Sběrnice a propojení

Petr Jedlička, Cyril Klimeš, Tomáš Pitner tomas.pitner@mendelu.cz

Cíle přednášky

Cílem je pochopení účelu a principů sběrnic.
Sběrnice jsou komunikační kanály uvnitř počítače i pro připojování vnějších zařízení.
Počítačové sítě zde neprobíráme, na to je prostor jinde.

Sběrnice je sdílený komunikační kanál uvnitř počítačového systému — soustava vodičů, budičů a přijímačů, která soustřeďuje komunikaci do jednoho média a přenáší datové, adresové, řídicí a stavové signály. Na rozdíl od počítačových sítí propojuje prvky jednoho systému.

Sběrnice nebo sítě?

Zde se budeme věnovat převážně sběrnicím jakožto sdíleným komunikačním kanálům uvnitř počítačového systému a pro připojení vnějších zařízení závislých na systému, kam jsou připojeny.
Počítačové sítě, jakožto systémy pro propojování počítačů a dalších inteligentních zařízení, které mohou v principu fungovat i nezávisle, budou obsahem až pozdějších přednášek a spíše až předmětů k sítím.

Účel sběrnic

Sběrnice tvoří propojovací systém uvnitř počítače, jeho "krevní řečiště", kudy tečou informace a povely.
Podstatné pro označení "sběrnice" je, že "sbírá", tedy soustřeďuje komunikaci do jedné soustavy, na jedno médium.
Je tvořena soustavou vodičů, budičů a přijímačů — tedy alespoň u drátových sběrnic.
Přenáší datové, adresové, řídicí a stavové signály.

Obr. 1. System bus

Sběrnice vs. rozhraní

Sběrnice	(bus) fyzické propojení komponent (např. vodiče)
Rozhraní	(interface) logická pravidla a protokoly (např. NVMe) - stejné rozhraní může běžet na různých sběrnicích

Typy komunikace na sběrnici

Simplex	jednosměrný přenos
Half-duplex	obousměrný, ale ne současně
Full-duplex	současně obousměrný (lze realizovat i jako dva protisměrné simplex kanály)

Vlastnosti a organizace přenosu

Parametry sběrnic

Propustnost	rychlost přenosu; udává se v kbps (kilobit per second) až obdobně Gbps, evt. Tbps
Přístupová doba	(access time) než se dostaneme s přenosem "na řadu" a zrealizujeme ho
Šířka sběrnice	počet souběžně přenášených bitů: 1 (sériová), 8–64 bitů (paralelní)
Frekvence	u synchronních sběrnic frekvence, s jakou "tepou" hodinové impulsy řídící sběrnici

Co zahrnuje přístupová doba

Přístupová doba obvykle zahrnuje následující fáze:

detekci požadavku na přístup,
případnou arbitráž (výběr zařízení, které získá přístup ke sběrnici),
vyslání adresy nebo příkazu,
čekání na odezvu cílového zařízení (např. paměti),
samotný přenos dat.

Paralelní sběrnice

Paralelní sběrnice obsahuje tyto části:

Datová část	určuje, kolik bitů lze přenést najednou
Adresní část	udává, kolik paměti lze adresovat (2^N, kde N je počet adresních vodičů)
Řídicí a stavová část	řídí operace, sděluje stavy

Synchronní vs. asynchronní přenos

Synchronní: pevné časové intervaly řízené hodinami
Asynchronní: přenos řízen vysílajícím, přijímajícím nebo oběma

Sériová sběrnice

myslíme sběrnici umožňující přenos "drátový" dat obvykle metalickými vodiči (kabely)
data jsou zásadně posílána nesouběžně, sériově, tzn. bit za bitem
může být synchronní (pak musí být přenášet i synchronizační signál — hodinové signály, CLK)
typy a realizace sériových sběrnice viz dále

Řídicí signály (příklady 1)

Níže jsou příklady; jde o principy, různí autoři a výrobci systémů a součástek si pojmenovávají signály trochu jinak.

READ (RD)	Zahájení čtení z paměti nebo periferního zařízení.
WRITE (WR)	Zahájení zápisu do paměti nebo periferního zařízení.
MEMR / MEMW	Specifikace, že jde o přístup do paměti (na rozdíl od I/O operace).
IOR / IOW	Čtení nebo zápis do I/O zařízení. (Někdy jsou I/O operace realizovány z pohledu programu jako čtení z paměti - I/O porty jsou mapované do paměťového prostoru.)

Řídicí signály (příklady 2)

CLK	Taktovací signál (hodiny) synchronizující sběrnici nebo celý systém.
RESET	Uvede počítač nebo zařízení do výchozího stavu.
INT	(Interrupt Request) Požadavek na přerušení vyvolaný vnější událostí (signálem, sepnutím časovače…).
ACK	Potvrzení přijetí požadavku (např. přerušení nebo přenosu).

Řídicí signály (příklady 3)

WAIT	Oznamuje, že zařízení není připraveno a CPU musí čekat.
READY	Indikuje, že zařízení nebo sběrnice jsou připraveny na přenos dat.
BUSREQ	Žádost o řízení sběrnice a její přidělení (např. pro DMA).
BUSGRANT	Žádost o řízení sběrnice a její přidělení (např. pro DMA).

Sdílení přenosového média

Přidělování sběrnice

Tím, že je sběrnice sdílené médium, je třeba přístup k ní řídit.
Řízení může mít povahu:

Centrální řízení	arbitr, prioritní dekodér
Decentralizované řízení	token, kolizní metody

Kolizní metody: CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

Detekujeme stav média nasloucháním, když je volné, komunikujeme.
Používá se u drátových sítí (Ethernet)

U vnitřních sběrnici počítačů se kolizní metody nepoužívají.

