Чем больше разрядность шины данных тем

2.2. Шина данных. Разрядность шины

Шину данных образуют линии, служащие для передачи дан­ных между отдельными структурными группами ПК. Исходным пунктом линий данных является центральный процессор. Он оп­ределяет разрядность шины данных, т.е. число линий, по которым передаются данные. Чем выше разрядность шины данных, тем больший объем данных можно передать по ней за некоторый определенный промежуток времени и тем выше быстродействие компьютера.

В первых ПК использовался процессор Intel 8088. Этот 16-разрядный процессор имел всего лишь 8 внешних линий данных (этим объясняется его низкая стоимость). Для внутрен­них операций было задействовано 16 линий данных, благодаря чему процессор мог одновременно обрабатывать два восьмиразрядных числа. Но на внешнем уровне к нему присоединялась дешевая восьмиразрядная шина данных. Эти 8 ли­ний обеспечивали связь со всеми микросхемами на системной плате, выполняющими функции обработки данных, и всеми платами расширения, установленными в гнездах. Таким образом осуществлялась передача данных между платами расширения и процессором.

Современные процессоры допускают внешнее подключение большего числа линий данных: процессор 80286 — 16 линий дан­ных, процессоры 80386 DX и 80486 DX — 32 линии, а процессор Pentium — 64 линии данных.

2.3. Адресная шина. Разрядность шины

Другая группа линий образует адресную шину. Эта шина исполь­зуется для адресации. Каждая ячейка памяти и устройство ввода-вывода ком­пьютера имеет свой собственный адрес.

При считывании или записи данных процессор должен сообщать, по какому адресу он желает прочитать или записать данные, для чего необходимо указать этот адрес.

В отличие от шины данных шина адреса является одно­направленной.

Разрядность адресной шины определяет максимальное число адресов, по которым может обратиться процессор, т. е. число ли­ний в адресной шине показывает, каким объемом памяти может управлять процессор. Учитывая, что одна адресная линия обеспе­чивает представление одного разряда двоичного числа, формулу для максимального объема адресуемой памяти можно записать в следующем виде:

максимальное число адресов = 2 n ,

где n — разрядность адресной шины.

Процессор 8088 имел 20 адрес­ных линий, что в соответствии с приведенной формулой обеспе­чивало адресацию памяти объемом:

2 20 =1 048 576 байт = 1024 Кбайт = 1 Мбайт.

Это тот самый предельный объем памяти, который все еще имеет силу в операционной системе DOS.

Совсем иная ситуация с процессором 80286. Он имеет 24 ад­ресных линии и поэтому в состоянии управлять памятью объемом:

2 24 = 16 777 216 байт =16 Мбайт.

Для обеспечения связи с микросхемами памяти число адрес­ных линий процессора должно равняться числу адресных линий на системной плате.

Процессоры 80386, 80486 и Pentium имеют 32 адресных ли­нии, что обеспечивает адресацию свыше 4 млрд. ячеек памяти. На системной плате с такими процессорами должно быть 32 линии, обеспечивающие обмен адресами между центральным процессо­ром и всеми важными периферийными микросхемами.

Шины в микропроцессорной системе

В предыдущей главе я рассказывал про цифровую электронику и общее устройство микроконтроллера (МК). А также, что он состоит из процессора, устройств ввода-вывода (УВВ) и устройства памяти. Но я практически ничего не сказал о том, как они общаются между собой. А это весьма важная тема, в которую я и посвящу тебя в этот раз.

