hướng dẫn dữ liệu-các bạn cần biết

March 27, 2024

By Lisa chen

anh đã bao giờ nghĩ đến việc điều tra những gì đang xảy ra trong máy tính của anh chưa? các thành phần khác nhau của máy tính của bạn, như bộ nhớ, bộ xử lý trung tâm, đĩa cứng, v. v… giao tiếp với nhau để thực hiện các loại nhiệm vụ khác nhau như thế nào? Điều gì xảy ra bên trong cáp USB của bạn khi nó được kết nối với máy tính của bạn để truyền các tệp tới điện thoại di động hoặc các thiết bị khác như ổ đĩa bút, ổ đĩa cứng ngoài, v. v? Nghiên cứu ngắn này nhằm kích thích sự quan tâm của bạn và truyền cảm hứng cho bạn về cách máy tính và các thiết bị khác giao tiếp với nhau và lưu lượng dữ liệu giữa chúng.

nội dung

1, bus dữ liệu

2, bus dữ liệu bên ngoài

3, địa chỉ xe bus

4, kiểm soát xe bus

5, thời gian biểu của xe bus dữ liệu

kết luận

1, bus dữ liệu

1.1 Dữ liệu là gì?

bắt đầu với từ” xe buýt dữ liệu”, từ điển web định nghĩa xe buýt là một phương tiện mang nhiều hành khách từ một nơi đến một nơi khác, nhưng trong trường hợp này có dữ liệu liên quan. một bus là một kết nối mà bạn cần truyền dữ liệu hoặc giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị. một ví dụ rõ ràng là các bộ điều khiển liên lạc giữa các ô xử lý và các ô lưu trữ của hệ thống máy tính.

Một cấu trúc của một bus bao gồm nhiều đường liên lạc hoặc đường dẫn truyền, trong biểu diễn vật lý, nó được xây dựng từ các loại đường dẫn khác nhau, các đường dẫn tín hiệu.

thông tin được chuyển lại bởi một bus được gắn kết với vị trí bắt đầu hoặc vị trí gửi dữ liệu. mỗi xe bus truyền tải một thông điệp. Do vậy, càng nhiều dòng chứa một bus, càng nhiều dữ liệu có thể được truy nhập/ đặt địa chỉ.

Đây là kích thước hoặc chiều rộng của bus, nó quyết định rất lớn phạm vi/ số lượng dữ liệu có thể được truyền cùng một lúc. 8 bit bus sẽ chia sẻ 8 bit dữ liệu.

Tùy thuộc vào kiểu bus, thông tin có thể được truyền qua chế độ nối tiếp (ví dụ, sử dụng một chuỗi bit được truyền trên một dòng) hoặc một cách tương tự, có nghĩa là các bit dữ liệu/ thông tin được truyền cùng một lúc trên nhiều dòng.

hình 1: công nghệ bus dữ liệu

32-bit là tiêu chuẩn đầu tiên của bus dữ liệu, nhưng các hệ thống bus dữ liệu mới nhất có thể truyền nhiều dữ liệu hơn. bus dữ liệu có thể truyền dữ liệu giữa các máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (cpu), cpu là bộ não của máy tính. các bus dữ liệu cũng có thể chuyển thông tin giữa hai máy tính.

Thuật ngữ” bus dữ liệu” được sử dụng thường xuyên trong thế giới công nghệ thông tin (IT) về cơ bản tương tự với một thuật ngữ khác được sử dụng trong thế giới điện tử. Các bus điện tử là các kênh truyền điện, tương tự như cách các bus dữ liệu truyền dữ liệu. Các hệ thống điện toán ngày nay ngày càng trở nên phức tạp hơn bởi vì dữ liệu thường được truyền đi qua các bộ phận, bộ phận và các thiết bị ngoại vi / cấu trúc vật lý của CPU.

Các bus dữ liệu là một công cụ quan trọng để thúc đẩy truyền dữ liệu, cho phép truyền dữ liệu lớn trong các hệ thống tiêu dùng và các hệ thống khác. Với cấu trúc và thiết kế mạng lưới mới, dữ liệu cũng có thể lưu chuyển giữa các phần cứng khác nhau và một hệ thống kết nối có dây hoặc ảo rộng hơn.

2, bus dữ liệu bên ngoài

Bây giờ, bạn đã biết rằng thông tin được truyền bởi các mã nhị phân (0 và 1) trong một máy tính và các thành phần của nó, được chuyển qua một bus (các bus dữ liệu). Các bus dữ liệu bên ngoài, cũng được gọi là bus bên ngoài hoặc bus dữ liệu, là dữ liệu trên máy tính của bạn. tất cả các thành phần dữ liệu được định vị hoặc bất kỳ thiết bị dữ liệu tùy chọn nào khác được kết nối với nó; Do vậy, bất kỳ thông tin/ dữ liệu nào được gửi trên bus này sẽ có sẵn cho tất cả các thiết bị được kết nối với máy tính của bạn.