Kolizní metody: CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

Bránění kolizím
Používá se u bezdrátových sítí (802.11 - Wi-Fi)

Multiplexování

Kombinace více datových toků do jednoho signálu
Potřebujeme na jedné straně multiplexor, na druhé demultiplexor.
Nevýhoda: nelze jednotlivé toky posílat současně
Výhoda: ušetří se na kabeláži, používané v průmyslu, automotive

Časový, frekvenční a vlnový multiplex

Časový	TDM, Time Division Multiplexing = multiplex s časovým dělením; pevné intervaly střídání toků
Frekvenční	FDM, Frequency Division Multiplexing = multiplex s frekvenčním dělením
Vlnový	WDM, Wavelength Division Multiplexing — obdoba frekvenčního při přenosu optickým kabelem

Časový multiplex

Frekvenční multiplex

Vlnový multiplex

Přenos signálu

Bezdrátové přenosy

Bezdrátový přenos je přenos pomocí elektromagnetického vlnění na různých frekvencích, obvykle však v řádech od stovek kHz do jednotek GHz.
Nepotřebuje žádné vodiče, tedy wireless.

Modulace signálu

Modulace signálu	nezbytná technika, jak vnést do signálu užitečnou informaci, kterou chceme přenášet. Obecně může jít o digitální, ale také analogový signál, třeba FM rádio.
Digitální modulace	(klíčování, keying) technika, jak zakódovat do signálu digitální informaci (`0` a `1`)

Typy klíčování

Amplitudové	Amplitude-Shift Keying (ASK) nosná vlna (základní referenční signál o pevném kmitočtu) se moduluje proměnou amplitudy, tzn. síly signálu, ve dvou úrovních: pro log. 0 a 1.
Frekvenční	Frequency-Shift Keying (FSK) je jednoduchá metoda, kdy se frekvence nosné vlny skokově mění: log. 1 (mark) = vyšší frekvence, log. 0 (space) = nižší frekvence
Fázové	Phase-Shift Keying (PSK) je metoda, kdy binární hodnoty 0, 1 kódujeme jako změny fáze referenčního signálu (nosné vlny)

Sběrnicové hierarchie a přenosové rychlosti

Zařízení propojená uvnitř nebo připojená vně počítače mají různé přenosové rychlosti (displej × klávesnice), nároky na odezvu, jiné klíčování přenosu…
Použití jediné sběrnice je tak neefektivní až nemožné.
Proto různé typy sběrnic pro různé komponenty;
Diametrální rozdíl mezi nároky zařízení uvnitř počítače (rychlá: procesor, paměť, grafický procesor,…) a vně (pomalá: klávesnice, myš)

Přenosové rychlosti: pomalé

Klávesnice	Několik bajtů za sekundu (řádově 10 B/s)
Myš	Desítky až stovky bajtů za sekundu (cca 100—1000 B/s), závisí na typu a vzorkovací frekvenci
Pevný disk HDD	Typicky 80—200 MB/s (závisí na otáčkách, hustotě zápisu a rozhraní)

Přenosové rychlosti: rychlé

Drátová síť (Ethernet)

100BASE-T: (Fast Ethernet) až 100 Mb/s (12,5 MB/s)
1000BASE-T: (Gigabit Ethernet) až 1 Gb/s (125 MB/s)
10GBASE-T: až 10 Gb/s (1250 MB/s)

SSD disk

SATA SSD: až 550 MB/s (limit rozhraní SATA III)
NVMe SSD: 1—7 GB/s (závisí na verzi PCIe, např. 3.0 ×4 vs. 4.0 ×4)

Vidíme, že nároky na propustnost se liší o mnoho řádů; chce to různá řešení připojení.

Interní propojení v počítači

Vývoj čipových sad

Historie: Základní desky počítačů měly více jednoúčelových čipů tvořících ucelený systém — čipovou sadu (chipset):

DMA řadič
Paměťový řadič
Řadič přerušení
Řadič sběrnice
Síťový řadič
Generátor hodinových signálů

Koncentrace čipové sady

Od 80. let snaha výrobců PC o standardizaci čipových sad
Výhody: kompatibilita mezi výrobci, obvodové zjednodušení, vyšší výkon, nižší spotřeba

Rozdělení na Northbridge a Southbridge

Postupná konsolidace do Northbridge a Southbridge:
Northbridge
rychlejší zařízení jako CPU, RAM, GPU
Southbridge
pomalejší zařízení jako Ethernet, USB, zvuk

Northbridge a Southbridge na základní desce

Označení NB a SB se používá pro počítače typu "PC", tedy s procesory Intel x86(-64).

Další vývoj

Koncentrace pokračuje (2009 a dále: Nehalem):

Novější procesory Intel integrují řadiče paměti a rozhraní pro grafické procesory do sebe
Pro oba čipy NB a SB už není místo a jsou nahrazeny jediným: Platform Controller Hub (PCH).
V současnosti čipové sady pro procesory Intel vyrábí firmy AMD, Intel, VIA Technologies a Zhaoxin.

Platform Controller Hub

PCI Express

(PCIe) Sériová sběrnice (obousměrný přenos)
iniciátorem Intel, více: http://www.pcisig.com

1.x	2,5 GHz, 8/10b
3.x	8 GHz, 128/130b
5.0	až 32 GB/s

Sloty PCI Express

PCIe x16, x1, PCI-X
Rozdíly ve velikosti a účelu
Sloty se liší fyzicky i elektricky

Propojení CPU, RAM, GPU: od FSB k QPI

Dříve sběrnicí Front-Side Bus od CPU přes rozhraní Northbridge
Dnes přímo paměťový řadič v CPU
Intel: QuickPath Interconnect (QPI)
AMD: HyperTransport → Infinity Fabric → Infinity Architecture

Rozhraní úložišť

Protokol, sběrnice a provedení

SATA, SAS a NVMe určují způsob komunikace s úložištěm.
PCI Express je sběrnice, po které se typicky přenáší NVMe.
M.2 je fyzické provedení modulu a konektoru, nikoli komunikační protokol.
Disk M.2 proto může používat buď SATA/AHCI, nebo PCIe/NVMe; rozhoduje konkrétní modul i slot.
U externího boxu se k rozhraní disku přidá převodník na USB nebo Thunderbolt.

