Примери на CPU чипови и магистрали

1

Примери на CPU чипови и магистрали

Предавач: д-р Цвета МартиновскаФонд на часови: 2+2

2

Pentium 4

Pentium 4 е директен наследник на 8088 CPU (29 000 транзистори) кој е користен во IBM PC. Тој е промовиран во ноември 2000 година.

Тоа е CPU кој се состои од 42 милиони транзистори, работи на 1.5 GHz, со дебелина на проводниците меѓу транзисторите 0.18 микрони.

По 3 години Intel произвел чип со 55 милиони транзистори, со брзина 3.2 GHz и дебелина на проводниците од 0.09 микрони.

Pentium 4 е 32-битна машина. Ги има истите особини на ISA ниво од корисничка гледна точка како 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium Pro и Pentium III, вклучувајќи ги истите регистри, инструкции и on-chip имплементација на IEEE 754 стандардот за броеви со подвижна запирка.

Дополнително има нови инструкции за работа со мултимедијални апликации.

3

Pentium 4

Од хардверска перспектива Pentium 4 е 64-битна машина бидејќи може да пренесува податоци кон и од меморија во единици од 64 бита.

На ниво на микроархитектура Pentium 4 е различен од неговите претходници Pentium II, Pentium Pro и Pentium III кои користеле иста интерна микроархитектура P6.

Pentium 4 користи микроархитектура наречена Netburst која има подлабоко преклопување во проточното изведување инструкции, 2 ALU (кои работат на двојна clock фреквенција за да се изведат 2 инструкции по циклус) и поддржува hyperthreading.

Hyperthreading се реализира со 2 множества на регистри и други интерни ресурси кои овозможуваат Pentium 4 многу брзо да се пресвичува меѓу 2 програми како комјутерот да содржи 2 физички CPU.

Како и неговите претходници Pentium 4 може да изведува повеќе инструкции одеднаш со што тој претставува суперскаларна машина.

4

Pentium 4 Некои модели на Pentium 4 имаат 2 нивоа на кеш, а некои 3 нивоа. Сите модели имаат 8 KB on-chip SRAM L1 кеш. За разлика од L1 кешот на Pentium III кој само сместува bytes од

главна меморија, кај Pentium 4 инструкциите кои се земени од меморија се конвертираат до микро операции за извршување на RISC јадро. L1 кешот на Pentium 4 содржи 12 000 декодирани микро операции.

Второто ниво на кеш содржи до 256 KB меморија во постарите модели и 1 MB во новите. Во L2 кешот нема декодирање. Истите податоци од меморија се сместуваат во L2 кеш. Тој може да сместува истовремено и код и податоци.

Pentium 4 Extreme Edition има 2 MB ниво 3 кеш и подобри перформанси.

Кај Pentium 4 се користат 2 екстерни собирници, кои се синхрони. Мемориската собирница се користи за пристап до главната

(S)DRAM, PCI собирницата се користи за пристап до В/И уредите. На PCI собирницата може да се приклучи некоја од постарите собирници за да може да се приклучат постарите периферни уреди.

5

Pentium 4 Една значајна разлика меѓу Pentium 4 и неговите претходници е во

пакувањето. Проблем на модерните чипови е трошење на голема количина

моќност и произведување на топлина. Pentium 4 зависно од фреквенцијата на која работи троши меѓу 63W и 82W моќност.

Pentium 4 се испорачува во квадратно пакување со димензија 35 mm. Содржи 478 пинови на дното, од кои 85 се напојување и 180 се заземјување за да се редуцира шумот. Пиновите се разместени во квадрат 26 x 26, а во средината недостасува квадрат 14 x 14. Исто така недостасуваат 2 пина во еден агол за да се избегне некоректно сместување на чипот во лежиштето.

Чипот е опремен со вентилатор за ладење. Заради трошењето на голема моќност Intel обезбедил начин за

поставување на CPU во длабока sleep состојба. Има 5 состојби од наполно активен до длабока sleep состојба (кешот и регистрите се зачувани, но clock-от и сите интерни единици се исклучени). Во длабока sleep состојба потребен е хардверски сигнал за будење.

6

Pentium 4 Pinout на Pentium 4

7

Пинови на Pentium 4 (логички pinout) Pentium 4 има 478 пинови кои се користат за 198 сигнали, 85

конекции за напојување (со неколку различни напони), 180 заземјувања.

Некои од сигналите користат 2 или повеќе пинови така да има само 56 различни сигнали.

