun synkronointia varten. Väylä voi myös lähettää nämä erilaiset signaalit peräkkäin yhden tai useamman johdinparin yhden kanavan kautta , kuten USB: n tapauksessa.
Kun laite on väylä termin elektronisessa merkityksessä, toisin sanoen, että kaikki osallistuvat komponentit on kytketty samoihin sähköjohtimiin, jotta komponentti, jonka osoite- ja ohjausjohdot tai komennot nimeävät useiden joukossa, voidaan kiinnittää nopeiden siirtymien sekä ylös- että alaspäin siirtyvien datasarjojen tila, osallistuvat komponentit käyttävät joko 3-tilaisia tai avoimen keräilijän lähtöjä . Suurin tiedonsiirtotaajuus rajoittaa tämän tyyppisen väylän pituutta. Kun johtimen pituus ylittää neljänneksen aallon johtimen enimmäistaajuudesta, impedanssikatkojen heijastusten ilmiöt johtavat ensisijaisiin siirtolinjoihin, joissa toistin on jokaisessa solmussa (kuten USB: ssä).
Elektroniset viestintäkanavat voivat olla epäsymmetrisiä, virran paluu maan läpi tai symmetrinen, kahdella johtimella, joilla on sama impedanssi maahan. Kahden johtimen välinen potentiaaliero, positiivinen tai negatiivinen, muodostaa signaalin. Symmetriset kanavat, erityisesti kierrettyjen parien kohdalla, ovat vähemmän herkkiä häiriöille, jotka vaikuttavat enemmän tai vähemmän tasavertaisesti kahteen johtimeen eivätkä vaikuta niiden eroon.
Yleensä järjestelmät erottavat kaksi signaalia, jotka vastaavat yhtä ja toista 0. Nämä signaalit voivat lyhyellä kellovälisignaalilla määritetyllä aikavälillä olla sähköiset tasot, tasojen väliset siirtymät tai muuten, siirtymä tai ylläpito. Signaali elementti siirto on yksi bitti . Järjestelmät voivat kuitenkin lähettää erottamalla enemmän tasoja. Tässä tapauksessa, kukin n- tason digitaalinen elementti sisältää bittiä. Kun haluat saada kaiken irti heikkolaatuisista linjoista, käytät modulaattoria-demodulaattoria ( modeemit ) . Bittinopeus voidaan sitten ilmaista myös baudina , toisin sanoen vaihdettujen signaalien lukumääränä sekunnissa.
Protokolla säätelee tapaa, jolla vaihdot väylällä suoritetaan logiikkatasolla. Esimerkiksi ensimmäinen vaihe voi koostua väylän käyttöoikeuden pyytämisestä, jota seuraa toinen vaihe, joka käsittää osoitteen osoitteen, jolla luku- tai kirjoitusoperaatio halutaan suorittaa, ja lopuksi näiden tietojen siirtämisen. Protokolla kuvaa yksityiskohtaisesti järjestyksen, jossa arvot on asetettava väylän eri signaaleille. Yleensä se voidaan ilmaista kronogrammilla, joka edustaa arvoja, jotka annetaan eri signaaleille operaation suorittamiseksi.
Tietyissä väylätyypeissä määritetään vain protokolla eikä siirtovälineen luonne, joka jätetään väylän suunnittelijan ymmärtämään. Esimerkiksi AXI-protokolla määrittelee väylän liitännät päättämättä jälkimmäisen topologiasta, mikä voi olla useita muotoja järjestelmän tarpeiden mukaan. Jos siis samanaikaisen tiedonsiirtomäärän tarve on pieni, valitsemme väylätyyppisen topologian johtojen säästämiseksi, kun taas jos tietyt komponenttiparit kommunikoivat usein keskenään samanaikaisesti, valitsemme poikkipalkkitopologian odottavien linjojen välttämiseksi. . Tämän tyyppinen väylä soveltuu erityisen hyvin FPGA: hin , joiden topologiaa voidaan muuttaa yhdellä napsautuksella, toteutus jätetään piirin synteesin suorittavalle ohjelmistolle.
Kaksi pääväyläluokkaa voidaan erottaa tiedonsiirtotavan mukaan: kaikki bitit samanaikaisesti tai yksi kerrallaan.
Rinnakkaisväylä lähettää samanaikaisesti digitaalisen signaalin digitaalielementit sopivan määrän rinnakkaisten reittien kautta osallistuvien komponenttien välillä.
LaitteetLaitteiston näkökulmasta tämän tyyppinen väylä voidaan jakaa kolmeen osakokoonpanoon:
Väylää käytetään lähettämään binäärikoodi, jossa on väylän kokoa vastaava määrä bittejä. Esimerkiksi nelibittiselle väylälle voidaan lähettää 16 erilaista koodia (2 4 = 16).