Interní rozhraní úložišť

Rozhraní	Typické zařízení	Přenos	Jmenovité maximum	Poznámka
PATA / IDE	starší HDD a optické mechaniky	paralelní ATA, plochý kabel	133 MB/s (ATA/133)	zastaralé; na jednom kabelu bývala dvě zařízení
SATA III	HDD, 2,5″ SSD, optické mechaniky	sériové, obvykle AHCI	6 Gb/s; SSD prakticky asi 550 MB/s	jedno zařízení na port; zpětná kompatibilita SATA
SAS	serverové HDD a SSD	sériové, full-duplex, dvouportové	12 nebo 24 Gb/s na linku podle generace	vyšší spolehlivost a dostupnost; řadič SAS obvykle obslouží i SATA disk
NVMe přes PCIe	moderní SSD	PCIe, obvykle 4 linky	podle generace PCIe a počtu linek	nízká latence a mnoho paralelních front; M.2 je jen jedno z možných provedení

Rozhraní

Typické zařízení

Přenos

Jmenovité maximum

Poznámka

PATA / IDE

starší HDD a optické mechaniky

paralelní ATA, plochý kabel

133 MB/s (ATA/133)

zastaralé; na jednom kabelu bývala dvě zařízení

SATA III

HDD, 2,5″ SSD, optické mechaniky

sériové, obvykle AHCI

6 Gb/s; SSD prakticky asi 550 MB/s

jedno zařízení na port; zpětná kompatibilita SATA

SAS

serverové HDD a SSD

sériové, full-duplex, dvouportové

12 nebo 24 Gb/s na linku podle generace

vyšší spolehlivost a dostupnost; řadič SAS obvykle obslouží i SATA disk

NVMe přes PCIe

moderní SSD

PCIe, obvykle 4 linky

podle generace PCIe a počtu linek

nízká latence a mnoho paralelních front; M.2 je jen jedno z možných provedení

Externí připojení úložišť

Rozhraní	Jmenovitá rychlost	Typické použití	Omezení a poznámky
USB	podle verze USB, od 5 do 80 Gb/s	flash disky, externí HDD/SSD, dokovací stanice	rychlost omezuje nejslabší z hostitele, kabelu, boxu a samotného disku
Thunderbolt	40 Gb/s u Thunderbolt 3/4; Thunderbolt 5 nabízí 80 Gb/s obousměrně a až 120 Gb/s ve směru k displejům	rychlé NVMe boxy a profesionální doky	tuneluje PCIe; konektor USB-C sám o sobě podporu Thunderbolt nezaručuje
eSATA	až 6 Gb/s	starší externí SATA disky	nepřenáší běžně napájení a dnes je prakticky nahrazeno USB

Rozhraní

Jmenovitá rychlost

Typické použití

Omezení a poznámky

USB

podle verze USB, od 5 do 80 Gb/s

flash disky, externí HDD/SSD, dokovací stanice

rychlost omezuje nejslabší z hostitele, kabelu, boxu a samotného disku

Thunderbolt

40 Gb/s u Thunderbolt 3/4; Thunderbolt 5 nabízí 80 Gb/s obousměrně a až 120 Gb/s ve směru k displejům

rychlé NVMe boxy a profesionální doky

tuneluje PCIe; konektor USB-C sám o sobě podporu Thunderbolt nezaručuje

eSATA

až 6 Gb/s

starší externí SATA disky

nepřenáší běžně napájení a dnes je prakticky nahrazeno USB

Konkrétní sběrnice a rozhraní

video, audio a multimediální přenosy,
Universal Serial Bus (USB),
napájení a nabíjení přes USB,
průmyslové a IoT sběrnice,
bezdrátová propojení.

Video, audio a multimediální přenosy

Přenos obrazového signálu

Analogový přenos	TV-out, Video-out: klasické přenosy z éry analogové videotechniky: televize, analogové videokamery, rekordéry, přehrávače
Počítačové video	VGA a mnoho starších analogových standardů na připojení PC k monitorům
DVI	digitální přenos videa bez zvuku, dodnes se občas mezi vstupy monitorů objeví
HDMI	digitální přenos videa, audia a řídicích signálů v jednom, nejpoužívanější pro PC i spotřební elektroniku
DisplayPort	nejpokročilejší (vedle HDMI), využívá paketový přenos videa/audia
Thunderbolt	kombinované rozhraní pro audiovizuální a datové přenosy

TV-out

v dřevních dobách se často zejména u domácích počítačů připojovaly pro zobrazování televizory
běžným analogovým modulovaným televizních signálem (jako by počítač "vysílal" na některém kanálu místo televize)

Obr. 2. Obvykle koaxiální anténní kabel

Video-out

přenášel se kompletní (composite) nebo složkový analogový videosignál podobně jako třeba z videopřehrávače, kamery průmyslové televize atd.
Kompozitní signál se označoval také jako CVBS [Composite Video Baseband Signal] (nebo z angl. color, video, blanking, sync).
Zvuk se musí přenášet zvlášť, většinou dva další stejné kabely pro L+P stereo kanály.

Obr. 3. Tenký koaxiální kabel se žlutým konektorem "cinch"

Skutečně "počítačové" zobrazování

Po éře starších adaptérů a rozhraní, jako byly CGA, EGA či Herkules, se zásadněji ujal standard VGA:

VGA	Video Graphics Array (IBM, 1987) je standard grafického adaptéru využívající pro přenos obrazu ještě analogový signál, přičemž používá D-Sub DE-15 konektor. Konektory pro VGA naleznete často i na dnešních nebo nedávných monitorech.

Obr. 4. VGA a připojení D-Sub 15 konektorem v modernějších obměnách stále přežívá.

Digitální přenos obrazu: přehled

DVI	Digital Video Interface (1999) pro digitální přenos obrazu, ne zvuku. Zvuk se přenáší extra kablíkem do reproduktorů nebo monitoru.
HDMI	High-Definition Multimedia Interface (2003) pro digitální přenos obrazu i zvuku do rozlišení 8K@60 Hz (HDMI 2.1). Univerzální na PC i v domácích spotřebičích (TV, herní konzole). Přestože HDMI je rozšířenější i mimo svět počítačů, kvůli licenčním poplatkům nezřídka na monitorech nebo výstupech počítačů nalezneme spíše rozhraní DVI nebo DisplayPort, viz dále. Existuje i v provedení Mini HDMI.
DisplayPort	(2006) pro digitální přenos obrazu i zvuku do rozlišení 8K@60 Hz (DP 1.4), až 16K (DP 2.0). Podpora vícemonitorových konfigurací přes jeden kabel (Daisy chaining). Otevřený standard bez licenčních poplatků. Existuje i v provedení Mini-DP.