На следната слика се претставени пиновите на Pentium 4. На левата страна на сликата се 5 групи на сигнали. Првата група се користи за арбитража на собирницата. BR0 се користи за поставување на барање за користење на собирницата. BPRI# се користи уредот да постави барање со висок приоритет кое има предност пред регуларните барања. LOCK# овозможува уредот да ја заклучи собирницата за сопствено користење за да спречи другите уреди да ја користат пред да заврши операцијата.

Откога е добиена дозвола за користење на собирницата , CPU или друг master уред може да постави барање за користење на собирницата користејќи ја следната група на сигнали.

Има 36 адресни линии, но најмалку значајните 3 бита мора секогаш да се 0 па за нив нема доделени пинови. Така, A# има само 33 пина.

8

Пинови на Pentium 4 (логички pinout)

9

Пинови на Pentium 4 (логички pinout) Сите трансфери се 8 bytes. Со 36 адресни битови максималната

адресибилна меморија е 64 GB. Кога адресата се постави на адресните линии се сетира ADS#

сигнал за да му каже на одредиштето (пр. меморија) дека адресата е поставена. Типот на bus циклус (пр. читање на еден збор или запишување на блок) се поставува на REQ# линиите. 2 parity линии служат за правилно пренесување на сигналите од линиите A# и REQ#.

5-те линии за грешка се користат за да известат ако настане floating-point грешка, интерни, хардверски грешки и други грешки.

Response групата на сигнали ги испраќаат slave уредите како известувања до master уредите. RS# содржи статусен код. ТRDY# укажува дека slave (одредиштето) е спремно за прифаќање податоци од master уредот. На овие сигнали исто така се прави parity check (проверка на парност). BNR# се користи за да вметне состојба на чекање кога адресираното одредиште не може да одговори навреме.

Последната група на сигнали е за пренос на податоци. D# се користи за поставување на 8 податочни bytes на собирницата.

10

Пинови на Pentium 4 (логички pinout) Кога податочните bytes се поставени на собирницата DRDY# се

користи да го објави нивното присуство. DBSY# се користи да каже дека собирницата е зафатена. Исто така се користи проверка на парност за податочните сигнали.

RESET# се користи за ресетирање во случај на грешка или кога корисникот го притисне копчето за ресетирање.

Pentium 4 може да биде конфигуриран да користи интерапти на ист начин како 8088 (заради компатибилност) или може да користи нов систем на интерапти кој користи уред наречен APIC (Advanced Programmable Interrupt Controler).

Pentium 4 може да работи на еден од неколку предефинирани напони. Сигналите за управување со напојување се користат за автоматско избирање на напон, управување со sleep состојби и сл.

Постојат и сигнали за управување на топлинските процеси. На пр. CPU може да ја извести околината дека има опасност од прегрејување.

Групата сигнали за clock фреквенција треба да ја определи фреквенцијата на системската собирница.

11

Пинови на Pentium 4 (логички pinout) Групата за дијагностика содржи сигнали за тестирање на системот

според IEEE 1149.1 JTAG тест стандард. Групата сигнали за иницијализација се користи при стартувањето

на системот. Останатите сигнали кажуваат дали лежиштето е пополнето, кога

се врши емулација на 8088 и друго.

12

Проточност на мемориската собирница на Pentium 4

Современите CPU како Pentium 4 се многу побрзи од современите DRAM мемории. За CPU да биде максимално искористена треба да се добие максималниот throughput од меморијата. Од овие причини мемориската собирница кај Pentium 4 е проточна со 8 трансакции кои се извршуваат истовремено.

Мемориските трансакции кај Pentium 4 имаат 6 состојби: 1. арбитража на собирницата 2. барање на собирницата 3. искажување грешка 4. ослушнување 5. одговор 6. податоци Во сите трансакции не се потребни сите состојби. Состојбата на

арбитража определува кој уред е следен master на собирницата. Состојбата барање овозможува да се постави адресата на

линиите на собирницата и да се направи барање за користење. Во состојбата грешка slave уредот известува дека има грешка при проверка на парност.

13


Кај мултипроцесорски системи е потребно ослушнување на активностите на другите CPU. Во состојбата одговор master уредот дознава дали ќе ги добие податоците кои ги бара. Во состојбата податоци се испраќаат податоците до CPU која ги бара.

Проточната мемориска собирница кај Pentium 4 во секоја состојба користи различни сигнали независни од сигналите во друга состојба. На пример, ако една CPU користи сигнали за арбитража, откога ќе добие право да оди понатаму ги ослободува овие линии на собирницата и почнува со користење на линиите за поставување на барање за користење на собирницата. Во меѓувреме друга CPU може да биде во состојба на арбитража.

