ناقل النظام

ناقل النظام هو ناقل حاسوبي واحد يربط المكونات الرئيسية لنظام الحاسوب، ويجمع بين وظائف ناقل البيانات لنقل المعلومات، وناقل العناوين لتحديد وجهة إرسالها أو قراءتها، وناقل التحكم لتحديد طريقة تشغيله. طُوّرت هذه التقنية لخفض التكاليف وتحسين قابلية التعديل، وعلى الرغم من شيوعها في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، فإن الحواسيب الحديثة تستخدم مجموعة متنوعة من النواقل المنفصلة المُكيّفة لتلبية احتياجات أكثر تحديدًا. ^{[ 1 ]}

يربط ناقل مستوى النظام (المختلف عن نواقل مسار البيانات الداخلية لوحدة المعالجة المركزية ) وحدة المعالجة المركزية بالذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج. ^{[ 2 ]} عادةً ما يُصمم ناقل مستوى النظام للاستخدام كلوحة خلفية . ^{[ 3 ]}

استندت العديد من الحواسيب إلى المسودة الأولى لتقرير EDVAC المنشور عام 1945. وفيما عُرف لاحقًا ببنية فون نيومان ، جُمعت وحدة تحكم مركزية ووحدة حسابية منطقية (ALU، التي أطلق عليها فون نيومان اسم الجزء الحسابي المركزي) مع ذاكرة الحاسوب ووظائف الإدخال والإخراج لتشكيل حاسوب ذي برنامج مُخزّن . ^{[ 4 ]} قدّم التقرير تنظيمًا عامًا ونموذجًا نظريًا للحاسوب، لكنه لم يُقدّم تطبيقًا عمليًا لهذا النموذج. ^{[ 5 ]} وسرعان ما دُمجت وحدة التحكم ووحدة الحساب والمنطق في ما عُرف لاحقًا بوحدة المعالجة المركزية (CPU).

كانت الحواسيب في خمسينيات وستينيات القرن العشرين تُصنع عمومًا بطريقة غير منهجية. فعلى سبيل المثال، كانت وحدة المعالجة المركزية والذاكرة ووحدات الإدخال/الإخراج عبارة عن خزانة واحدة أو أكثر متصلة بكابلات. استخدم المهندسون التقنيات الشائعة لحزم الأسلاك الموحدة، وطوروا هذا المفهوم باستخدام لوحات خلفية لحمل لوحات الدوائر المطبوعة في هذه الأجهزة المبكرة. وكان مصطلح "الناقل" مستخدمًا بالفعل للإشارة إلى " قضبان التوصيل " التي تنقل الطاقة الكهربائية إلى مختلف أجزاء الآلات الكهربائية، بما في ذلك الآلات الحاسبة الميكانيكية المبكرة. ^{[ 6 ]} أدى ظهور الدوائر المتكاملة إلى تقليص حجم كل وحدة حاسوبية بشكل كبير، وأصبحت النواقل أكثر توحيدًا. ^{[ 7 ]} وأصبح من الممكن ربط الوحدات النمطية بطرق أكثر اتساقًا، كما أصبح تطويرها وصيانتها أسهل.

لتحقيق مزيد من المرونة مع خفض التكلفة، جُمعت ناقلات الذاكرة والإدخال /الإخراج (بالإضافة إلى ناقلات التحكم والطاقة اللازمة ) أحيانًا في ناقل نظام موحد واحد. ^{[ 8 ]} اكتسبت المرونة والتكلفة أهمية بالغة مع تصغير حجم الحواسيب بما يكفي لتناسب خزانة واحدة (وتوقع العملاء تخفيضات مماثلة في الأسعار). وقد خفضت شركة ديجيتال إكويبمنت (DEC) تكلفة الحواسيب الصغيرة المنتجة بكميات كبيرة ، وربطت الإدخال/الإخراج بذاكرة الحاسوب، بحيث بدت الأجهزة وكأنها مواقع ذاكرة. طُبّق هذا في ناقل Unibus الخاص بجهاز PDP-11 حوالي عام 1969، مما ألغى الحاجة إلى ناقل إدخال/إخراج منفصل. ^{[ 9 ]} حتى الحواسيب مثل PDP-8 التي لم تكن مزودة بربط الإدخال/الإخراج بالذاكرة، سُرعان ما زُوّدت بناقل نظام، مما سمح بتوصيل الوحدات في أي فتحة. ^{[ 10 ]} أطلق بعض المؤلفين على هذا اسم "نموذج" جديد مُبسّط لهندسة الحاسوب. ^{[ 11 ]}

تم بناء العديد من الحواسيب الصغيرة المبكرة (التي تحتوي عادةً على وحدة معالجة مركزية على دائرة متكاملة واحدة ) باستخدام ناقل نظام واحد، بدءًا من ناقل S-100 في نظام الكمبيوتر Altair 8800 في حوالي عام 1975. ^{[ 12 ]} استخدم جهاز IBM PC ناقل بنية الصناعة القياسية (ISA) كناقل نظام له في عام 1981. تم استبدال اللوحات الخلفية السلبية للنماذج المبكرة بمعيار وضع وحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي على اللوحة الأم ، مع وجود لوحات فرعية أو بطاقات توسعة اختيارية فقط في فتحات ناقل النظام.