DVI (1)

Digitální video rozhraní (Digital Visual Interface)
Podpora digitálního (DVI-D) i analogového signálu (DVI-A), případně kombinace (DVI-I)
Maximální rozlišení až 2560×1600 (dual-link)
Nepřenáší zvuk ani síťová/USB data
Konektor s 24+1 piny (single-link), nebo 24+5 (dual-link)
Přímá kompatibilita s HDMI pomocí jednoduché redukce (bez převodníku)

DVI (2)

Obr. 5. O DVI rozhraní, konektorech a typech kabelů

HDMI

Jedná se o poměrně letitý standard pro přenos audiovizuálního výstupu po kabelových linkách jak ve světě počítačů a herních konzolí, tak audio/videozařízeními spotřební elektroniky (televizory, kamery, přehrávače, rekordéry).
HDMI 1.0 je z roku 2003, zakladatelskými společnostmi byly Hitachi, Matsushita (nyní Panasonic), Maxell, Philips, Silicon Image (nyní Lattice Semiconductor), Sony, Thomson (nyní Vantiva) a Toshiba, později Intel.
Od té doby byl přijat širokou škálou výrobců, viz HDMI.org.
Na světě se t.č. prodalo více než 10 miliard zařízení s podporou HDMI.

Možnosti HDMI

Kromě digitálního přenosu video a audio signálu disponuje HDMI kabel řídicím kanálem Display Data Channel (DDC), což je komunikační kanál na bázi I²C sériové linky definovaný jako VESA standard.
Přes něj cílové obvykle zobrazovací zařízení (například monitor) posílá zdroji signálu (například počítači) údaje o akceptovaných formátech audia a videa.

HDMI velikosti konektorů

Obr. 6. Velikosti HDMI konektorů

Starší standardy HDMI 1.x

HDMI 1.0	Maximální frekvence pixelového hodinového signálu (pixel clock) je 165 MHz, což postačuje pro rozlišení 1080p a WUXGA (1920×1200)@60 Hz.
HDMI 1.3	Verze tuto hodnotu zvyšuje na 340 MHz, což umožňuje přenos vyššího rozlišení například WQXGA, 2560×1600 @60 Hz prostřednictvím jediného digitálního spoje.

Rozlišení videa přes HDMI

Obr. 7. Rozlišení podporovaná HDMI rozhraními

Nové standardy HDMI 2.x

Kabel Ultra High Speed HDMI byl uveden ve specifikaci HDMI 2.1 a na trh vstoupil v roce 2020. Je určen pro konfigurace s přenosovou rychlostí až 48 Gbps.
Specifikace HDMI 2.2 umožňuje přenosovou rychlost až 96 Gbps a využívá novou technologii HDMI Fixed Rate Link. Podporuje širokou škálu zařízení a rozlišení až 4K240 a 8K60 (nekomprimovaně, s 10/12bitovou barevnou hloubkou), včetně 10K, 12K a 16K.

Nové standardy HDMI 2.x (2)

Nový kabel Ultra96 HDMI podporuje až 96 Gbps a je jediným kabelem, který podporuje všechny aplikace podle specifikace HDMI 2.2. Má velmi nízké EMI rušení, je zpětně kompatibilní se stávajícími HDMI zařízeními a je součástí certifikačního programu Ultra Cable Certification Program.
Označení Ultra96 mohou výrobci používat pro zařízení, která splňují požadavky HDMI 2.2 a podporují maximální propustnost 64 Gbps, 80 Gbps nebo 96 Gbps. Použití kabelu Ultra96 HDMI je v takovém případě nutné pro zajištění plné šířky pásma.

DisplayPort (1)

Reakce na potřebu a výrazně vyšších rozlišení (4K, 8K) s vysokými obnovovacími frekvencemi 60 Hz a více.
DisplayPort (DP) je standard udržovaný Video Electronics Standard Association (VESA)
Výrobci pro jeho použití musejí být členy VESA (za fixní poplatek).
Pak dostanou přístup k plné specifikaci a nemusejí platit royalties za každý kus výrobku s DP, jak tomu je u HDMI.

DisplayPort (2)

DisplayPort je první zobrazovací rozhraní, které spoléhá na paketový přenos dat, který je používán u technologií jako je Ethernet, USB a PCI Express.

https://www.extremetech.com/computing/84094-an-inside-look-at-displayport-v12
— Inside Look at DisplayPort 1.2

Vlastnosti

Na rozdíl od komunikačních standardů jako Ethernet a USB používá DisplayPort menší velikost paketů, která je optimalizovaná pro přenos obrazu a zvuku. Tyto pakety se nazývají mikropakety.
DisplayPort přenáší konkrétní obrazový obsah do konkrétního zobrazovacího zařízení pomocí mikropaketů, které jsou cíleně směrovány k danému zařízení.
DisplayPort verze 1.2 umožňuje podporu až 53 nezávislých obrazových toků, a to prostřednictvím různých proudů mikropaketů.
Podporováno je také více zvukových toků současně.

Aktuální verze DisplayPort 2.1a, b

Roku 2022 byl oznámen standard DisplayPort 2.1 později vylepšený do 2.1a (dovolující délku kabelu 2 m oproti 1 m u 2.1) a 2.1b
Špičkové soudobé monitory pro herní, multimediální a grafické účely nabízejí rozlišení 4K s obnovovací frekvencí až 240Hz.
Připojení DP2.1a eliminuje potřebu DSC (Display Stream Compression) a umožňují plné 4K@240Hz zobrazení.