Шины и разряды

Как ты уже знаешь, вся информация в цифровой технике стараниями инженеров и математиков представляется в виде двоичных чисел, которые записываются с помощью всего двух цифр: «0» и «1». Обычное десятичное число «3» в двоичной записи будет выглядеть как «11», т.е. 3₁₀ = 11₂. Нижние индексы указывают в какой системе счисления записано число, т.е. 10 – десятичная, а 2 – двоичная. Одна цифра в двоичном числе называется разрядом. У разрядов есть старшинство. Самый правый разряд называется младшим, а самый левый – старшим. Старшинство разряда растет справа налево:

Двоичное число, состоящее из 8 разрядов называется 8-ми разрядным, из 16 – шестнадцатиразрядным и т.д. Разрядность двоичного числа имеет самое прямое отношение к взаимодействию между процессором, памятью и устройствами ввода-вывода.

Дело в том, что в твоем МК бегают такие же двоичные числа. Они ходят от памяти к процессору, от процессора назад к памяти или УВВ, а от последних к процессору. Бегают они естественно по проводам (в МК эти шины спрятаны внутри микросхемы). Каждый провод в определённый момент времени может передавать только один разряд со значением «0» или «1». Поэтому, чтобы передать, к примеру, 8-ми разрядное число от процессора к памяти или назад понадобится минимум 8 таких поводов.

Несколько таких проводов, объединенных вместе называются шиной. Шины бывают нескольких видов: шина адреса, шина данных и шина управления. По шине адреса бегают числа, которые обозначают адрес ячейки памяти или устройства ввода-вывода, откуда ты хочешь получить или куда хочешь записать данные. А сами данные будут передаваться уже по шине данных. Это похоже на почтовую посылку. У посылки есть адрес и есть содержание. Так вот в микропроцессорной системе, каковой МК также является, адрес и данные передаются по разным путям, именуемым шинами.

Сколько проводов должно быть в шине?

Это напрямую зависит от конструкции процессора. Процессор может иметь 32-разрядную шину данных и 16-ти разрядное АЛУ. Такие случаи в истории процессоров и МК встречаются многократно. Поэтому разрядность процессора не определяет 100% разрядность шин данных и шин адреса. Всё зависит от конкретной конструкции.

На что влияет разрядность шины адреса

Самым главным, на что она влияет, является количество адресов, которые можно по ней передавать. Например, в 4-разрядной системе это будет всего 2 4 = 16 адресов, в 64-разрядной числов сдресов будет уже 2 64 =18 446 744 073 709 551 616. Таким образом, чем выше разрядность шины адреса, тем к больше объем памяти и больше устройств ввода-вывода, с которыми может работать процессор. Это важно.

На что влияет разрядность шины данных

Её разрядность определяет сколько данных процессор может считать за один раз. Чем выше разрядность, тем больше данных можно считывать за один раз. Её разрядность, как и разрядность шины адреса целиком определяется конструкцией конкретного процессора или МК. Но при этом всегда кратна восьми. Связано это с тем, что практически во всех устройствах памяти минимальной единицей информации является байт, т.е. двоичное число из 8-ми разрядов.

Зачем было нужно вводить ещё одно название: байт? Оно служит для обозначения количества информации. Если количество разрядов говорит просто о длине двоичного числа, то битность говорит о количестве информации, которую это число несет. Считается, что один разряд двоичного числа может передавать 1 бит информации. При этом биты группируются в байты, килобайты, мегабайты, гигабайты, терабайты и т.д.

Кстати, 1 байт = 8 бит, 1 килобайт = 1024 байтам, 1 мегабайт = 1024 килобайтам и т.д. Почему именно 1024? Все это связано с тем, что размер памяти всегда кратен степени двойки: 2 3 = 8, 2 10 =1024. В свою очередь кратность двойке была выбрана благодаря тому, что она упрощает техническую реализацию устройств памяти. Устройство памяти представляет.