На следната слика е прикажано проточно изведување на повеќе мемориски трансакции.

Состојбата на арбитража не е прикажана бидејќи не е секогаш потребна. Ако уредот кој ја користел собирницата треба да изведува друга трансакција не треба повторна арбитража. Уредот треба само да ја побара собирницата.

Кај трансакциите 1 и 2 се изведуваат 5 состојби во 5 bus циклуси.

14


Трансакцијата 3 воведува подолга состојба на податоци, на пример ако е блокирана или ако адресираната меморија вметнува состојба на чекање. Како последица на ова, трансакцијата 4 не може да почне со состојбата податоци кога е потребно. Таа набљудува дека DBSY# сигнал е сеуште поставен и чека да биде деактивиран. Во трансакцијата 5 се гледа дека состојбата на одговор исто така може да зафаќа повеќе bus циклуси и предизвикува доцнење на трансакцијата 6. Во трансакцијата 7 се гледа дека воведената празна состојба се пренесува и кај оваа трансакција.

Во практика не е веројатно дека CPU ќе започнува нова трансакција во секој bus циклус па воведените празни состојби со време ќе се изгубат.

15


16

Примери на собирници ISA, PCI и Universal Serial Bus (USB) собирници

ISA е малку проширена во однос на IBM PC bus. Заради компатибилност се до пред неколку години била присутна кај PC се додека Intel и Microsoft не се согласиле да ја елиминираат.

PCI е поширока од ISA и работи со поголеми clock брзини, па може да пренесе повеќе податоци во секунда.

Universal Serial Bus е популарна собирница за бавни периферни уреди како глушец и тастатура. Втората верзија на USB работи со многу поголема брзина.

17

ISA (Industry Standard Architecture) IBM PC bus била стандард за 8088 системите. Имала 62 сигнални

линии, од кои 20 биле адреса, 8 податоци, по еден сигнал за читање и запишување од меморија и за читање и запишување од В/И уреди. Потоа имало сигнали за барање и потврдување на интерапти и користење на DMA.

Собирницата била врежана во матичната плоча со конектори во кои можела да се вметне картичка. Картичката имала дел со 31 линија на секоја страна, која претставувала електричен контакт со конекторот.

По воведувањето на 80286-базираниот PC/AT IBM имал проблем. Старата собирница имала 20 адресни и 8 податочни линии кои биле недоволни за адресирање на 16 МB меморија и пренос на 16-битни податоци. Од друга страна чиповите произведени од други поизводители за работа со старата собирница би биле неупотребливи за проширената собирница.

За да се надминат проблемите се проширила собирницата, така да на постоечките 62 контакти се додадени уште 36 но на посебен конектор. Од овие 36 линии 31 линија се користела за повеќе адресни, податочни, интерапт линии и DMA канали, напојување и заземјување.

18

ISA (Industry Standard Architecture) Останатите линии се користеле за усогласување на разликите меѓу

8-битни и 16-битни трансфери на податоци. Кога IBM го произвел PS/2 заради справување со конкурентски

производители кои правеле клонови на PC вовел нов вид на собирница Microchannel. За разлика од претходната собирница која била достапна на производителите за да можат да направат уреди кои ќе ја користат собирницата Microchannel била заштитена со патенти.

Другите производители на компјутери развиле сопствен стандард ISA која работела на 8.33 MHz и ја задржала компатибилноста со постоечките машини и картички.

Се до пред неколку години Intel базираните PC покрај другите собирници ја содржеле и оваа собирница.

Подоцна ISA е проширена до 32 бита со додавање на некои нови особини (пр. мултипроцесирање). Новата собирница била наречена EISA (Extended ISA).

19

Собирница на PC/AT

20

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) Кај првиот IBM PC апликациите главно биле обработка на текстови.

Со воведувањето на Windows OS и графичкиот кориснички интерфејс состојбата почнала да се менува.

Со мултимедијалните игри и потребата да се прикаже full-screen full-motion video се јавила потреба од поголем пропусен опсег на собирниците.

На пример: екран со 1024 x 768 резолуција во боја (3 bytes/pixel) нека се користи за прикажување видео. Еден екран содржи 2.25 MB податоци. За прикажување на движење без прекини потребни се најмалку 30 екрани/секунда или 67.5 MB/секунда.