أصبح نظام Multibus معيارًا لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) تحت مسمى IEEE 796 في عام 1983. ^{[ 13 ]} طورت شركة Sun Microsystems نظام SBus في عام 1989 لدعم بطاقات التوسعة الأصغر حجمًا. ^{[ 14 ]} كانت أسهل طريقة لتطبيق المعالجة المتعددة المتناظرة هي توصيل أكثر من وحدة معالجة مركزية واحدة بناقل النظام المشترك، وهو ما استُخدم طوال ثمانينيات القرن الماضي. مع ذلك، سرعان ما أصبح الناقل المشترك عنق الزجاجة، فتم استكشاف تقنيات اتصال أكثر تطورًا. ^{[ 15 ]}

حتى في الأنظمة البسيطة للغاية، يتم تشغيل ناقل البيانات في أوقات مختلفة بواسطة ذاكرة البرنامج، وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وأجهزة الإدخال/الإخراج. ولمنع التنازع على ناقل البيانات، لا يقوم بتشغيله في أي لحظة إلا جهاز واحد. في الأنظمة البسيطة للغاية، يكون ناقل البيانات ثنائي الاتجاه فقط. في هذه الأنظمة، يقوم مسجل عناوين الذاكرة دائمًا بتشغيل ناقل العناوين، وتقوم وحدة التحكم دائمًا بتشغيل ناقل التحكم، ويختار مُفكِّك العناوين الجهاز المسموح له بتشغيل ناقل البيانات خلال دورة الناقل هذه. في الأنظمة البسيطة للغاية، تبدأ كل دورة تعليمات بدورة قراءة من الذاكرة، حيث تقوم ذاكرة البرنامج بنقل التعليمات إلى ناقل البيانات بينما يقوم مسجل التعليمات بتثبيت تلك التعليمات من ناقل البيانات. تستمر بعض التعليمات بدورة كتابة من الذاكرة، حيث يقوم مسجل بيانات الذاكرة بنقل البيانات إلى ناقل البيانات في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو جهاز الإدخال/الإخراج المُختار. وتستمر تعليمات أخرى بدورة قراءة أخرى من الذاكرة، حيث يقوم جهاز الإدخال/الإخراج أو ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) المُختار بنقل البيانات إلى ناقل البيانات بينما يقوم مسجل بيانات الذاكرة بتثبيت تلك البيانات من ناقل البيانات.

تتميز الأنظمة الأكثر تعقيدًا بوجود ناقل متعدد الوحدات الرئيسية ، حيث لا يقتصر الأمر على وجود العديد من الأجهزة التي تُشغّل ناقل البيانات فحسب، بل يشمل أيضًا العديد من وحدات التحكم الرئيسية التي تُشغّل ناقل العناوين. في أنظمة مراقبة الناقل، يُشترط أن يكون ناقل العناوين، وكذلك ناقل البيانات ، ثنائي الاتجاه، وغالبًا ما يُنفّذ كناقل ثلاثي الحالات . ولمنع التنازع على ناقل العناوين، يقوم مُحكّم الناقل بتحديد وحدة التحكم الرئيسية المسموح لها بتشغيل ناقل العناوين خلال دورة الناقل الحالية.

استخدمت إنتل مصطلح ناقل البيانات المستقل المزدوج (DIB) لغرضين مختلفين. الأول ظهر عندما انتقلت إنتل من استخدام ناقل بيانات محلي واحد إلى ناقل البيانات المستقل المزدوج، حيث يستخدم الناقل الأمامي الخارجي لذاكرة النظام الرئيسية وأجهزة الإدخال/الإخراج، والناقل الخلفي الداخلي لذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) لوحدة المعالجة المركزية . وقد تم تقديم هذا النظام في معالج بنتيوم برو عام 1995. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

في عامي 2005 و2006، طرحت إنتل شريحتي 8500 و5000، حيث يشير مصطلح DIB إلى ناقلي النظام الأماميين في الشريحة، مما يضاعف عرض النطاق الترددي للنظام مقارنةً بوجود ناقل أمامي واحد مشترك بين جميع وحدات المعالجة المركزية. مع ذلك، كان لا بد من إرسال المعلومات اللازمة لضمان اتساق البيانات المشتركة الموجودة في ذاكرات تخزين مؤقت مختلفة عبر البث (التجسس) للتحقق من حالة ذاكرة التخزين المؤقت لوحدات المعالجة المركزية الأخرى في الناقل الأمامي، مما يقلل من عرض النطاق الترددي المتاح. ولتقليل حركة بيانات الاتساق، أُضيف مرشح تجسس إلى الشرائح المتطورة، بحيث تتوفر معلومات حالة ذاكرة التخزين المؤقت على الشريحة نفسها. وفي عام 2007، وسّعت إنتل فكرة النواقل المتعددة في شريحة 7300 لتشمل أربعة نواقل أمامية مستقلة، وأطلقت عليها اسم وصلات الربط عالية السرعة المخصصة (DHSI). ^{[ 19 ]}

أصبح نهج ناقل النظام قديمًا في أجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم الحديثة، التي تستخدم بدلاً منه تقنيات ربط عالية الأداء مثل HyperTransport و Intel QuickPath Interconnect ، بينما استمر استخدام بنية ناقل النظام في المعالجات الدقيقة المدمجة الأبسط. بل يمكن أن يكون ناقل النظام داخليًا في دائرة متكاملة واحدة، مما ينتج عنه نظام على شريحة . ومن أمثلة النواقل على الشريحة AMBA و CoreConnect و Wishbone ، بالإضافة إلى إصدارات معدلة من PCI أو PCIe . ^{[ 20 ]}

• الحافلة (الحوسبة)
• واجهة ناقل خارجية
• ناقل التوسعة