Lähetin asettaa kaikki väylän bitit samanaikaisesti. Oikealla hetkellä lukijakomponentti kopioi kaikki bitit samanaikaisesti. Tämä riittävä momentti voidaan määrittää yksi ohjaussignaaleista joka muuttaa arvoa signaalin lukijalaitteelle, että se on aikaa lukea tiedot väylällä.
KäyttötapaSarjaväylä lähettää digitaalisen signaalin digitaaliset elementit peräkkäin yhden polun kautta kahden pisteen välillä.
LaitteetSarjaväylällä voi olla kaksi erillistä linjaa, joiden avulla nämä väylät voivat olla kaksisuuntaiset ja mahdollistaa tiedonsiirron molempiin suuntiin samanaikaisesti, sekä apulinjat mahdollisille ohjaussignaaleille.
OperaatioSarjaväylän lähetetään tieto elementti elementiltä, lähetin on sarjallistaa tiedot sen lähetystä. Vastaanottimen on suoritettava käänteinen toiminto.
Sanan lähetys sarjalinkillä:Lähettävän komponentin on lähetettävä 32-bittinen sana. Väyläprotokolla määrittää, missä järjestyksessä sen tulisi sijoittaa, joko merkittävimmällä bitillä (MSB) tai toisessa päässä (LSB). Se muuntaa sanan sekvenssiksi 32 väylän synkronointisyklin aikana. Vastaanottava komponentti rekonstruoi 32-bittisen sanan vastaanotetuista biteistä.
Sarjaväyläkaapelissa on paljon vähemmän johtimia kuin rinnakkaisväylässä, mikä yksinkertaistaa kaapelointia ja estää vähemmän ilmavirtausta IT-laitteiden kautta kaapelikoon pienentämisen ja joustavuuden vuoksi. Sarjaväy- välttämättä käyttää elektronisia komponentteja varten sarjoitus .
Tietyt sarjaväylien, kuten FireWire , käyttö aikajakoisen multipleksoinnin lähettämään erilaisia tietoja (osoite-, ohjaus- ja data). Niitä voidaan luonnehtia myös multipleksiksi .
KäyttötapaKäytettyjen väylien luonne on erilainen järjestelmän tyypistä riippuen, jokaisella on omat tarpeensa ja rajoituksensa.
Saman tietokoneen sisällä olevat väylät yhdistävät sen eri toiminnalliset osat.
Bittinopeus väylän on tuote suurin taajuus , jolla siirto voi tapahtua, ja määrä bittejä tietoa se voi lähettää samanaikaisesti.
Esimerkki:32-bittinen rinnakkainen väylä, jonka taajuus on 33 1 / 3 megahertsin voi lähettää enintään:
Tämä laskelma pätee rinnakkaisväylille. Sarjaväylien on lähetettävä tietojen lisäksi signaaleja, jotka osoittavat sekvenssin alkamisen, ja useimmiten osoite- ja ohjaustietoja. Jos ne ovat asynkronisia, synkronointitietoja on lisättävä. Ne voivat lisäksi sisältää redundantteja tietoja, tarkistussumman tai syklisen redundanssitarkistuksen , virhetunnistuksen mahdollistamiseksi. Niille on ominaista vain bittinopeus.
Sisäiset bussitSisäiset väylät, jotka tunnetaan myös nimellä tietoväylä, muistiväylä, järjestelmäväylä tai etupuoliväylä , yhdistävät tietokoneen pääsisäiset komponentit, kuten prosessorin ja muistin, emolevyllä . Sisäistä tietoväylää pidetään myös paikallisena väylänä, koska se on tarkoitettu yhteyden muodostamiseen paikallisiin laitteisiin. Tämä väylä on yleensä melko nopea ja riippumaton muusta IT-toiminnasta.