Но ситуацијата е покомплицирана бидејќи за да се прикаже видео од диск, CD-ROM, DVD податоците мора да се пренесат преку собирницата од диск до меморија. За да се прикажат податоците повторно треба да се пренесат преку собирницата од од меморија до графичкиот адаптер. Потребен е проток со ширина 135 MB/sec без да се земат во предвид потребите на CPU и другите уреди.

21

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) ISA работела со брзина 8.33 MHz и можела да пренесе 2 bytes по

циклус, овозможувајќи максимален проток од 16.7 MB/sec. EISA можела да пренесе 4 bytes по циклус овозможувајќи проток од

33.3 MB/sec, што не било доволно за full-screen video. Во 1990год. Intel ја воведува PCI. Sun исто има верзија на UltraSparc

која користи PCI собирница. Тоа е машината UltraSparc IIIi. Првата верзија на PCI пренесувала 32 бита по циклус и работела на

33 MHz (30 ns период на циклус) со вкупен пропусен опсег од 133 MB/sec. Во 1992 била воведена верзија PCI 2.0, а во 1995 PCI 2.1. PCI 2.2 била верзија за преносни компјутери. Новите верзии на PCI собирници работеле на 66 MHz и поддржувале 64-битен трансфер на податоци и пропусен опсег од 528 MB/sec.

Со овие карактеристики на собирницата било можно да се оствари full-screen video.

Проблем претставувала компатибилноста со старите уреди направени за ISA собирница. Исто така PCI не била погодна како мемориска собирница.

Intel предложил конфигурација со 3 или повеќе собирници: посебна собирница меѓу CPU и меморијата и ISA собирница приклучена на PCI собирницата.

22

PCI (Peripheral Component Interconnect bus)

23

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) Основни компоненти на архитектурата се 2-та bridge чипови. PCI

bridge ги поврзува CPU, меморијата и PCI собирницата. ISA bridge ја поврзува PCI собирницата со ISA собирницата и исто така поддржува еден или два IDE дискови.

Скоро сите Pentium 4 системи имаат еден или повеќе слободни PCI слотови за додавање на дополнителни брзи периферни уреди и еден или повеќе ISA слотови за додавање на бавни периферни уреди.

Предност е постоењето на посебна собирница која овозможува брз пренос на податоци меѓу меморијата и CPU. PCI овозможува голем пропусен опсег за периферни уреди како SCSU дискови, графички адаптери и др. Старите ISA картички исто така може да се користат.

Постојат разни верзии на PCI кои се разликуваат според напоните на кои работат, ширината и времетраењето на сигналите.

Постарите компјутери користат 5 V, а новите 3.3V и PCI собирниците ги поддржуваат двата напони. Конекторите на овие собирници се исти освен 2 пластични бита за да се спречи неправилната употреба.

24


PCI собирниците имаат 32-битна и 64-битна верзија. 32-битните картички имаат 120 пина, а 64-битните ги имаат истите 120 пина и дополнителни 64 пина. PCI собирницата која поддржува 64-битни картички може да работи и со 32-битни, но не и обратно.

PCI собирниците и картичките може да работат на 33 или на 66 MHz. Разликата во изведбата е во еден пин кој или е поврзан со напојување или заземјен.

По 1990 год ISA собирниците биле исклучени од компјутерските системи.

Резолуцијата на мониторите од 1600 x 1200 и барањата за full-screen full-motion video биле причина Intel да додаде уште една собирница. Оваа собирница е наречена AGP bus (Accelerated Graphic Port bus). Првата верзија AGP 1.0 работела на 264 MB/sec и била означена како 1x. Иако била побавна од PCI собирницата таа била посветена на управување на графичка картичка. Новите верзии AGP 3.0 работат на 2.1 GB/sec (8x).

25

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) Структура на современ Pentium 4

26


Во оваа структура bridge чипот е централна компонента. Тој поврзува 5 делови од системот: CPU, меморијата, графичките картички, ATAPI контролерот и PCI собирницата. Во некои варијанти постои поддршка за Ethernet и други брзи уреди. Побавните уреди се поврзани на PCI собирницата.

Bridge чипот е поделен на два дела: мемориски bridge и В/И bridge. Меморискиот bridge го поврзува CPU со меморијата и графичкиот адаптер. В/И bridge го поврзува ATAPI контролерот, PCI собирницата и опционално други брзи В/И уреди. Двата моста се поврзани со многу брза конекција.

PCI собирницата е синхрона исто како и другите претходни собирници.

Адресните и податочните линии се мултиплексирани за да се добие помала ширина на собирницата. 64 пина се користат и за адреса и за податоци, а PCI поддржува 64-битни адреси и 64 бита проток на податоци.

