[컴퓨터 구조] 시스템 버스

시스템 버스(System Bus)

▶컴퓨터 시스템의 구성요소들(CPU, 기억장치, I/O장치들)을 상호 연결해주는 중심통로

시스템 버스롤 이용한 컴퓨터시스템의 구성도

시스템 버스의 조직

● 버스(BUS) : 구성 요소들간에 교환할 각종 정보들을 전송하는 선(line) 들로 구성

● 버스 선의 수

- 한번에 전송하는 데이터 비트들의 수, 기억장치 주소 비트들의 수 및 제어 신호들의 수에 따라 결정됨

- 소형 컴퓨터 : 50 ~ 100 개의 신호선들 사용

- 중 대형급 시스템 : 100 개 이상의 신호선들 사용

 

기능에 따른 버스의 종류

데이터 버스(data bus)

- 시스템 요소들 사이에 데이터를 전송하는 데 사용되는 선들의 집합

- 양방향 전송(bidirectional transfer)

- 버스 폭(선들의 수) = CPU와 기억장치 사이에 한번에 전송되는 비트 수

주소 버스(adress bus)

- CPU 가 기억장치로( 또는 기억장치로부터) 데이터 쓰기( 또는 읽기) 동작을 할 떄, 해당 기억장소를 지정하는 주소를 전송하기 위한 선들의 집합

- 단방향 전송(unidirectional transfer) : CPU → 기억장치 및 I/O 제어기

- 주소 버스의 비트 수에 의해 시스템에 접속될 수 있는 전체 기억장치 용량이 결정됨

- 직접 주소지정 할 수 있는 기억장소의 단위 : 바이트(Byte) 혹은 단어(word)

주소 버스 = 16 비트 인 경우

- 주소지정 가능한 최대 기억장소들의 수 = 2^16 = 65,536(64K) 개
- 바이트 단위 주소 지정일 경우 최대 기억장치 용랑 = 64 Kbyte
- 32-비트 단어 단위 주소지정일 경우, 최대 기억장치 용량 = 256 Kbyte

주소 버스 = 30비트 인 경우

- 최대 2^40 = 1G ( ≒ 10억) 개
- 바이트 단위 주소 지정일 경우 최대 기억장치 용량 = 1Gbyte
- 32-비트 단어 단위 주소지정일 경우, 최대 기억장치 용량 = 4 Gbyte

 

제어 버스(Control bus)

- CPU와 기억장치 및 I/O 장치 사이에 제어 신호들을 전송하는 선들의 집합

● 기억장치 쓰기(memory write) 신호 : 버스에 실린 데이터를 주소가 지정하는 기억장소에 저장되도록 하는 제어신호

● 기억장치 읽기(memory read) 신호 : 주소가 지정하는 기억장소의 내용을 읽어서 버스에 실리게 하는 제어신호

● I/O 쓰기(I/O write) 신호 : 버스에 실린 데이터를 지정된 I/O 장치로 출력되게 하는 제어신호

● I/O 읽기(I/O read) 신호 : 지정된 I/O 장치로부터 데이터를 읽어서 데이터 버스에 실리게 하는 제어신호

 

-버스 중재를 위한 제어신호들(이 신호들의 집합을 중재 버스라고도 부름)

●중재 버스 : 버스 중재를 위한 신호 선들의 집합

- 버스 요구(bus request) 신호 : 버스 마스터가 버스 사용을 요구 했음을 알리는 신호- 버스 승인(bus grant) 신호 : 버스 사용을 요구한 마스터에게 사용을 허가하는 신호- 버스 사용중(bus busy) 신호 : 현재 버스가 사용되고 있는 중임을 나타내는 신호

 

● 버스 마스터(bus master) : 시스템 버스에 접속되는 요소들 중에서 버스 사용의 주체가 되는 요소들 (예: CPU, 기억장치 모듈, I/O 제어기 등)

 

● 버스 중재(bus arbitration) : 시스템 버스에 접속된 두 개 또는 그 이상의 버스 마스터들이 동시에 버스를 사용하고자 할 때 순서대로 한개의 마스터씩 버스를 사용할 수 있게 해주는 동작

 

- 인터럽트 메커니즘을 위한 제어신호들(이 신호들의 집합을 인터럽트 버스라고도 부름)

 

● 인터럽트 메커니즘을 위한 제어 신호선들의 집합

-인터럽트 요구(interrupt request) 신호 : I/O장치가 인터럽트를 요구했음을 알리는 신호

 

● 인터럽트 확인(interrupt acknowledge) 신호 : CPU가 인터럽ㅌ 요구를 인식했음을 알리는 신호

 

- 그 외의 제어 신호들

 

●버스 클록(bus clock) 신호 : 동기식 버스에서 버스 동작들의 시작 시간을 일치시키기 위하여 제공되는 공통 클록 신호

 

●리셋(reset) 신호 : 모든 시스템 요소들의 동작을 초기화 시키는 신호

 

버스 대역폭(bus bandwidth)

●버스의 속도를 나타내는 척도로서, 단위 시간당 전송할 수 있는 데이터 양을 나타내며, 버스 클록의 주기에 의해 결정
 
  [예] 버스 클록의 주기: 50 ns (클럭 주파수: 20 MHz) 데이터 버스의 폭: 64 비트(8 바이트)
 → 버스 대역폭 = 8 byte / (50 × 10-9 sec) = 160 [Mbytes/sec]
    (즉, 이 버스를 통하여 초당 1억 6천 바이트의 데이터 전송 가능)

시스템 버스의 기본동작

- 쓰기 동작(write operation) 순서

1. 버스 마스터가 버스 사용권을 획득

2. 버스를 통하여 주소와 데이터 및 쓰기 신호 전송

 

- 읽기 동작(read operation) 순서

1. 버스 마스터가 버스 사용권을 획득

2. 주소와 읽기 신호를 보내고, 데이터가 전송되어 올 때까지 대기

 

- 버스 동작의 타이밍에 따른 버스의 분류

● 동기식 버스(synchronous bus) : 시스템 버스에서 모든 버스 동작들이 공통의 버스 클럭을 기준으로 발생

 

[장점] 인터페이스 회로 간단

 

[단점] 버스 클럭의 주기가 가장 오래 걸리는 버스 동작의 소요 시간을 기준으로 결정되므로, 클럭 주기보다 더 짧은 시간이 걸리는 버스 동작의 경우에는 동작이 완료된 후에도 다음 주기가 시작될 때까지 대기

 

●비동기식 버스(asynchronous bus) : 버스 동작들의 발생 시간이 관련된 다른 버스 동작의 발생 여부에 따라 결정

 

[장점] 각 버스 동작이 완료 즉시 연관된 다음 동작이 발생하기 때문에 동기식 버스에서와 같이 낭비되는 시간이 없음

 

[단점] 연속적 동작을 처리하기 위한 인터페이스 회로가 복잡

동기식버스와 비동기식 버스의 시간 흐름도