Như đã nói trước, máy tính sử dụng tám cáp (các bus dữ liệu 8-bit) và chỉ có thể truyền một byte thông tin mỗi lần. Sau đó, máy tính phát triển và kích thước/ chiều rộng của bus dữ liệu bên ngoài tăng từ 1 đến 16, 32, và cuối cùng tăng lên đến kích thước/ chiều rộng dữ liệu 64 dẫn hiện hành. Các xe buýt lớn hơn và rộng hơn cung cấp nhiều không gian hơn cho luồng dữ liệu cùng một lúc, giống như việc thêm nhiều làn đường trên đường cao tốc có thể đưa nhiều xe hơn qua một điểm trong một thời gian nhất định

Chủ/ CPU/ bo mạch chủ là mạch chính của máy tính và nó chứa bus dữ liệu bên ngoài được nối với các thiết bị mở rộng mà không phải là một phần của thiết kế chính của bo mạch chủ. Khe cắm mở rộng là một khe cắm nối hai thiết bị bên ngoài với một mặt nghiêng trên bo mạch chủ của máy tính.

Các card bổ sung, cũng được biết như các card phụ, là các card mạch nhỏ được lắp đặt trong khe cắm bus bổ sung của bo mạch chủ. các dạng thức khác là các khe cắm bộ nhớ máy tính.

Các đầu nối khác nhau trên bo mạch chủ cung cấp truy nhập bus dữ liệu cho các thiết bị ngoại vi (như máy in, máy quét, modem, v. v…) và một số thiết bị bên ngoài (như bàn phím, chuột).

hình 2: các thiết bị bus dữ liệu

Để hiểu toàn bộ cách một máy tính có thể truyền dữ liệu giữa các cấu phần của nó, hãy tưởng tượng mỗi thiết bị trên bus dữ liệu được kết nối với bus như một bộ công tắc bật/ tắt. Bằng việc xem các dây nào có điện và các dây nào không có điện, thiết bị có thể đọc dữ liệu khi nó nhận được dữ liệu từ thiết bị khác. Các chế độ bật hoặc tắt của một đường dây được biểu diễn bằng một giá trị là 0, một giá trị bật và một giá trị tắt đơn giản hóa các mã số nhị phân được giải thích bởi máy tính và sau đó gửi cho một thành phần hệ thống hoặc người dùng khác thông qua một thiết bị đầu ra như màn hình, máy in, loa, máy fax, v. v.. Việc giao tiếp xảy ra khi hệ thống áp dụng điện áp đủ cho bất kỳ dẫn nào hoặc đọc điện áp từ bất kỳ dẫn nào.

Các thông báo được mã hóa có thể được chuyển tới hoặc từ bất kỳ thiết bị nào được kết nối với bus dữ liệu bên ngoài. hãy nghĩ về xe bus như một đường cao tốc khổng lồ song song. Bits là những chiếc xe chạy song song–mỗi chiếc xe đều mang một phần của thông tin được mã hóa. Bộ vi xử lý biên dịch thông tin mã hóa thành dữ liệu để thực hiện các nhiệm vụ có ý nghĩa cho người dùng máy tính.

hình 3: các bus máy tính

3, địa chỉ xe bus

Như đã nói, dữ liệu được chuyển đi trong hệ thống máy tính và bus địa chỉ quyết định nơi dữ liệu được chuyển đi. Do vậy, chúng tôi định nghĩa bus địa chỉ như một cấu trúc bus máy tính để truyền dữ liệu giữa các thiết bị được mô tả bởi địa chỉ phần cứng của bộ nhớ vật lý, bộ nhớ vật lý được lưu trữ dưới dạng số nhị phân, đó là 0 và 1, cho phép bus dữ liệu truy nhập vào bộ nhớ.

Một ô điều khiển trung tâm sử dụng một bus địa chỉ hoặc một kiểu truy nhập bộ nhớ khác được gọi là truy nhập bộ nhớ trực tiếp, mà cho phép một số thiết bị có thể định vị địa chỉ để truyền các lệnh đọc/ ghi. bộ xử lý trung tâm đọc và ghi tất cả các bus địa chỉ.

Các bus địa chỉ được nối trong bo mạch của máy tính để làm cho máy tính tương thích, giảm chi phí và cho phép nhiều thiết bị được kết nối với máy tính của bạn.