27


При операција на читање за време на циклус 1, master уредот ја поставува адресата на собирницата. За време на циклус 2 master уредот ја брише адресата и собирницата се превклучува (turned around) така да slave уредот може да ја користи. Во циклус 3 slave ги поставува бараните податоци.

При операција на запишување собирницата не треба да се превклучи бидејќи master уредот ги поставува и адресата и податоците. Но сепак минималната трансакција трае 3 циклуси. Ако slave не може да одговори за време од 3 циклуси тој вметнува состојба на чекање. Дозволени се и трансфери на блокови, како и неколку други видови операции.

28

PCI bus арбитража

За уредот да ја користи PCI собирницата тој мора прво да ја добие. PCI арбитражата користи централизиран арбитер. Во повеќето системи арбитерот е вграден во еден од мост чиповите. Секој PCI уред има две линии: една за поставување барање за користење на собирницата REQ# и друга GNT# за доделување на собирницата.

29

PCI bus арбитража

За уредот да ја користи собирницата ја поставува REQ# линијата и чека арбитерот да му испрати потврда по GNT# линијата за доделување на собирницата. Алгоритмот за доделување на собирницата не е дефиниран од PCI. Може да се користи било која шема (round-robin, приоритет и сл.) само да не се дозволи уредите премногу долго да чекаат на користење на собирницата.

Доделувањето на собирницата е само за една трансакција. Ако уредот повторно треба да ја користи собирницата, а нема друг уред кој чека на користење се вметнува една празна состојба (idle).

Ако уредот извршува долга трансакција арбитерот може да ја прекине трансакцијата и да ја додели собирницата на друг уред.

30

Сигнали на PCI bus

PCI собирницата има одреден број на обaвезни сигнали и одреден број на опционални сигнали. Останатите пинови од вкупно 120 или 184 пинови се употребуваат за напоување, заземјување и други функции. Master и Slave колоните кажуваат кој го генерира сигналот. Доколку сигналот е генериран од друг уред (пр. CLK), двете колони се празни.

Обавезните сигнали се 32-битни сигнали, а опционалните се 64-битни сигнали.

CLK сигналот ја управува собирницата. Повеќето други сигнали се синхронизирани со овој сигнал. За разлика од ISA собирницата, трансакциите на PCI собирницата започнуваат на опаѓачкиот раб на CLK сигналот, којшто е на средината од циклусот.

32 AD сигнали се користат за адреси и податоци (за 32-битни трансакции). За време на циклусот 1 се поставува адресата а за време на циклусот 3 се поставуваат податоците.

31


PAR сигналот е бит за парност за AD. C/BE# сигналот се користи за две намени. Во циклусот 1, тој содржи

команда за собирницата ( читање на 1 збор, читање на блок). Во цикусот 2 содржи бит-мапа од 4 бита, која кажува кој од бајтите од 32 битниот збор е валиден. Користејќи го C/BE# може да се чита или пишува 1, 2 или 3 бајти, како и цел збор.

FRAME# сигналот се генерира од bus master-от за да се започне трансакција на собирницата. Му кажува на slave дека адресата и командите на собирницата се валидни.

При читање, најчесто се генерира IRDY# сигнал во исто време со FRAME#. Кажува дека master уредот е подготвен за да ги прими податоците. При запишување IRDY# се генерира подоцна кога податоците се поставени на собирницата.

32


IDSEL сигналот се овозможува другите уреди да го читаат конфигурацискиот простор на некој PC уред, кој изнесува 256-бајти. Plug-and-Play можноста на некои оперативни системи го користи конфигурацискиот простор за да најде кои уреди се приклучени на собирницата.

Другите сигналите се генерираат од slave уредите. DEVSEL# означува дека slave ја открил неговата адреса на AD линиите и е поготвен да ја започне трансакцијата. Ако DEVSEL# не е генериран за одредено време, master уредот ја откажува трансакцијата бидејќи смета дека уредот не е присутен.

TRDY# сигнал се поставува од slave уред при читање за да означи дека податоците се поставени на AD линиите и при пишување за да објави дека е подготвен да прими податоци.

33

Сигнали на PCI bus (а) Обавезни сигнали на PCI собирницата, (б) Опционални сигнали на PCI собирницата

34


Следните три сигнали се за грешки. STOP# се генерира од slave уредот доколку системот падне или ако треба да се прекине трансакција. PERR# се користи да извести за грешка во парност во претходниот циклус. При читање се генерира од master уредот а при пишување од slave уредот. SERR# известува за адресни грешки и системски грешки.