Алгоритм работы микроконтроллера

Давай теперь попробуем посмотреть как взаимодействует процессор с памятью и разберёмся зачем нужна шина управления. Любой процессор помимо выполнения арифметических и логических команд умеет делать ещё несколько важных операций: чтение из ячейки памяти, запись в ячейку памяти, чтение из порта ВВ, запись в порт ВВ:

• чтение из ячейки памяти
• запись в ячейку памяти
• чтение из порта ВВ
• запись в порта ВВ

Для того, чтобы указывать какую из этих операций производить используется шина управления. По этой шине от процессора к памяти или портам ввода-вывода передаются сигналы:

RD (read)	сигнал на чтение
WR (write)	сигнал на запись
MREQ (memory request)	запрос обращения к памяти
IORQ (input/output request)	запрос обращения к портам в/в
READY	сигнал готовности
RESET	сигнал сброса

Когда процессору требуется обратиться к памяти он выставляет на шине управления сигнал MREQ, при этом будет выставлен одновременно с ним сигнал RD/WR. Если процессор будет писать в память, то выставляется сигнал WR, если чтение – RD. Тоже самое происходит, если процессор обращается к портам ввода-вывода.

А вот сигнал READY нужен для того, чтобы сообщить процессору, что чтение/запись завершены. Всё довольно просто. Если тебя одолевают вопросы почему несмотря на то, что и память и порты ввода-вывода, через которые подключены внешние устройства, не конфликтуют, то разгадка будет довольно простой. В каждый момент времени процессор обращается только к одному конкретному устройству: либо памяти, либо через порты к портам ввода-вывода. И шина управления обеспечивает правильное разделение доступа.

Все описанное – упрощенная модель микропроцессорной системы, каковой является и персональный компьютер, и микроконтроллер.

Теперь вырисовывается уточнение к алгоритму работу микроконтроллера, который я описывал в прошлой главе. Когда ты подаёшь питание на МК, то он выставляет сигнал на шине управления MREQ, RD, а на шине адреса адрес, по которому в ячейке памяти программ должна находиться первая команда его программы (чаще всего это нулевой адрес памяти программ). Затем МК её выполнит и в зависимости от этой и последующих команд на шине управления, адреса и данных будут появляться соответствующие сигналы и данные.

Подведу итоги:

1. Процессор, память и порты ввода-вывода общаются между собой с помощью шин.
2. Основные шины бывают нескольких видов: шина данных, шина адреса, шина управления
3. Разрядность шины адреса и шины данных определяется конструкцией процессора

Теперь ты продвинулся ещё на шаг в понимании того, как работает цифровая техника и в частности микропроцессорные системы. В следующий раз мы продвинемся еще на шаг к нашей цели — пониманию как устроен мир электроники

Что такое разрядность шины памяти видеокарты?

Неопытные пользователи верят в распространенные мифы о графических картах. Выбор видеоадаптера исключительно по разрядности шины видеопамяти – популярное заблуждение. Но какой же тогда главный параметр в подсистеме видеопамяти?

Подсистема памяти видеокарт

Шина памяти видеокарты являет собой набор токоведущих каналов, которые соединяют модули памяти и графический чип.

В зависимости от объема и скорости, производители устанавливают несколько чипов. Их размещают на печатной плате рядом с графическим процессором и соединяют с помощью дорожек. Количество дорожек определяет разрядность шины данных.

Простой пример современной видеокарты с GDDR6:

• Для реализации шины на 128 бит нужно протянуть от GPU до чипов памяти 128 основных сигнальных дорожек.
• Один чип памяти GDDR6 имеет 32 сигнальных контакта, а значит ширину шины в 32 бита.

DQ0_A — DQ15_A и DQ0_B — DQ15_B

• Чтобы получить шину в 128 бит, устанавливают 4 чипа памяти. Например, как у Radeon RX 6600.
• Для шины в 256 бит потребуется 8 чипов памяти, для 384 бита — 12 чипов, и так далее.

Вроде бы все просто:

Чем шире шина, тем больше необходимо чипов памяти, тем сложнее конструкция PCB и электрическая разводка.

