Hardware

1. Výpočetní technika II Hardware Sběrnice

2. Obsah přednášky • Sběrnice – definice • Sběrnicová architektura PC • Synchronní a asynchronní sběrnice • Sběrnice – přidělování • Sběrnice požívané v PC

3. Sběrnice • Sběrnice tvoří spojovací systém počítače • Slouží ke komunikaci jednotlivých částí počítače • Definice: Sběrnice je tvořena soustavou vodičů, budičů a přijímačů, které umožňují komunikaci mezi dvěma a více jednotkami pomocí datových, adresových, řídicích a stavových signálů.

4. Synchronní a asynchronní sběrnice • Problém (na straně přijímače): kdy vyhodnocovat signál, • aby to bylo vždy, když vysílač vyšle jednu hodnotu, • aby to nebylo zrovna v okamžiku, kdy dochází ke změně signálu (hodnoty). • Řešení: • pevné intervaly dané zdrojem časových pulzů o určité frekvenci – synchronní sběrnice, • řízení přenosu vysílačem, přijímačem nebo oběma současně – asynchronní sběrnice.

5. Parametry sběrnic • Sběrnice lze identifikovat propojovanými moduly (např. CPU–Memory) • Nejdůležitější parametry jsou • rychlost přenosu (množství přenesených dat za jednotku času) • přístupová doba (doba čekání na přístup ke sběrnici) • doba odezvy připojeného zařízení • chování připojeného zařízení (IN/OUT, R/W)

6. Sběrnicové hierarchie • Různé I/O jednotky mají různou přenosovou rychlost, která se liší až v řádu milionů (displej/klávesnice) • Proto je použití jedné sběrnice velmi neefektivní • Pro různé skupiny komponent počítače používáme různé druhy sběrnic

7. Parametry sběrnic • Počet přenesených bitů v jednom taktu nebo najednou (šířka sběrnice): • 1 – sériová sběrnice • 8, 16, 32, 64 – paralelní sběrnice • Frekvence sběrnice (pouzeu synchronních – např. v MHz) • Rychlost (propustnost) sběrnice – např.v MB/s (zpravidla součin šířky a frekvence)

8. Zařízení připojená sběrnicemi jednotka chování partner přenos. rychl. (kB/s) klávesnice I člověk 0,01 myš I člověk 0,02 skener I člověk 10 000 laserová tiskárna O člověk 10 000 grafický display O člověk 1 000 000 síť LAN I, O stroj 10 000 pevný disk R, W stroj 50 000

10. Paralelní sběrnice • Skládá se z několika desítek vodičů, které lze rozdělit do tří skupin: • datová část sběrnice – šířka (tzn. počet vodičů) určuje, kolik dat lze přenést najednou (v jednom taktu) • adresová část – šířka n definuje max. velikost použitelné paměti (2n B) • řídicí část sběrnice

11. Typické vodiče: memory write (zápis do paměti), memory read (čteníz paměti), I/O write (zápis dat na I/O zařízení), I/O read (čtení dat z I/O zařízení), transfer acknowledge (potvrzení o převzetí dat ze sběrnice nebo o uložen dat na sběrnici), bus request (žádosto sběrnici), bus grant (udělení sběrnice), interrupt request (žádosto přerušení) interrupt acknowledge (potvrzení žádostio přerušení) clock (hodinové pulzy – synchronizují činnost sběrnice) Řídicí sběrnice

12. M = master (řídí komunikaci) S = slave Synchronní přenosčtení dat

13. Synchronní přenoszápis dat • M = master (řídí komunikaci) • S = slave

14. Asynchronní přenos 1/2 • Řízený jednostranně – zdrojem (Source) nebo příjemcem (Acceptor) datová sběrnice data data data platná žádost o data řídicí sběrnice Řízený příjemcem Řízený zdrojem

15. Asynchronní přenos 2/2 • Řízený oboustranně — navíc i potvrzovací signál

16. Rozhodování • Rozhodování o přidělení sběrnice je základní úlohou při jejím řízení • Využívá se při současné žádostio sběrnici z více jednotek

17. Klasifikace rozhodování CENTRÁLNÍ DECENTRALIZOVANÉ PRIORITNÍ SPRAVEDLIVÉ

18. Centrální řízení • Používá centrální rozhodovací jednotku (arbiter, bus controller) • Spravedlivé rozhodování – podle pořadí žádostí nebo cyklicky nebo náhodně • Pokud rozhoduje prioritně – prioritní dekodér – oznámí jednotce s nejvyšší prioritou, že získala sběrnici

19. Prioritní dekodér • Oznamuje buď • vyzýváním – na datovou (nebo adresovou nebo rozhodovací) sběrnici vyšle číslo vítěze • pomocí speciálního vodiče přímok jednotce