Yleensä henkilökohtaisen tietokoneen mikroprosessorin ulkopintaan on kytketty kaksi sisäistä väylää :
northbridgeä joka yhdistää sen nopeisiin oheislaitteisiin, kuten muistiin , ja PCI-näytönohjaimiin; southbridgen joka yhdistää sen kaikkiin hitaampiin sisäisiin oheislaitteisiin ja PCI-väylään ; PCI-väylä käytetään muodostamaan yhteys eteläsillan ja kaikkien ulkoisten laitteiden ( kiintolevyt , tulostin jne. ) välille. Vuodesta 2004 PCI Express -väylää on käytetty nopeisiin oheislaitteisiin ( näytönohjaimet ja joskus SSD-asemat ) ja kytketty "pohjasillalle", kun taas PCI-väylä on nyt kytketty "eteläsillalle"; InfiniBand bussi suurnopeusbussi, jota voidaan käyttää sekä sisäisesti että ulkoisesti; vuodesta 2003 SATA- yhteys yksinkertaistaa kiintolevyjen / SSD- levyjen ja sisäisten CD- / DVD-asemien yhdistämistä; Ulkoinen väyläElektronisia laitteita, jotka yhdistävät tietokone ( emolevyn ) erilaisiin ulkoisiin laitteisiin, kuten tulostin , kiintolevy , skanneri , jne muodostavat "ulkoiset väylät" tai "laajennusväylät". Nuo ovat :
historiallisesti HPIB , SCSI ; vuodesta 1979 USB , Firewire . vuodesta 2007 eSATA mahdollistaa SATA-laitteiden ulkoisen yhteyden.Sulautetut järjestelmät vaativat väylät, joissa on vähän johtimia, jotta niiden määrittelyyn tarvittavat tulot / lähdöt voidaan minimoida. Tässä yhteydessä on syntynyt erilaisia standardeja, jotka perustuvat sarjaliikenteeseen, jossa on vähintään tarvittavat signaalit.
Serial Peripheral Interface (SPI) tarjoaa nelijohtiminen-pohjainen väylän: kellon lanka ajoitus, kaksi data johdot sekä lukea ja kirjoittaa ohjeet, ja laitteen valinta johto toimii osoitteen. Jokaisella oheislaitteella on oma valintajohto, isäntälaitteessa on oltava niin monta valintajohtoa kuin oheislaitteita.
I2C on linja tietoa voidaan lähettää käyttämällä vain kaksi johdinta: yhden kellon ja toinen data. Osoite välitetään samalla langalla kuin tiedot.
Tämän tyyppinen väylä on erittäin helppo toteuttaa yleisillä tuloilla / lähdöillä ( General Purpose Input / Output , GPIO), mikä on mahdollistanut niiden yleistämisen Arduino- tyyppisissä järjestelmissä , joka on kaikkien saatavana niiden edullisten kustannusten vuoksi ja jota käytetään moniin ohjaus- ja komentokäskyihin sovelluksia, esimerkiksi koti-automaatiossa. Monet anturit ovat rajapinnassa erityisesti yhden näistä standardeista.
Sirulla olevien järjestelmien ( järjestelmä sirulla tai SoC englanniksi) kehittäminen on johtanut uuden tyyppisten väylien esiintymiseen. Nämä järjestelmät yhdistävät useita tietokoneita ja oheislaitteita, jotka on kytkettävä toisiinsa ja kommunikoitava, yhteen siruun. Näiden järjestelmien integroitu ja fyysisesti hyvin läheinen luonne eliminoi tietyt rajoitukset (erityisesti johtimien pituuden suhteen) ja joissakin tapauksissa kehittää uusia (kuten rajapintakomponenteille käytettävissä olevan pinnan).
Näitä väyliä ei tarvitse liittää kortin ulkopuolelle, on mahdollista luoda mukautettu väylä järjestelmän tarpeisiin. Komponenttien uudelleenkäytön käsitteellä näiden väylien standardointi on kuitenkin edelleen tärkeää. Komponenttien kehittäminen on monimutkainen ja kallis tehtävä, ja kyse on siitä, että komponenttien rakennetta voidaan käyttää eri tavoin niiden kehittämiseen liittyvien kustannusten rajoittamiseksi. Puhumme näiden uudelleenkäytettävien komponenttien immateriaalioikeuksista (en) tai IP: stä, joita jaetaan joskus lisenssillä (kaupallinen tai ilmainen). Näillä komponenteilla on siten yleensä standardoitu rajapinta, joka kykenee olemaan vuorovaikutuksessa tietyn tyyppisen väylän kanssa, jotta niiden ei tarvitse kehittää rajapintaa komponentin kutakin käyttöä varten.
Tässä yhteydessä standardien väylien määrittely SoC-laitteille on tullut keskeinen, jotta uudelleenkäyttö voidaan sallia. Eri standardeja on tullut esiin, kuten ARM: n kehittämä Advanced Microcontroller Bus Architecture , joka määrittelee useita eri sovelluksiin tarkoitettuja väyliä , Alteran kehittämä Avalon tai ilmainen Wishbone- väylä . Tämäntyyppiset väylät standardoivat rajapinnat, mikä mahdollistaa IP: n uudelleenkäytön SoC: ssä, samalla kun järjestelmäarkkitehdille jätetään tietty liikkumavaraa siirto-osan toteuttamisen suhteen. Tällöin arkkitehti voi tietyissä tapauksissa valita väylän topologian, valita välimiesmenettelytyypin monimoottoribusseille jne.