計算機組成原理の復習要点（6）バスシステム

第 6 章バスシステム#

6.1 バスの概念と構造#

6.1.1 バスの基本的な概念（重点）#

デジタルコンピュータは、複数のシステム機能部品から構成されており、これらのシステム機能部品が一緒に動作することで完全なコンピュータシステムが形成されます。

バスの定義#

コンピュータの複数の機能部品は、完全に相互接続することは不可能です。そのため、共有の情報チャネルであるバスが必要です。
バスは、コンピュータシステムを構成する相互接続の仕組みであり、複数のシステム機能部品間でのデータ転送を行う共通の経路です。バス接続を利用して、コンピュータは各システム機能部品間でのアドレス、データ、制御情報の交換を実現し、競合リソースを基に動作します。
バスは以下のように分類されます：
内部バス：CPU 内部のレジスタと演算器部品を接続するバス。
システムバス：外部バス。CPU とコンピュータシステムの他の高速機能部品を接続するバス。
I/O バス：中速の I/O デバイスを接続するバス。

バスの特性#

バスの特性は、物理的特性、機能的特性、電気的特性、時間的特性に分けられます。

物理的特性：バスの物理的な接続方法（本数、コネクタの形状、ピンの配置方法）
機能的特性：各ラインの機能
電気的特性：各ライン上の信号の伝達方向と有効な電圧範囲。
時間的特性：各バスがいつ有効になるかを規定します。

バスの標準化#

同じ命令セット、同じ機能を持つが、異なるメーカーが製造した各機能部品は、ほとんど同じ実装方法を持っていませんが、同じ機能を持つ異なるメーカーの機能部品は互換性があります。その理由は何でしょうか？
異なるメーカーが製造した同じ機能の部品を互換性があるようにするためには、システムバスの標準化が必要です。現在、多くのバス規格が存在しており、例えばPCI、ISAなどがあります。
標準バスを使用する利点
- システムの設計と構造が簡素化され、システムの信頼性が向上します。
- システムの拡張と更新が容易になります。

バス帯域幅#

バス自体が達成できる最大転送速度。
単位：メガバイト毎秒（MB/s）

1 回の操作で転送できるデータビット数
例えば、S100 は 8 ビット、ISA は 16 ビット、EISA は 32 ビット、PCI-2 は 64 ビットです。
バスの幅は、マイクロプロセッサの外部データバスの幅を超えることはありません。

【例 1】（1）あるバスは 1 つのバスサイクルで 4 バイトのデータを並列に転送します。バスサイクルはバスクロックサイクルと等しいと仮定し、バスクロック周波数は 33MHz です。バス帯域幅はいくらですか？
（2）バスサイクルで 64 ビットのデータを並列に転送する場合、バスクロック周波数が 66MHz になった場合、バス帯域幅はいくらですか？

解答：（1）バス帯域幅を Dr で表すと、バスクロック周期を T=1 /f で表し、1 つのバスサイクルで転送されるデータ量を D で表します。
定義に基づいて、Dr = D / T = D×（1 / T）= D×f = 4B×33×106/s = 132MB/s
（2）64 ビット = 8 バイト
Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s

6.1.2 バスの接続方法#

外部デバイスの種類はさまざまで、速度も異なるため、外部デバイスを単純に CPU に接続することはできません。
アダプタ（インターフェース）：高速な CPU と低速な周辺機器の間の動作速度の一致と同期を実現し、コンピュータと周辺機器間のすべてのデータ転送と制御を行います。
多くのバスは同じ方法で構成されていますが、異なる点はバス内のデータ線とアドレス線の幅、および制御線の数と機能です。
シングルバス構造の 2 つの基本タイプ：
- シングルバス：CPU、メモリ、I/O デバイスを接続するために 1 つのシステムバスを使用します。
  - 特徴：シングルバス構造では、バスに接続される論理部品は高速に動作する必要があり、特定のデバイスがバスを使用する必要がある場合にはすばやくバスの制御権を取得できるようにする必要があります。
  - そうでない場合、1 つのバスが複数の機能部品によって共有されるため、大きな遅延が発生する可能性があります。
- マルチバス：CPU、メインメモリ、I/O 間の接続に複数のバスを使用します。以下の図に示すように。
  - 高速な CPU バス：CPU とキャッシュの間で使用されます。
  - システムバス：メインメモリに接続されます。高速バスには高速 LAN（100Mb/s ローカルエリアネットワーク）、ビデオインターフェース、グラフィックインターフェース、SCSI インターフェース（ローカルディスクドライブとその他の周辺機器をサポート）、Firewire インターフェース（大容量 I/O デバイスをサポート）を接続できます。高速バスは、拡張バスインターフェースを介して拡張バスに接続され、拡張バスにはシリアル方式で動作する I/O デバイスを接続できます。
  - ブリッジ CPU バス、システムバス、高速バスが互いに接続されます。ブリッジは、バッファリング、変換、制御機能を備えた論理回路です。
  - マルチバス構造は、高速、中速、低速デバイスが異なるバスに接続され、同時に動作することでバスの効率とスループットを向上させ、プロセッサ構造の変更が高速バスに影響を与えないことを示しています。