Hình 4: bus ISA

các bus địa chỉ được đánh giá bởi số lượng bộ nhớ mà hệ thống có thể lấy lại. Các hệ thống với bus địa chỉ 32-bit có thể định vị 4096 MB (tương đương với 4 GB) không gian lưu trữ. một máy tính có bus địa chỉ 64 bit (nếu hệ điều hành hỗ trợ bus địa chỉ đó) có thể xác định vị trí 16. 384 gigabyte (tương đương với 16 gigabyte) của bộ nhớ, mà được coi là rất lớn.

Theo một phiên bản khác, bus địa chỉ được coi là một tập hợp các dòng hoặc dây điện cho việc truyền địa chỉ bộ nhớ hoặc các thiết bị công tắc (I/ O). đây là đặc điểm chính của các thuộc tính không hướng. một ví dụ về điều này là bộ vi xử lý intel 88085, nó có 16 bit bus địa chỉ.

Điều này có nghĩa là bộ vi xử lý này (Intel 88085) có thể truyền tới 16 bit địa chỉ (tức là nó có thể địa chỉ tới 665.536 vị trí lưu trữ khác nhau). nó kết hợp một vài tín hiệu thành một bus dữ liệu 8 bit. do đó, bit hiệu quả cao nhất của địa chỉ sẽ đi qua bus địa chỉ ((a7-a 0). Ngoài ra, LSB thông qua bus dữ liệu đa chiều (AD0-AD7).

4, kiểm soát xe bus

Hãy nhớ rằng chúng tôi đã nói về ba kiểu chính của các bus máy tính: các bus dữ liệu, các bus địa chỉ và bây giờ là các bus điều khiển. sau khi đường dữ liệu và địa chỉ được gửi, dữ liệu được biết đến bộ điểm địa chỉ; sau đó, bạn cần một bus điều khiển để thực hiện dữ liệu một cách chính xác.

bus điều khiển là một loại bus máy tính đặc biệt mà bộ xử lý trung tâm sử dụng để giao tiếp với các bộ phận và thiết bị khác được kết nối với hệ thống máy tính. việc giao tiếp này có thể được thực hiện qua các kết nối cáp và các mạch điện in.

điều khiển tất cả các thiết bị được kết nối là điều quan trọng nhất. Hơn nữa, các bộ phận hệ thống máy tính có thể được truyền qua bus điều khiển này với các tín hiệu điều khiển khác nhau được truyền từ một ô điều khiển trung tâm. đừng quên, một trong những mục tiêu chính của xe bus là giảm thiểu số dây cần thiết để giao tiếp trong hệ thống máy tính.

Đối với các bus riêng biệt (cụ thể là các bus một chiều) mà cho phép các thiết bị giao tiếp với một dòng dữ liệu, bus điều khiển rất hai chiều vì nó cho phép các bus dữ liệu hai chiều giao tiếp giữa các bộ phận của máy tính. Nó cũng giúp đơn vị xử lý trung tâm phối hợp và thống nhất các tín hiệu điều khiển trong các công cụ bên trong và các tính năng bên ngoài. các bus điều khiển bao gồm các dòng ngắt, các dòng cho phép byte, các tín hiệu đọc/ ghi và các dòng trạng thái.

gợi ý: một số điều khiển là chung cho tất cả các bộ xử lý trung tâm

Đường yêu cầu ngắt (IRQ): Đó là một loại dây phần cứng đặc biệt mà các thiết bị sử dụng để ngắt dòng dữ liệu đang gửi tới bộ xử lý trung tâm. Do ưu tiên cao của công việc, nó cho phép máy tính hoàn thành nhiều công việc cùng một lúc bằng cách ngắt quá trình đang được thực hiện. phần lớn các bus hệ thống bao gồm từ 50 đến 100 dòng riêng biệt được sử dụng để liên lạc.

Giao tiếp giữa các đơn vị xử lý máy tính trung tâm và các bus điều khiển là rất quan trọng để hệ thống máy tính có thể hoạt động một cách bình thường và có kỹ năng.