DisplayPort 2.1a, b

Momentální absolutní špička v přenosových rychlostech a tím dosažitelných rozlišení, obnovovacích frekvencí a počtu připojených displejů:

UHBR20 (Ultra-high Bit Rate 20) poskytuje nejvyšší šířku pásma, podporuje 80 Gbps, což je 2,5krát více než DisplayPort 1.4a (HBR3).
Lze zobrazovat 4K@240Hz, 1440P@500Hz, duální 4K@120Hz a čtyři 4K@60Hz bez potřeby DSC.
Nebo taky extrémní 16K (15360 x 8640) při obnovovací frekvenci 60 Hz.

Kabely pro DisplayPort

Připojení displejů na DP výstupy vyžaduje pro vyšší úrovně odpovídající kabely certifikované na příslušnou propustnost:

Označení	Režim	Maximální přenosová rychlost
DP40	UHBR10	40 Gbps
DP54	UHBR13.5	54 Gbps
DP80	UHBR20	80 Gbps

Označení

Režim

Maximální přenosová rychlost

DP40

UHBR10

40 Gbps

DP54

UHBR13.5

54 Gbps

DP80

UHBR20

80 Gbps

Kombinované rozhraní Thunderbolt

Thunderbolt je obchodní značka hardwarového rozhraní pro připojení externích periferií k počítači.
Vyvinula jej společnost Intel ve spolupráci s firmou Apple.
Původně byl vyvíjen pod názvem Light Peak a poprvé se objevil v koncovém produktu 24. února 2011.
Thunderbolt kombinuje PCI Express (PCIe) a DisplayPort (DP) do dvou sériových signálů a zároveň poskytuje stejnosměrné napájení skrze jediný kabel.

Thunderbolt

Jeden konektor může podporovat až šest periferií díky různým topologiím.
Thunderbolt 1 a 2 používají stejný konektor jako Mini DisplayPort (MDP).
Thunderbolt 3, 4 a 5 používají konektor USB-C a podporují i zařízení typu USB.

Universal Serial Bus (USB)

Univerzální sériová sběrnice určená pro propojení počítačů a periferií.
Umožňuje přenos dat a zároveň napájení zařízení pomocí jednoho kabelu.
Podporuje připojení až 127 zařízení.
Plnohodnotně nahradí většinu dříve používaných rozhraní:
Serial port, parallel port, game port, Apple Desktop Bus, PS/2 port i FireWire (IEEE 1394)

Verze a přenosové rychlosti

USB 1.1	1.5 Mb/s (Low Speed), 12 Mb/s (Full Speed)
USB 2.0	až 480 Mb/s (High Speed)
USB 3.0 / 3.1 Gen 1	až 5 Gb/s (SuperSpeed)
USB 3.1 Gen 2	až 10 Gb/s (SuperSpeed+)
USB 3.2	až 20 Gb/s (s využitím USB-C konektoru)
USB4	20, 40 nebo 80 Gb/s podle generace a schopností zařízení a kabelu

Konektory

USB-A, USB-B, Mini-USB, Micro-USB, USB-C

Existuje spousta využití až zneužití USB konektorů obvykle pro napájení nebo dobíjení různých drobných spotřebičů (holicí strojky, zastřihávače)

Vlastnosti

Plug and play	na rozdíl od starších rozhraní se u USB poprvé objevila možnost po připojení zařízení jej rozpoznat, nainstalovat či aktivovat příslušný specifický ovladač a inicializovat ho
Hot swapping	připojit/odpojit zařízení za chodu (starší připojení to nepodporovala a nedoporučovalo se zařízení pod napětím připojovat/odpojovat)
Stromová topologie	PC (host) → USB hub → zařízení
Podpora napájení periferií	v extrémním případě 100 až 240 W

USB-C

USB Type-C je moderním standardizovaným 24-pinovým provedením konektoru a kabeláže USB rozhraní.
Zaveden v roce 2014 s myšlenkou postupně nahradit starší konektory USB A, B, Mini-USB, ale také Lightning (Apple) a Mini-DV (rovněž většinou Apple).
USB Type-C je pouze označením provedení konektoru evt. kabeláže, nikoli samotného protokolu.
Spojuje rychlé datové přenosy, kombinovatelnost s paketovým přenosem video/audio (data + DisplayPort → Thunderbolt) a možnost napájení/dobíjení připojeného zařízení.
Nikoli každý kabel s USB-C koncovkou výše uvedené funkcionality dovoluje.

USB4: architektura

Oficiální název je USB4, nikoli USB 4 ani USB 4.0.
První specifikaci zveřejnilo USB Implementers Forum v roce 2019; USB4 Version 2.0 zvýšila maximum na 80 Gb/s.
Jedno vysokorychlostní propojení lze dynamicky sdílet mezi USB daty, DisplayPortem a dalšími tunelovanými protokoly.
Zpětná kompatibilita umožňuje připojit starší USB zařízení, avšak jen s jejich vlastnostmi a rychlostí.

USB4: rychlost a konektor

USB4 pracuje s jmenovitými rychlostmi 20, 40 nebo 80 Gb/s .
Používá výlučně konektor USB-C; stejný tvar konektoru ale nezaručuje podporu USB4.
Skutečné možnosti určuje společně hostitel, zařízení a kabel.
Napájení se sjednává odděleně pomocí USB Power Delivery.

Obr. 8. USB Type-C

Napájení a nabíjení přes USB

Přehled standardů napájení a nabíjení

USB Battery Charging: starší std vymezující signalizaci, že zdroj je schopen dodat více proudu než je základ pro USB (5 V a 1,5 A).
USB Power Delivery: standard definující možnost přenosu elektrického výkonu pro napájení a dobíjení přístrojů připojených přes USB: tedy data i elektřina.

Bez vyjednání USB Power Delivery zůstává napětí nominálně 5 V. Povolený proud závisí na verzi USB, typu portu a signalizaci Battery Charging nebo USB Type-C; zařízení nesmí vyšší odběr pouze předpokládat.

