Bộ nhớ và lưu trữ - Phần 3: Các đặc điểm kỹ thuật của Bus

Bộ nhớ và lưu trữ - Phần 3: Các đặc điểm kỹ thuật của Bus

Trong hai phần đầu của loạt bài này chúng tôi đã viết về các công nghệ
nhớ khác nhau gồm có: các ổ đĩa cứng, RAM, MRAM và kiểu lưu trữ
dữ liệu holographic. Rõ ràng, công nghệ đã sử dụng cho việc lưu trữ dữ
liệu vật lý chỉ là một phần trong những gì sẽ quyết định hiệu suất mà
bạn thấy. Để hiểu một cách đầy đủ về hiệu suất của bộ nhớ, bạn phải
hiểu cách bộ nhớ kết nối với CPU như thế nào và nó có thể được gia
công ra sao.

Nhìn chung, bộ nhớ được kết nối đến CPU theo cùng một cách kết nối vật
lý; thông qua bus hệ thống. Hãy quan sát vào bên trong bo mạch chủ máy
tính, bạn sẽ thấy rất nhiều dây; đây chính là bus hệ thống của nó.

Các bus hệ thống khác nhau được định nghĩa với các đặc điểm kỹ thuật của
hệ thống. Đặc điểm kỹ thuật của bus hệ thống sẽ gồm số dây, kích thước của
dây, mỗi dây được sử dụng cho cái gì và bộ kết nối gì cần được sử dụng. Chi
tiết kỹ thuật của bus hiện đại có các tính năng tiên tiến và khá phức tạp, với
nhiều dây truyền phát dữ liệu theo cả hai hướng, nhiều dây cho việc điều
khiển tín hiệu.

Một trong các chi tiết kỹ thuật của bus được sử dụng liên tục và lâu đời nhất
là mạch tích hợp chéo hoặc I2C. Đó là một chi tiết kỹ thuật khá đơn giản, chỉ
với hai dây hai chiều, một cho dữ liệu và một cho tín hiệu clock.

Một đặc tả của bus I2C. Vcd là điện áp, SDA là cho dữ liệu và SCL là cho
tín hiệu clock
Mạch tích hợp chéo

Được phát triển vào đầu những năm 1980 bởi Philips Semiconductor, I2C
được phát triển với tư cách là chuẩn tốc độ thấp cho việc truyền thông nối

tiếp trên bo mạch. Ban đầu được phát triển để sử dụng trong máy thu hình,
nó chỉ mất vài năm để được chấp nhận rộng rãi. I2C ngày nay vẫn được sử
dụng trong nhiều ứng dụng như trong các màn hình máy tính.

Trước I2c, mỗi thiết bị đã sử dụng bởi một bộ vi điều khiển phải được kết
nối trực tiếp đến đến bộ vi điều khiển đó. Vấn đề phát sinh với điều đó là nó
sẽ làm tăng tính phức tạp của hệ thống, bạn phải tăng số lượng chân trên bộ
vi điều khiển để giao tiếp với các thiết bị bổ sung.

Với việc bổ sung thêm bus và bo mạch, mỗi thiết bị có thể kết nối đến bus
và bộ vi điều khiển chỉ cần kết nối đến bus. Những gì cần thiết là một tập
các nguyên tắc để sử dụng bus như thế nào. Thậm chí bus ở thời buổi ban
đầu này dường như rất giống với một mạng!

Phiên bản hiện nay của đặc tả I2C là 3.0. Phiên bản này hỗ trợ cho 4 mục tốc
độ bus:

Standard (Chuẩn) 100 kb/s

Fast (Nhanh) 400 kb/s

Fast mode plus (Nhanh hơn) 1 Mb/s

High speed mode (Tốc độ cao) 3.4 Mb/s
Một khả năng thực sự thú vị của I2C được gọi là clock kéo dài. Clock kéo
dài có nghĩa là gì, thiết bị slave có thể giữ tín hiệu clock. Điều này rất hữu
dụng bởi khi thiết bị slave nhận một yêu cầu đọc, nó có thể giữ clock cho
đến khi nó chuẩn bị gửi thông tin đến master và sau đó phóng thích clock
khi nó đã sẵn sàng gửi.