REQ# и GNT# сигналите се користат за арбитража на собирницата. RST# се употребува за ресетирање на системот кога корисникот ќе

го притисне RESET копчето или при сериозна грешка.

35


Од опционалните сигнали повеќето се однесуваат на проширувањето од 32 на 64 бита. Сигналите REQ64# и ACK64# се користат за да му овозможат на master уредот да побара дозвола за изведување 64-битна трансакција и да му овозможат на slave уредот да прифати 64-битна трансакција. Сигналите AD, PAR64 и C/BE# се исти со оние за 32-битните собирници.

Следните три сигнали не се поврзани со проширувањето на 32-битната до 64-битна собирница. LOCK сигналот овозможува собирницата да биде заклучена за трансакции.

INTx сигналите се за барање интерапти. PCI картичката може да има до четири уреди приклучени на неа, и секоја може да има своја линија за интерапти.

JTAG сигналите се за IEEE 1149.1 JTAG процедура за тестирање. M66EN сигналот е приклучен на високо или ниско со што се одредува брзината на часовникот. Не смее да се менува за време на системските операции.

36

Трансакции на PCI собирницата На сликата е претставена трансакција за читање, следена од празен

циклус, и следена со трансакција за пишување од ист bus master. За време на опаѓачкиот раб на циклусот Т1 master уредот ја

поставува мемориска адреса на AD и сигнал на C/BE#. Потоа генерира FRAME# за да се започне трансакција на собирницата.

За време на Т2 циклусот master уредот ја остава собирницата да се превклучи за slave да започне со нејзино користење за време на Т3. Master уредот исто така го менува C/BE# за да покаже кои бајтови од адресираниот збор сака да ги прочита.

Во Т3 slave уредот генерира DEVSEL# така да master уредот знае дека slave уредот ја добил адресата и планира да одговори. Поставува податоци на AD линиите и генерира TRDY# за да му каже на master уредот дека завршил. Ако slave не е во можност веднаш да одговори, продолжува со генерирање на DEVSEL# за да укаже дека е присутен, но го држи негиран TRDY# се додека не ги земе податоците. Може да воведе една или повеќе состојби на чекање.

37

Трансакции на PCI собирницата

38

Трансакции на PCI собирницата

Во овој пример следниот циклус е празен. Во Т5 master уредот повторно ќе ја користи собирницата, но сега за пишување. Се започнува со поставување на адресата и команда на собирницата. Но сега, во вториот циклус master уредот ги поставува податоците. Бидејќи истиот уред ги користи AD линиите нема потреба за превклучување на собирницата. Во Т7, меморијата ги прифаќа податоците.

39

PCI Express Од сликата каде е дадена структурата на современ Pentium 4 се

гледа дека PCI собирницата не е повеќе централен елемент којшто ги држи деловите на PC заедно. Оваа улога ја презема bridge чипот.

Има многу В/И уреди кои се премногу брзи за PCI собирницата. Зголемување на фреквенцијата на часовникот на собирницата не е добро решение заради проблемите bus skew, меѓусебно влијание на проводниците и слично.

Кога се приклучувал нов побрз уред на PCI собирницата (како графичка картичка, хард диск, мрежна картичка) Intel додавал нова специјална порта на bridge чипот. Ова не може да продолжи во недоглед.

Друг проблем е што димензиите на картичките за PCI собирницата се големи и не се погодни за користење во laptop или palmtop компјутерите.

Новото решение се нарекува PCI Express архитектура иако нема никаква поврзаност со PCI собирниците.

40

PCI Express

PCI Express не користи паралелна собирница со многу master и slave уреди но е базирана на брзи point-to-point сериски конектори. Ова решение представува раскрстување со ISA/EISA/PCI традиција на собирници и користи многу идеи од мрежи, конкретно oд Ethernet.

Идеата е да се разгледува PC како колекција од CPU, меморија и В/И контролер чипови. PCI Express обезбедува универзален свич за поврзување на чиповите користејќи сериски врски.

Како што е покажано на сликата CPU, меморијата и кешот се поврзани со bridge чипот на традиционален начин. Ново е тоа што се користи свич поврзан на bridge (може да е дел од bridge чипот).

Секој од В/И чиповите има point-to-point конекции до свичот. Секоја конекција се состои од пар канали во една насока, до свичот и од него. Секој канал е направен од два проводника, еден за сигналот и еден за заземјувањето, за да се намали шумот при брзите преноси на сигнали.