USB Power Delivery (USB-PD)

USB PD do rev. 3.0: dovoluje po dohodě zdroje se zařízením napětí až 20 V a výkon až 100 W.
USB PD 3.1, EPR: přidává pevné úrovně 28, 36 a 48 V; maximum je 240 W (48 V / 5 A) a vyžaduje odpovídající kabel.

Příklady dalších standardů rychlého nabíjení

Huawei	SuperCharge
Motorola	TurboPower
Qualcomm	Quick Charge
Samsung	Adaptive Fast Charging

Průmyslové a IoT sběrnice

Použití průmyslových a IoT sběrnic

příjem dat z měřidel a senzorů fyzikálních veličin (proudu, napětí, teplot, tlaku, vlhkosti,…)
komunikace se speciálními přenosnými zařízeními (tokeny, klíče, paměťová média)
připojení tiskáren, plotterů
připojení digitálně řízených (NC) strojů
propojení větších výrobních celků (linek)

Sériové: přehled

RS-232	klasika od počítačového pravěku
RS-485	průmyslové vylepšení RS-232, používané dodnes
I²C	pro nízkorychlostní periferie, zkratka z Inter-Integrated Circuit
1-Wire	jednoduché sériové rozhraní pro tokeny, jednoduchá zařízení a IoT
SPI	synchronní sériové rozhraní v IoT

RS-232 ("sériový port")

RS-232 (také sériový port nebo sériová linka) se používá jako komunikační rozhraní zejména mezi počítači a jednoduššími periferními zařízeními, jako jsou myši.
RS-232 nicméně umožňuje vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn., bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou po jednom páru vodičů v každém směru.
RS-232 je tak bezkolizním fyzickým propojením.

Napěťové úrovně RS-232

datové signály	(tj. `RXD` a `TXD`) logická 0 je +3 V až +15 V, logická 1 je -3 V až -15 V
řídící signály	(tj. `RTS`, `CTS`, `DTR`, `DSR`, …) logická 0 je -3 V až -15 V, logická 1 je +3 V až +15 V

RS-422 a RS-485 (EIA-485)

RS-422 a RS-485 jsou novějšími modifikacemi původního sériového rozhraní RS-232.
RS-485 umožňuje přenos na maximální vzdálenost až 1200 m.
RS-485 se dá použít na propojení 1 vysílače a až 31 přijímacích zařízení namísto prostého dvoubodového spoje.
RS-422 dovoluje plně duplexní (současnou obousměrnou) komunikaci.
RS-485 využívá dvou vodičů (plus GND) a RS-422 čtyř — pro každý směr jeden pár vodičů.

I²C

Zkratka je z Inter-Integrated Circuit ("I-square-C"), vyvinuto u Philips.
Jde o synchronní sběrnici pro nízkorychlostní periferie.
Umožňují na jedné sběrnici až 128 zařízení.
Propojení se děje dvěma obousměrnými signály SDA (data), SCL (hodiny) + napájením (V_dd, GND).
Spol. Atmel (nyní Microchip) označuje fakticky stejnou sběrnici jako TWI (Two Wire Interface).

I²C: příklad čtení registru

1-Wire

Jednoduché sériové rozhraní vyvinuté firmou Dallas Semiconductor a později spravované Maxim Integrated, který je od roku 2021 součástí Analog Devices.
Po jednom datovém vodiči komunikuje jedno řídicí zařízení s jedním nebo více podřízenými zařízeními.
Typické je levné připojení identifikačních čipů, senzorů a malých pamětí.

Obr. 9. iButton používající připojení 1-Wire

Zapojení a napájení 1-Wire

Datový vodič má pull-up rezistor; řadič i zařízení používají výstupy open-drain a mohou jej pouze stáhnout do nízké úrovně.
Úroveň napětí určují použité součástky, typicky jde o 3,3 nebo 5 V.
Přes název „1-Wire“ je vedle datového vodiče nutné společné uzemnění (GND).
Některá zařízení lze napájet parazitně z datového vodiče; při vyšším odběru nebo delším vedení se používá samostatné napájení.

Komunikace po 1-Wire

Komunikace probíhá tak, že řídicí nebo podřízené zařízení krátce stáhne sběrnici do nízké úrovně (LOW), tj. připojí výstup svého MOSFETu k zemi, čímž překlene pull-up rezistor.
V klidovém stavu drží pull-up rezistor datový vodič v logické jedničce (HIGH).
Přenosová rychlost může dosáhnout až 16,3 kbps.
K dispozici je také režim overdrive, který zvyšuje rychlost komunikace přibližně 10násobně.

Použití 1-Wire

Často pro blízké kontaktní připojení různých tokenů (iButton) pro přístupové systémy, identifikaci, spínání.
Každé zařízení má unikátní 64bitový identifikátor (někdy nepřepsatelný, někdy ano).
Když spojení na delší vzálenosti, pak typicky kroucená dvojlinka (Twisted-pair),
ale lze prakticky cokoli, co má dva vodiče, ideálně s co nejnižším odporem, dle vzdálenosti.

Pokročilejší zařízení

Kryptografické čipy	DS1963S: 512-bit SHA-1, aplikace v autentizaci s nekopírovatelnými klíči.
Teplotní čidla	DS18B20: digitální teplotní senzor (9–12bit rozlišení) s rozsahem -55°C to +125°C.

Sériová EEPROM	DS28EC20: 1-Wire EEPROM s různou kapacitou pro ukládání nastavení, licenčních kódů apod.
Záznam hodnot	DS1923: logování teploty a vlhkosti např. v chladírenském řetězci
Hodiny reálného času	DS1904: iButton s RTC

Příklady EEPROM a RTC

Obr. 10. 20Kb Serial EEPROM Operates from Single-Contact 1-Wire Interface

Obr. 11. Hodiny reálného času, DS1904 iButton RTC

SPI

Serial Peripheral Interface
synchronní sériová sběrnice typu master/slave

Obr. 12. Obsluha více slave zařízení pomocí selekčních signálů (Slave Select)

M-Bus

Obr. 13. M-Bus síť

Open Metering System (OMS-Group) M-Bus: The Standard for Remote Reading of Smart Meters
Evropský standard (EN 13757-2 pro fyzickou vrstvu, EN 13757-3 pro aplikační vrstvu) pro vzdálený odečet měřičů energií (smart metering), který pomocí dvou vodičů obstará jak napájení, tak komunikaci.
viz též český popis https://automatizace.hw.cz/mbus-meterbus-zakladni-popis-komunikacniho-modelu

Princip komunikace na M-Bus

Brána M-Bus (master) vysílá jinak než měřidlo (slave).
Napětí na sběrnici je cca 36 V DC (H = logická 1), které při vysílání brány klesá na 24 V (L = logická 0).
Měřidla naopak vysílají změnou velikosti odebíraného proudu, jedno měřidlo má klidový odběr 1,5 mA (signalizuje tak logickou 1), zatímco nárůst na 11 až 20 mA udává logickou 0.