Nếu không có bus điều khiển, bộ xử lý trung tâm không thể biết hệ thống đang gửi hay nhận dữ liệu. việc viết và đọc thông tin được điều khiển và điều chỉnh bởi các bus điều khiển. Có một đường dẫn/ dòng điều khiển đặc biệt để viết các lệnh và một đường dẫn/ dòng khác để đọc các lệnh điều khiển trong bus điều khiển. tín hiệu được gửi ngay đến dòng lệnh. Các đơn vị xử lý trung tâm ghi dữ liệu hoặc các lệnh được định vị tới bộ nhớ máy tính trung tâm, và khi các đơn vị xử lý trung tâm cần đọc từ bộ nhớ hệ thống, các đơn vị xử lý trung tâm cũng gửi tín hiệu. tín hiệu này cho phép cpu nhận hoặc gửi dữ liệu từ bộ nhớ chính.

với sự giúp đỡ của bus điều khiển, bộ vi xử lý xử lý như thế nào các vị trí lưu trữ được chọn. một số tín hiệu điều khiển bao gồm việc đọc, ghi và trích xuất mã. mệnh lệnh. điều quan trọng ở đây là vi xử lý thực hiện các thao tác khác nhau với sự giúp đỡ của cùng một bus điều khiển. các bus điều khiển được dành riêng cho tất cả các tín hiệu thời gian và được quản lý dựa trên các tín hiệu điều khiển từ bus điều khiển.

5, thời gian biểu của xe bus dữ liệu

thông tin này nói chung liên quan đến truyền thông điện tử. Cụ thể hơn, công bố này liên quan đến các hệ thống và phương pháp mã hóa dựa trên tốc độ hoạt động của DBI.

Data Bus Inversion (DBI) được sử dụng để cải thiện tính nguyên vẹn của nguồn điện và tín hiệu trong khi giảm thiểu tiêu thụ điện. khi chúng ta phải truyền một lượng lớn dữ liệu ở tốc độ tối đa, chúng ta không thể nhấn mạnh quá nhiều về sự đảo ngược của bus dữ liệu.

bản đồ 5: bảng thời gian của bus dữ liệu

kết luận

khi sử dụng cho các máy tính chung, các hệ thống xe buýt đơn giản gặp phải sự thất vọng nghiêm trọng. Tất cả các thiết bị được đặt trực tiếp trên một bus phải chạy ở cùng một tốc độ được xác định bởi hệ thống đồng hồ chung. khi mục tiêu là tăng tốc độ của bộ xử lý trung tâm, đây là một công việc thách thức. vì để làm được điều này, tất cả các thiết bị trên xe bus cần phải được tăng tốc.

Sau đó, làm cho tất cả các thành phần / thiết bị của máy tính có cùng tốc độ như CPU trở nên gần như không thực tế hoặc không kinh tế. Do vậy, CPU phải chờ hoặc làm việc với một số độ nhận hồ rất chậm để liên lạc với các thiết bị khác trong hệ thống máy tính của bạn. Trong khi vấn đề này là có thể chấp nhận được trong các hệ thống nhúng, nó không thể chấp nhận được trong các máy tính chung và người dùng có thể mở rộng. việc thiết lập một hệ thống bus này cũng thách thức khi được xây dựng bởi các công cụ/ thiết bị chuẩn.

hình 6: các bộ điều khiển bus cục bộ

thông thường, một bộ vi xử lý là một con chip đơn có nhiều kết nối điện trên các chân của nó.

nó có thể được sử dụng để chọn một” địa chỉ” trong bộ nhớ chính và một bộ chân khác để đọc. việc ghi dữ liệu được lưu tại vị trí đó. Trong hầu hết các trường hợp, CPU và bộ nhớ chia sẻ các đặc điểm tín hiệu và chạy đồng bộ.

bus kết nối cpu và bộ nhớ là một trong những đặc điểm xác định của hệ thống và thường chỉ là bus hệ thống. Bạn có thể cho phép các thiết bị ngoại vi liên lạc với bộ nhớ theo cùng một cách, nối một bộ điều hợp ở dạng một card gắn thêm trực tiếp vào bus hệ thống. Nó thường được thực hiện thông qua một vài đầu nối điện đã được chuẩn hóa để hình thành các bus mở rộng hoặc các bus cục bộ.

tuy nhiên, hiệu năng của cpu và các thiết bị ngoại vi khác nhau. Một số giải pháp thường được yêu cầu để đảm bảo rằng các thiết bị ngoại vi không làm giảm tổng thể hiệu suất hệ thống và truy nhập bộ nhớ trực tiếp. hầu hệ thống hiện đại kết hợp hai giải pháp này một cách thích hợp. Khi số lượng các thiết bị ngoại vi tiềm năng tăng lên, việc sử dụng các card gia tăng cho mỗi thiết bị ngoại vi sẽ ngày càng không khả thi.

nó đã dẫn đến việc giới thiệu một hệ thống bus được thiết kế rõ ràng để hỗ trợ nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau. tuy nhiên, những hệ thống hiệu năng cao này thường quá đắt đỏ để thực hiện trên các thiết bị giá rẻ như chuột. nó dẫn đến việc phát triển song song với một số hệ thống bus hiệu năng thấp nhất cho các giải pháp này. ví dụ thông thường nhất là các bus nối tiếp (usb) tiêu chuẩn.