41

PCI Express

42

PCI Express PCI Express архитектурата се разликува од архитектурата на PCI

собирницата, во три клучни работи: 1. Централизиран switch наспроти multidrop bus 2. Користење на тесни сериски point-to-point конекции наспроти

широка паралелна собирница 3. Концептуалниот модел зад PCI собирницата е постоење на bus

master кој издава команда до slave да чита збор или блок од зборови.

PCI Express моделот користи испраќање податочни пакети од еден до друг уред. Концептот на packet кој се состои од заглавие и податоци е преземен од мрежите.

Заглавието содржи контролни информации со што се елиминира потребата од постоење контролни сигнали како кај PCI собирницата.

PC со PCI Express е минијатурна packet-switching мрежа.

43

PCI Express

Други разлики меѓу PCI Express архитектурата и архитектурата на PCI собирницата:

4.Со пакетите се користи код за детектирање грешки кој овозможува поголема сигурност отколку кај PCI собирницата.

5. Конекцијата помеѓу bridge чипот и свичот може да е подолга од претходно. Изнесува повеќе од 50 cm и овозможува делење на системот.

6. Системот може лесно да се прошири затоа што уред кој се приклучува на свичот може да биде друг свич. Може да се креира дрво од свичови.

7. Уредите можат да бидат додадени или извадени од системот додека тој е функционален ( додека работи – hot pluggable).

8. Сериските конектори се многу помали отколку старите PCI конектори па уредите и компјутерите можат да бидат направени многу помали.

44

Universal Serial Bus (USB)

PCI собирницата и PCI Express овозможуваат приклучување на брзи периферни уреди на компјутерот, но тие се премногу скапи за бавните В/И уреди како што се тастатура и глувче.

Во 1993 година претставниците на повеќе компании (Compaq, DEC, IBM, Intel, Macintosh, NEC и Northern Telecom) предложиле стандард за собирница за приклучување на бавните уреди наречен USB (Universal Serial Bus).

45

Universal Serial Bus (USB) Некои од барањата кои новиот стандард за приклучување на бавни

уреди требало да ги задоволи се: 1. Корисниците не треба да подесуваат џампери и свичови на плочите

и уредите. 2. Корисниците не треба да го отвараат куќиштето за да инсталираат

нови В/И уреди. 3. Треба да постои само еден вид на кабел, погоден за поврзување на

сите уреди. 4. В/И уредите треба да земаат напојување преку кабелот. 5. До 127 уреди треба да може да се приклучат на еден компјутер. 6. Системот треба да поддржува real-time уреди (пр. телефон). 7. Уредот треба да може да се инсталира додека компјутерот работи. 8. Не треба да се рестартира компјутерот по инсталацијата на нов

уред. 9. Новата собирница и нејзините В/И уреди треба да бидат ефтини за

произведување. USB ги задоволува сите овие барања.

46


Дизајниран е за приклучување на бавни уреди на компјутерот како што се тастатура, глувче, камера, скенер, дигитален телефон и др.

Верзијата 1.0 има пропусен опсег од 1.5 Mbps, што е доволно за тастатура и глувче.

Верзијата 1.1 работи на 12 Mbps што е доволно за принтери, дигитални камери и многу други уреди.

USB системот се состои од root hub кој се приклучува на главната собирница. Овој hub има лежишта за кабли кои можат да се поврзат со В/И уредите или други hub –ови.

Кабелот се состои од четири проводника: две за податоци, едeн за напојување (5V) и едeн за заземјување.

47


Кога нов В/И уред ќе се приклучи hub-от го детектира овој настан и испраќа сигнал до оперативниот систем.

Потоа оперативниот систем го испитува уредот за да открие за кој уред станува збор и колку USB проток е потребен.

Ако оперативниот систем одлучи дека дека има доволно проток за овој уред, му назначува на уредот уникатна адреса (од 1 до 127) и ја сместува оваа адреса и други информации во конфигурациски регистри во уредот.

На овој начин, новиот уред може да биде додаден без конфигурирање од страна на корисникот и без потреба за инсталирање на нови ISA или PCI картички.

48


На секои 1.00± 0.05 msec hub-от емитува нова рамка за да ги зачува сите уреди синхронизирани. Рамката се состои од неколку пакети, од кои првиот е од hub-от до уредот. Следните пакети од рамката може исто така да бидат во оваа насока, или да бидат насочени од уредот до hub-от. На следната слика се прикажани четири рамки.

49


Со рамките 0 и 2 не се извршува никаква работа, само се испраќа еден SOF (Start of Frame) пакет. Овој пакет секогаш се пренесува до сите уреди.