Rozsah sběrnice

Na jedné sériové sběrnici může být připojeno až 250 stanic.
Délka segmentu může být až 1000 m při rychlosti 300 baudů nebo
350 m při maximální rychlosti 9600 baudů.

Modbus

Modbus zaveden spol. Modicon (1979), později Schneider Electric (1997) a Modbus Organization (2004)
Otevřeně publikovaný a bez licenčních poplatků (royalty-free).
Vhodný pro průmyslové aplikace.
Relativně snadný na nasazení a údržbu.
Má minimální omezení na formát přenášených dat.
Modbus existuje v několika variantách podle typu přenosového média a protokolu.

Obr. 14. Modbus

Modbus RTU

Varianta pro místní průmyslové sítě například uvnitř areálu
Běží přes sériovou linku (např. RS-485 nebo RS-232)
Data jsou kódována binárně (kompaktní a efektivní)
Přesná časování – důležité pro spolehlivost komunikace
Vhodné pro prostředí s malým rušením a krátkými vzdálenostmi

Modbus over TCP/IP

Běží přes Ethernet/IP sítě
Data jsou přenášena v rámci TCP/IP rámců
Vyšší flexibilita, možnost připojení přes LAN/WAN
Lepší pro vzdálené monitorování, moderní SCADA a IoT aplikace
Použití tam, kde netřeba přesné časování

Bezdrátová propojení

Přehled bezdrátových propojení

IrDA	infračervený přenos (dálkové ovladače)
Bluetooth	rádiový datový přenos na 2.4 GHz (audio, data)
RFID	identifikace zboží, přístupové systémy
NFC	sofistikovaná výkonná komunikace na velmi krátkou vzdálenost (platební čipy)

Záměrně zde neprobíráme počítačové sítě a jejich technologie.

IrDA

Infračervený přenos: LED (nebo laserová LED) ve vysílači, fotodioda v přijímači.
Rychlosti (IrDA 1.0) jsou 2400 bps—115,2 kbps.
Až 1 Gbps (Giga-IR)
Krátký dosah, vyžaduje přímou viditelnost

IrDA modulace, formát

Pulzní modulace (LED nemůže svítit stále plným výkonem), např. 3/16 délky bitu
Formát dat je jako při sériovém přenosu (asynchronní přenos se start bitem).
Specifikace zdarma na https://www.irda.org/standards/specifications

Obr. 15. Modulace a formát dat IrDA

Použití IrDA: minitiskárna naměřených dat

Obr. 16. Termotiskárna s IrDA připojením

Bluetooth

Bezdrátová (rádiová) komunikace v pásmu 2.4 GHz
Dosah: 10 / 50 / 100 / až 400 m (verze 5)
Propojuje PC, mobily, sluchátka, tiskárny, myši
Nevyžaduje přímo viditelnost
Částečně kompatibilní s NFC, viz dále

Bluetooth LE (BLE)

Bluetooth Low Energy je od Bluetooth 4.0 úsporná varianta určená hlavně pro senzory, majáky, nositelnou elektroniku a ovládací prvky.
Pracuje v pásmu 2,4 GHz na 40 kanálech; povinná je fyzická vrstva LE 1M, volitelné jsou rychlejší LE 2M a LE Coded s delším dosahem.
Zařízení může vysílat krátká advertising data bez spojení nebo navázat spojení rolí central a peripheral.
Aplikační data se obvykle organizují pomocí služeb a charakteristik protokolu GATT.
BLE není totéž co Bluetooth Classic; obě varianty mohou podporovat takzvaná dvourežimová zařízení. Bluetooth Mesh je samostatné síťové řešení nad BLE.

RFID

Radio Frequency Identification
Původně jako chytrá náhrada čárového kódu (barcode) na zboží, kdy je možná identifikovat nejen typ výrobku (a výrobce), ale i každý kus.
Operuje se v různých frekvenčních pásmech podle toho, co dovoluje regulativa v dané zemi.

Identifikace čipů

EPC Electronic Product Code jako 96bitové unikátní číslo na RFID čipu:
přiděluje se centrálně výrobcům, každý obdrží svou číselnou řadu,
až 268 milionů výrobců (28 bitů, identifikace výrobce),
každý 16 milionů druhů výrobků (24 bitů, pro třídy),
v každé třídě prostor pro 68 miliard sériových čísel (36 bitů, pro kusy výrobků).

Použití u zboží

Pasivní UHF tag s kódem EPC se připevní na kus, balení, karton nebo paletu.
Pevné čtečky u bran a dopravníků nebo ruční terminály načtou více tagů bez přímé viditelnosti.
Mezivrstva odfiltruje opakovaná čtení a přiřadí událost ke konkrétnímu místu a procesu.
Informační systém, například podle standardu EPCIS, zaznamená co, kdy, kde, proč a jak se se zbožím stalo.
Využití zahrnuje příjem a expedici, inventuru, dohledatelnost šarží, ochranu proti záměně a automatické doplňování skladu.
Tag obvykle nenese celou kartu výrobku: identifikátor odkazuje na podrobná data v podnikovém nebo sdíleném systému.