Các công ty khác cũng đầu tư rất nhiều vào đầu những năm 1980 để phát
triển chi tiết kỹ thuật bus của chính họ. IBM là một trong những công ty đó.
Một trong những bus ban đầu của họ là Industry Standard Architecture hoặc
ISA, bus. Khi được phát triển lên IBM đã gọi nó là XT bus.

Các đặc điểm kỹ thuật của IBM

Được phát triển vào năm 1981, bus 8 bit, ISA sau đó được thay đổi thành
kiến trúc bus 16 bit. Bus ISA hỗ trợ cho các tốc độ lên đến 8Mb/s. Trong
suốt những năm 80, ISA tiếp tục được phổ biến rộng rãi, nhưng nó chưa
thực sự hoàn hảo. Một trở ngại lớn đối với ISA là đặc điểm kỹ thuật đã thiếu
các thông tin chi tiết về định thời bus và các nguyên tắc điều khiển bus.
Chính vì lý do đó, nhiều công ty đã tập trung vào cải thiện phiên bản bus
ISA của chính họ với các chi tiết kỹ thuật độc nhất. Các phiên bản độc nhất
của ISA này lại khó khăn trong việc tương thích và gây ra rất nhiều vấn đề
hóc búa.

Một trở ngại khác đối với ISA là các cấu hình chuyên sâu cần phải kết nối
với một thiết bị đến bus. Vào năm 1993, ISA Plug and Play đã được phát
triển để giải quyết vấn đề này. Kiến trúc plug and play đã cho phép hệ điều
hành của máy tính có thể thực hiện việc cấu hình thay vì người dùng. Điều
này là một bước tiến lớn trong kiến trúc máy tính và cho đến ngày nay nhiều
máy tính vẫn hỗ trợ ISA plug and play.

Vào cuối những năm 80, IBM đã cố gắng thay thế thế hệ ISA bus bằng kiến
trúc kênh siêu nhỏ Micro Channel Architecture hoặc MCA, bus. Chi tiết kỹ
thuật này đã cho ra bus 32 bit và việc cấu hình tự động.

Tuy MCA giải quyết được sự giàng buộc bus 16 bit của ISA và đã cho phép
truyền thông lên đến tốc độ 40Mb/s, nhưng vẫn có một số bất thuận tiện đối

với sự chấp thuận của công nghiệp đối với chi tiết kỹ thuật của bus này. Một
trong những trở ngại đó là MCA là một công nghệ thuộc quyền sở hữu
riêng, điều đó có nghĩa bất kỳ công ty nào muốn sử dụng MAC đều phải trả
tiền cho IBM. Rõ ràng đây là điều mà công chúng không bao giờ thích.

Kiến trúc chuẩn công nghiệp được mở rộng

Sau khi IBM phát triển MAC một thời gian ngắn, các đối thủ cạnh tranh
gồm có Compaq và HP đã bắt kịp họ với một giải pháp. Họ đã tổ chức và
phát triển kiến trúc chuẩn công nghệ mở rộng hoặc EISA. Quả thực họ cũng
muốn đặt lại tên khác với XT bus và ISA bus của IBM để không xâm phạm
bản quyền thương hiệu của IBM.

Giống như MCA, EISA là một kiến trúc bus 32 bit. Nhưng, cũng giống như
tên được ngụ ý của nó, EISA là một mở rộng của ISA bus trước đó, điều đó
có nghĩa rằng nó tương thích được với các thiết bị ISA. Và mặt khác nó cũng
là một chi tiết kỹ thuật mở. EISA đã hỗ trợ truyền thông song song ở tốc độ
8,33MB/s.