Рамката 1, на пример, нека е барање до скенерот да ги врати битовите кои што ги скенирал од сликата. Рамката 3, на пример, нека доставува податоци до печатачот.

USB подржува четири видови на рамки: контрола, изохрона, bulk и интерапт. Контролните рамки се користат за конфигурирање на уредите, задавање на команди и прашувања за статусот на уредите.

Изохроните рамки се за real-time уреди како што се микрофони, звучници и телефони коишто треба да примаат или испраќаат податоци во прецизни временски интервали. Тие имаат предвидливо доцнење но не овозможуваат повторна трансмисија во случај на грешка.

Bulk рамките се за големи трансфери до или од уредите со не real-time барања како што се принтерите.

50

Universal Serial Bus (USB) Интерапт рамките се потребни поради тоа што USB не поддржува

интерапти. На пример, наместо тастатурата да предизвикува интерапти секогаш кога е притиснато копче, оперативниот систем може да ја проверува на секои 50 msec за да собере информации за сите притиснати копчиња.

Рамката се состои од еден или повеќе пакети, од кои некои може да се во иста насока. Постојат четири видови на пакети: token, податочен, handshake и специјален. Token пакетите се насочени од коренот до уредот и служат за системска контрола.

SOF, IN и OUT пакетите на сликата се token пакети. SOF (Start of frame) пакетот е прв во секоја рамка и го обележува почетокот на секоја рамка. Ако нема работа којашто треба да се изврши, SOF пакетот е единствен во рамката. IN token пакетот бара од уредот да врати одредени податоци. Полињата во IN пакетот кажуваат кој bit цевковод се испитува така да уредот знае кои податоци да ги врати. OUT token пакетот означува дека ќе следуваат податоци кон уредот. Четвртиот тип на token пакет, SETUP (не е прикажан на сликата), се користи за конфигурирање.

51


Покрај token пакетот постојат уште три видови. Тие се податочен (DATA) кој се користи за пренесување на 64 бајти информации во било кој правец, handshake и специјални пакети.

Форматот на податочниот пакет е прикажан на сликата. Се состои од 8 битно поле за синхронизација, 8 битен тип на пакет (PID), податоци и 16 битен CRC (Cyclic Redundancy Check) за пронаоѓање грешки.

Дефинирани се три видови на handshake пакети: ACK (претходниот податочен пакет бил добро примен), NAC ( детектиранa е CRC грешка) и STALL (почекајте- сега сум зафатен).

Секоја 1.00 msec мора да биде испратена рамка од hub-от, дури и ако нема работа. Рамките 0 и 2 се состојат од само SOF пакет, покажувајќи дека нема работа.

Рамката 1 е барање уредот да испрати податоци, така што започнува со SOF и IN пакети од компјутерот до В/И уредот, следен од DATA пакет од уредот до компјутерот.

52

Universal Serial Bus (USB) ACK пакетот му кажува на уредот дека податоците се примени

правилно. Во случај на грешка, NAK ќе биде пратен назад до уредот и пакетот ќе биде повторно пренесен преку bulk податоците.

Рамката 3 е слична со структурата од рамка 1, со исклучок на тоа што сега течењето на податоците е од компјутерот кон уредот.

USB 2.0 стандардот е сличен на постариот USB 1.1 и е компатибилен со него, со исклучок на тоа што е додадена и трета брзина, 480 Mbps, покрај двете постоечки брзини. Има и некои мали разлики, како што е интерфејсот помеѓу hub-от и контролерот.

Со USB 1.1 можни се два интерфејси: 1. UHCI (Universal Host Controller Interface) дизајниран од Intel и

повеќе ги оптоварувал софтверските дизајнери (Microsoft) и 2. OHCI (Open Host Controller Interface) дизајниран од Microsoft и

повеќе ги оптоварувал хардверските дизајнери (Intel). Кај USB 2.0 постигната е согласност за единствен нов интерфејс

наречен EHCI (Enhanced Host Controller Interface).

53


USB кој сега работи на 480 Mbps е конкурентен на IEEE 1394 сериската собирница популарно наречена FireWire која работи на 400 Mbps.

Иако секој нов Pentium систем доаѓа со USB 2.0, IEEE 1394 не исчезнува затоа што има употреба од потрошувачката електронска индустрија. Камерите, DVD players и сличните уреди сеуште имаат IEEE 1394 интерфејси заради тоа што на производителите не им се исплатува да се префрлат кон друг стандард кој не е многу подобар од постоечкиот.

Documents

Примери на CPU чипови и магистрали