Расчет пропускной способности

Разрядность шины данных является лишь одной переменной. Вторая — пропускная способность памяти на контакт. Она же — частота видеопамяти, что не совсем корректно, потому что реальная частота видеопамяти GDDR6 может составлять, например, 2 250 МГц. А умопомрачительные 18 000 якобы «МГц» получаются потому, что шестое поколение GDDR умеет передавать за один такт 8 бит. Частота же — число тактов в секунду.

Впрочем, чтобы не было путаницы, продолжим называть это частотой и измерять в герцах. Далее, чтобы получить общую пропускную способность видеопамяти, требуется частоту умножить на разрядность шины:

(разрядность шины памяти) * (частота памяти) = (общая пропускная способность видеопамяти в битах за секунду)

Для перевода в байты делим полученное число на 8, так как в одном байте содержится 8 бит. Рассмотрим на примере бюджетной модели Radeon RX 6500 XT, которая имеет на плате всего 2 чипа памяти и разрядность шины 64 бита GDDR6 с частотой 18 000 МГц.

Умножаем 18000 МГц на шину 64 бита и разделяем на 8. Для удобства можно перевести МГц в ГГц (1000 МГц = 1 ГГц):

Даже «узкая» шина 64-bit у RX 6500 XT позволяет передавать данные на относительно высокой скорости. До появления памяти GDDR6 и GDDR6X подобный результат с такой шириной шины был бы невозможен — типичная частота GDDR5 составляла 8-10 ГГц, а значит пропускная способность при 64 битах была бы в два раза ниже. Такой производительности подсистемы памяти для удовлетворения нужд Navi 24 бы не хватило.

Шина 4096 бит и технология HBM

Память стандарта HBM (High Bandwidth Memory) представляет собой уникальную компоновку стекового типа. Элементы чипа выложены особым способом друг на друга и связаны в единую цепь. Благодаря этому у производителей есть возможность разместить чипы памяти в непосредственной близости от GPU, а значит архитектура не требует сложной и дорогой PCB.

AMD Radeon R9 Fury X стала одной из первых массовых видеокарт, в которых использовалась шина данных разрядностью 4096 бита, недостижимых в классической разводке памяти на PCB. Тем не менее, стать непобедимым королем ей это не помогло. Ведь частоты были довольно скромными — всего 1000 МГц, а сам видеочип Fury X проигрывал аналогичным предложениям от конкурента с классической GDDR5.

Сейчас из-за сложности в производстве технология HBM продолжает развиваться только в профессиональных решениях для рабочих станций. Например в NVIDIA Tesla V100. В обычных геймерских видеокартах, даже топовых RX 6900 или RTX 3090 Ti, производители отдают предпочтение GDDR6.

При выборе видеокарты нужно обращать внимание не только на шину. Основная характеристика подсистемы видеопамяти была и есть максимальная пропускная способность памяти, измеряющаяся в гигабайтах в секунду.

Разработчики графических адаптеров идут разными путями. В одних сериях применяют низкие частоты памяти с увеличенной разрядностью, в других высокочастотная память совмещена с небольшой шиной 128-256 бит. Для потребителя главное — конечная производительность (пропускная способность).

Разрядность шины видеопамяти. На что влияет разрядность шины видеопамяти в видеокарте (например 256 и 128)

Шина памяти видеокарты – это канал соединяющий память и графический процессор видеокарты. От ширины шины памяти зависит, сколько данных обработает видеокарта за единицу времени. Этот параметр один из главных, который влияет на производительность видеокарты и на ее цену. Наибольшей популярностью пользуются шины памяти 128 bit.
Компенсировать потери в пропускной способности памяти можно установкой более быстрых типов памяти. Впервые это доказала компания AMD/ATI представив семейство видеокарт Radeon HD 5xxx. В этой серии некоторые модели видеокарт имели шину всего в 128 бит, но с самым быстрым типом памяти GDDR5. Производительность таких видеокарт не уступает ускорителям с разрядностью шины памяти в 256 и с памятью GDDR3. За счет высокой скорости памяти GDDR5 компенсируется маленькая ширина шины памяти.