20. Centrální řízení

21. Decentralizované řízení • Prioritní linkou – prioritní – priority dané pořadím zapojení: • Cyklické (token) – zapojení do kruhu, jednotky si předávají příznak oprávnění, jednotka vlastnící tento příznak může přistupovat ke sběrnici (nebo jej pošle dál) • Pokud zařízení neuspěje, čeká náhodnou dobu

22. IRQ (Interupt Request) • Požadavek přerušení • IRQ jsou využívány některými zařízeními pro přerušení činnosti CPU. V okamžiku, kdy je takové přerušení vyvoláno, CPU přeruší svou dosavadní činnost a zavede obslužný program, který žádost o přerušení vyřídí. Tento mechanismus je nutný, protože některé akce v počítači nesnesou odklad. • Aby mohlo zařízení požádat o přerušení, musí mít na sběrnici přidělený vodič vyhrazený pouze pro něj (tzn. nelze sdílet 1 IRQ více zařízeními).

23. Standardní obsazení některých IRQ u PC AT IRQ Zařízení Poznámka 0 Časovač (timer) 1 Klávesnice 2 [Cascade] Pouze u počítačů AT se sběrnicí ISA. Slouží jako vstupní bod pro přerušení IRQ 8 až IRQ 15 3 COM 2 Druhý sériový port 4 COM 1 První sériový port 5 Volné/LPT 2 U počítačů XT obsazeno pevným diskem 6 Floppy disk Mechanika pružného disku 7 LPT 1 První paralelní port 8 Hodiny/Kalendář 9 VGA (SVGA) Videokarta, síťová karta nebo volné 10 a 11 Volné 12 PS/2 Myš nebo volné 13 FPU Numerický koprocesor 14 HDD Pevný disk – Primární EIDE kanál 15 HDD Pevný disk – Sekundární EIDE kanál nebo volné

24. DMA (Direct Memory Access) Channels • Kanály přímého přístupu do paměti jsou mechanismy využívané některými zařízeními k přenosu dat z/do hlavní paměti bez účasti procesoru počítače. • Umožňují zařízením a vnějším pamětem přenášet přenášet data přímo z/do operační paměti, aniž by se tím zatěžoval procesor. V opačném případě by totiž přenos mohl být velmi pomalý. Přenos řídí řadič DMA (DMA controller). • Výhody: • přenos je rychlejší, než když ho řídí procesor, • procesor se může věnovat jiným úlohám (přenášená data jím neprocházejí).

25. Vývoj sběrnic pro PC

26. Sběrnice PC bus • Od firmy IBM, pro počítače PC XT s procesorem 8086 • Celkem 62 vodičů • 8bitová datová část sběrnice, 20bitová adresová • 6 vodičů pro přerušení IRQ, 3 vodiče pro DMA • Centrálně řízená, frekvence až 8 MHz • Zařízení (rozšiřující karty) se připojují do tzv. slotů • Sloty zapojeny paralelně, je tedy jedno, kam zařízení připojíme

27. Sběrnice ISA(Industry Standard Architecture) • Opět od IBM, uvedena v roce 1981 pro 80286 • Dalších 36 vodičů • 16bitová datová a 24bitová adresová sběrnice • 8 MHz • Další 4 DMA kanály • Dalších 5 vodičů pro IRQ • Zpětná kompatibilita s PC bus (tzn. použitelnost starších karet)

28. Sloty sběrnice ISA (4×)a PC bus (1×)

29. Sloty sběrnic PC bus a ISA

30. Sběrnice MCA(MicroChannel Architecture) • Zavedena v roce 1987 firmou IBM pro počítače PS/2 • Nekompatibilní s ISA a EISA (viz dále) • 24 nebo 32bitová adresová sběrnice • 16 nebo 32bitová datová sběrnice • Frekvence až 10 MHz

31. EISA(Extended Industry Standard Architecture) • Rozšířená ISA, reakce 9 firem (např. Compaq, Epson, NEC, Olivetti) na MCA • Cíl: rychlejší sběrnice než ISA, ale kompatibilní • Datová i adresová část sběrnice mají 32 bitů • Z důvodu kompatibility s ISA pracuje na 8 MHz • Přenosová rychlost maximálně 32 MB/s • 62+36+59 vývodů

32. Rozmístění vývodů ISA a EISA

33. Sběrnice VL-BUS(VESA Local Bus) • Navržena v roce 1992 konsorciem VESA (Video Electronic Standards Association) pro počítačes procesorem 386 nebo 486 • 32bitová datová i adresová část sběrnice • Taktovaná frekvencí procesoru nebo podílem(1/2 nebo 1/3) – tedy 33–50 MHz • Přenosová rychlost kolem 132 MB/s • Na zákl. desce musí být i ISA • Závislá na typu procesoru (Intel) • Max. 3 připojená zařízení