Design systému

Jednotlivé kusy (výrobky, ale třeba i klíče/čipy pro otvírání dveří) jsou označeny pomocí tagů (tags, labels),
čtečka RFID je obousměrným radio-vysílačem-přijímačem označovaným také jako interrogator, - čtečka pošle signál tagu a přijme od něj odpověď,
v případě aktivního RFID tagu může tag periodicky vysílat i sám (musí být pak vybaven baterií)

Složení tagu

Tag se skládá z čipu a antény:

čip obsahuje identifikační kód + evt. další data,
přijímač a vysílač signálu,
anténa, pro příjem, vysílání, ale i nashromáždění energie v případě pasivního tagu.

RFID v pásmu LF

LF systémy pracují nejčastěji v oblasti 125—134,2 kHz.
Mají krátký dosah, zpravidla centimetry až desítky centimetrů, a nižší přenosovou rychlost.
Relativně dobře snášejí blízkost vody a biologických tkání.
Použití: identifikace zvířat, imobilizéry automobilů a jednoduché přístupové systémy.

RFID v pásmu HF

HF RFID pracuje na 13,56 MHz; do této rodiny patří i technologie NFC.
Typický dosah je od několika centimetrů do přibližně jednoho metru podle standardu, antény a výkonu čtečky.
Použití: bezkontaktní karty, knihovny, identifikace předmětů a NFC aplikace.
Vazba je převážně magnetická, proto jsou antény čtečky a tagu obvykle tvořeny cívkami.

RFID v pásmu UHF

UHF RFID používá podle regionu přibližně 860—960 MHz.
Pasivní tagy lze za vhodných podmínek číst na vzdálenost několika metrů a ve větších skupinách.
Použití: logistika, skladové inventury, evidence majetku, výrobní linky a maloobchod.
Dosah silně ovlivňuje orientace antény, okolní kov, kapaliny, povolený vysílací výkon a regionální kmitočtové pásmo.

NFC

Near-Field Communication vznikl rozšířením a vylepšením RFID,
realizuje komunikaci na velmi krátkou vzdálenost (do 4 cm), výjimečně u specifických standardů do 1,5 m,
pracuje v pásmech 13,56 MHz na ISO/IEC rádiovém rozhraní,
s přenosovými rychlostmi od 106 kbit/s do 424 kbit/s,
je definován mezinárodními standardy ISO/IEC 14443, japonským (Sony) JIS X 6319 pod názvem FeliCa a ISO/IEC 15693

Přehled bezdrátových technologií

Krátký dosah: Wi-Fi, Bluetooth a Zigbee

Technologie	Využití	Dosah	Spotřeba	Rychlost	Typ sítě
Wi-Fi	Domácnosti, kanceláře, průmysl	~50–100 m	Vysoká	Vysoká (až stovky Mbps)	LAN
Bluetooth / BLE	Nositelná zařízení, krátké přenosy	~10–100 m (BLE méně)	Nízká (BLE velmi nízká)	Nízká–střední	PAN
Zigbee	Automatizace domácnosti, průmysl	~10–100 m (mesh síť)	Nízká	Nízká (až 250 kbps)	Mesh

Technologie

Využití

Dosah

Spotřeba

Rychlost

Typ sítě

Wi-Fi

Domácnosti, kanceláře, průmysl

~50–100 m

Vysoká

Vysoká (až stovky Mbps)

LAN

Bluetooth / BLE

Nositelná zařízení, krátké přenosy

~10–100 m (BLE méně)

Nízká (BLE velmi nízká)

Nízká–střední

PAN

Zigbee

Automatizace domácnosti, průmysl

~10–100 m (mesh síť)

Nízká

Nízká (až 250 kbps)

Mesh

Mesh a LPWAN: Z-Wave, LoRaWAN a Sigfox

Technologie	Využití	Dosah	Spotřeba	Rychlost	Typ sítě
Z-Wave	Domácí automatizace	~30–100 m	Nízká	Nízká (až 100 kbps)	Mesh
LoRa / LoRaWAN	Dálkový monitoring, senzory	~2–15 km (i víc)	Velmi nízká	Velmi nízká (až 50 kbps)	LPWAN
Sigfox	Jednoduché senzory, vzdálené oblasti	~10–50 km	Velmi nízká	Velmi nízká (až 100 bps)	LPWAN

Technologie

Využití

Dosah

Spotřeba

Rychlost

Typ sítě

Z-Wave

Domácí automatizace

~30–100 m

Nízká

Nízká (až 100 kbps)

Mesh

LoRa / LoRaWAN

Dálkový monitoring, senzory

~2–15 km (i víc)

Velmi nízká

Velmi nízká (až 50 kbps)

LPWAN

Sigfox

Jednoduché senzory, vzdálené oblasti

~10–50 km

Velmi nízká

Velmi nízká (až 100 bps)

LPWAN

Mobilní a IP sítě: NB-IoT, 5G a Thread

Technologie	Využití	Dosah	Spotřeba	Rychlost	Typ sítě
NB-IoT / LTE-M	Průmyslové IoT, měřiče, infrastruktura	Všude, kde je mobilní signál	Nízká	Nízká–střední	Mobilní (cellular)
5G (NR)	Průmyslové aplikace, vozidla, města	~100 m až kilometry	Střední–vysoká	Vysoká (až Gb/s)	Mobilní (cellular)
Thread	Chytrá domácnost, IPv6 zařízení	~10–100 m (mesh)	Nízká	Nízká–střední	Mesh (IP)

Technologie

Využití

Dosah

Spotřeba

Rychlost

Typ sítě

NB-IoT / LTE-M

Průmyslové IoT, měřiče, infrastruktura

Všude, kde je mobilní signál

Nízká

Nízká–střední

Mobilní (cellular)

5G (NR)

Průmyslové aplikace, vozidla, města

~100 m až kilometry

Střední–vysoká

Vysoká (až Gb/s)

Mobilní (cellular)

Thread

Chytrá domácnost, IPv6 zařízení

~10–100 m (mesh)

Nízká

Nízká–střední

Mesh (IP)

Na další kapitolu: Grafické adaptéry, zobrazovací jednotky, GPU

HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu

Northbridge	rychlejší zařízení jako CPU, RAM, GPU
Southbridge	pomalejší zařízení jako Ethernet, USB, zvuk