34. Sběrnice PCI(Peripheral Component Interconnect) • Od firmy Intel pro procesory Pentium (verze 1.0 r. 1992, verze 2.0 r. 1993, verze 3.0 r. 2004) • Paralelní 32bitová (pro 80486) nebo 64bitová (pro Pentium) pracující na frekvenci 33 (od verze 2.1 až66) MHz • Propustnost 132 až 528 MB/s • Podporuje Bus Mastering (řízení sběrnice nejen procesorem – stejně jako MCA a EISA, ne však VL-BUS), podporuje Plug and Play (automat. konfigurace) • Nezávislá na frekvenci procesoru

35. Sběrnice PCIhttp://www.pcisig.com • K sběrnici se připojují zařízení dvou typů: • řídící zařízení sběrnice (bus masters) – zařízení schopná převzít řízení sběrnice a iniciovat přenos dat, • cílová zařízení (targets) – zařízení schopná data přijímat. • Moderní zařízení připojitelná na sběrnici PCI umožňují jak provoz jako master tak i jako target. • Sběrnice PCI je sběrnicí arbitrovanou, tzn. že součástí řadiče je řídicí obvod starající se o všechny přenosy na sběrnici. Rozhodování je prioritní, zařízení s menším číslem IRQ mají vyšší prioritu.

36. Sběrnice PCI • Přenosy po sběrnici jsou blokové. Nejprve se přenese adresa požadovaných dat (čtení) nebo jejich cílová adresa (ukládání) a poté se už jen posílají data z (na) následujících adres. • Blokové přenosy nemají v PCI pevně stanovenou délku (narozdíl od ostatních typů sběrnic, které vyžadují pevně stanovenou délku přenášených bloků). Přenos trvá tak dlouho, dokud jedno ze zařízení, ať už řídící nebo cílové, nepožádá o ukončení přenosu.

37. Sloty sběrnice PCI

38. Sběrnice PCI-X • Vytvořena v roce 1999 společnosti IBM, Hewlett-Packard a Compaq • Určena pro potřeby zařízení, která potřebovala velkou paměťovou propustnost – gigabitový ethernet, fibre channel, Ultra3 SCSI a nejvýkonnější grafika • 64bitová paralelní sběrnice kompatibilní s PCI • 66–533 MHz • Max. přenosová rychlost 4266 MB/s • Zpětně kompatibilní s PCI

39. Sběrnice PCI Express • Sériová sběrnice (pro současně probíhající obousměrný přenos) • Vytvoření inicioval Intel, frekvence 2,5 GHz, víc verzí • Hot Plug/Hot Swap – umožňuje vyjmutí karty za běhu počítače

40. Sběrnice PCI Express • Verze 2.0 přichází s frekvencí 5 GHz  zdvojnásobení propustnosti • Více o PCI, PCI-X a PCI Express: http://www.pcisig.com

41. Sloty sběrnice PCI Express

42. Zleva: slot PCIExpress x16, dva sloty PCIExpress x1 a slot PCI-X

43. Sloty PCI Express, PCI 2 krátké bílé: PCI Express x1 3 dlouhé bílé: PCI černý: PCI Express x16

44. Dosavadní vývoj sběrnic PCI od v. 1.0 po PCI-X a Express

45. FSB(FrontSide Bus) • Sběrnice pro přístup procesoru do operační paměti • Frekvence 66–100–133–200 MHz • Často se využívají obě hrany signálu (náběhová i sestupná) – efektivní frekvence je tedy např. 400 MHz při skutečné frekvenci 200 MHz. • Systémy s Pentiem 4 přenášejí v jednom cyklu např. 4 B, efektivní frekvence je tedy 800 MHz • Sběrnice PCI a AGP bývají taktovány zlomkem frekvence FSB (1/2, 1/3, 2/3, …) • BackSide Bus je pak sběrnice, která slouží k propojení procesoru s vyrovnávací pamětí druhé úrovně (L2 cache)

46. Pozice FrontSide Bus a BackSide Bus

47. Frekvence FSB a CPU – ukázka

48. AGP(Accelerated Graphics Port) • Sběrnice speciálně pro komunikaci s grafickou kartou • 32bitová, 66 MHz • Přenosová rychlost až 264 MB/s • Může pracovat přímo s operační pamětí • AGP 2× – využívá pro přenos dat náběhovou i sestupnou hranu taktovacího signálu • AGP 4× – přenos 16 B v jednom taktu (> 1 GB/s) • AGP 8× – přenos 32 B v jednom taktu

49. Sloty ISA, PCI, AGP

50. USB(Universal Serial Bus) • Vnější sériová sběrnice • Lze připojit až 127 zařízení (flash disk, myš, klávesnice, tiskárna, skener, digitální fotoaparát nebo kamera, ...) • Může sloužit i k jejich napájení • Až 12 Mb/s (spec. 1.1) • Až 480 Mb/s (spec. 2.0) • Později i bezdrátová verze USB Wireless: rychlost až 480 Mbit/s do vzdálenosti 3 m nebo až 110 Mbit/s do vzdálenosti 10 m • Více např zde: http://www.dsl.cz/clanky.php?clanek=567 • Oficiální stránky USB konsorcia: http://www.usb.org