Univerzitet u Novom SaduFakultet tehničkih nauka

PC MAGISTRALE

LPRS2

2

UVOD

Memorijski i UI kontroler Memory Controller Hub

(North Bridge) IO Controller Hub

(South Bridge)

3

Upoređenje standarnih PC magistrala

4

Hijerarhija magistrala

Procesorske magistraleMemorijske

DDR, DDR[2-4]Front Side Bus (FSB)

QuickPath Hyper-transport

Lokalna U/I magistrala ISA, PCI, AGP, PCI Express...

Masovna memorijaISA, ATA, SATA, SCSI, SAS...

Spoljašnje magistrale USB, FireWire, Ethernet...

5

AUTOMATSKA KONFIGURACIJA PC

PERIFERIJA Pojava vrlo različitih periferijskih kartica Ograničeni sistemski resursi

prekidi, DMA kanali, memorijski i U/I adresni prostor

Veliki problemi pri konfiguraciji nove kartice je izbegavanje konflikta sa prethodno instaliranim, tačnije

Identifikacija slobodnih PC resursa

Koncept "priključi i koristi" Plug & Play - PnP

6

PnP specifikacija

Intel i Microsoft razvoj računara čiji HW i SW zajednički vrše dodelu resursa i

konfiguraciju periferijskih uređaja. Ime ukazuje na nameru da se korisniku maksimalno olakša

postupak rekonfiguracija sistema usled ugradnje nove U/I kartice

Prvi pokušaji primene PnP koncepta su datirani ranije, na računarima sa ISA magistralom i DOS operativnim sistemom

1995 godina je pojavom operativog sistema Windows 95 i PCI magistrale ozvaničila njegovu masovnu i uspešnu primenu

U praksi, većina računarskih stanica proizvedenih pre 1996. godine ne podržava u potpunosti standard "priključi i koristi"

7

Učesnici u PnP proceduri

Sistemska fizička arhitekturapodrška i rad sa PnP uređajima

Periferni uređajiidentifikacija i prihvat dodeljenih resursa

Sistemski BIOS – ključna ulogaskupljanje informacija sa različitih uređaja i

odlučivanje o raspodeli resursakomunikacija sa OS/rukovaocima i uređajima

Operativni sistemkomunikacija sa rukovaocima/korisnicima

8

Procedura detekcije i konfiguracije PnP uređaja

Formira se tabele raspoloživih resursa, tj. slobodnih prekida, DMA kanala i U/I adresa.

Identifikuju se svi uređaji na PCI i ISA magistrali, uključujući i one koji nisu PnP kompatibilni.

Iz CMOS memorije se učitava ESCD tabela (Extended System Configuration Data) koja sadrži zadnju poznatu konfiguraciju.

Upoređenjem tekuće i učitane konfiguracije detektuje se eventualno prisustvo novih fizičkih komponenti u sistemu.

Ukoliko je konfiguracija sistema izmenjena, neophodna je njegova rekonfiguracija.

Iz skupa preostalih resursa dodeljuju se zahtevani resursi, o čemu se izveštava i periferijski uređaj.

Preostaje postupak ažuriranja ESCD tabele zapisom nove konfiguracije.

To je ujedno i kraj PnP procedure, a BIOS nastavlja proces inicijalizacije sistema.

9

ISA Magistrala

ISA (Industry Standard Architecture) je najstarija PC magistrala

Raspoloživa je u dve verzije, sa 8 i 16 bita podataka. 1. 8-bita 4.77MHz, 62 izvoda, koji nisu ništa drugo do baferovana i

demultipleksirana magistrala podataka i adresa procesora Intelovog 8088.

2. 16-bita, 8 Mhz, mikroprocesor 80286, od 1984. godine standard nije više menjan.

U svojoj 16-bitnoj verziji, ISA magistrala raspoloživa je i na najsavremenijim računarima, pogotovo u segmentu industrijskih PC komponenti.

PC104 standard, električni iste signale smešta na drugačiji konektor, radi zadovoljavanja strogih zahteva industrijskih aplikacija.

Razlog opstajanja je u tome što i dalje u mnogim primenama nije potrebno više od performansi koje ISA poseduje.

10

ISA kartica i konektor: klasični i PC104

11

Signali na ISA magistrali

Svi su TTL logičkog nivoa, sem napajanja ±5V i ±12V

Na magistrali se nalaze signali koji omogućavaju : kontrolu čitanja i upisa u memorijski ili U/I prostor, generisanje stanja čekanja, koriščenje sistema prekida i direktnog pristupa memoriji, osvežavanje memorije i detekciju greške.

Raspoređeni su na dva konektora, od kojih prvi realizuje osnovnu 8-bitnu magistralu (AB deo), a drugi dodatne signale pune 16-bitne magistrale (CD

deo).

12

Tipovi ISA signala

Adrese i podaci : A0-19, LA17-23, D0-15, ALE, AEN

Uprav. signali : (S)MEMW, (S)MEMR, IOR, IOWDirektan pristup mem. : DRQ/DACK0-3,5-7, TCPrekidi : IRQ2-7,10,11-15Stanja čekanja : I/O CH RDYDetekcija greške prist. : I/O CH CHECKSinhronizacija : RESET, OSC, CLK

13

Vremenski dijagram 8-bitnog prenosa podataka preko ISA magistrale

Uobičajeni ciklus prenosa podataka traje 4 taktna ciklusa (840 ns).

Proširenje tekućeg ciklusa vrši se signalom I/O CH RDY, kojim upravlja periferni uređaj.

14

PCI MAGISTRALA

Peripheral Component Interconnect (PCI) specifikacija definiše lokalnu magistralu visokih performansi

PCI magistrala podržava prenos 32-bitnih i 64-bitnih podataka preko multipleksiranih linija adresa i podataka.

Osnovna namena PCI magistrale je sprega procesorskog jezgra (procesor, memorija) sa brzim periferijama, bilo da su integrisane na osnovnoj ploči ili povezane ugradnjom U/I kartica.

15

Pojava PCI magistrale 1992. godine

Poklapa se sa pojavom grafički orijentisanih operativnih sistema koji su izazvali pojavu uskog grla za podatke između procesora i najpre video periferije.

Približavanjem brzih periferijskih jedinica procesoru, PCI magistralom se eliminisalo ovo usko grlo i poboljšala brzina komunikacije sa ostalim perifernim jedinicama (SCSI, Ethernet, audio, hard disk i druge).

U odnosu na prethodna standardna rešenja, podrška poboljšanim video i multimedijalnim uređajima je obezbeđena povećanjem širine i brzine magistrale.

PCI magistrala je primenjena na različitim hardverskim platformama, čime je obezbeđena kompatibilnost i laka prenosivost periferijskih kartica između različitih platformi.

Pored toga, jednostavnost rekonfiguracije sistema usled dodavanja ili uklanjanju periferijskih kartica (koncept "plug & play") je jedna od osnovnih novina koju je donela PCI magistrala.

16

Sistem sa PCI magistralom

Uveden je "PCI most" kao sprega procesora i memorije sa periferijskim uređajima.

Oni komuniciraju sa PCI magistralom, ne sa procesorom direktno.

To dozvoljava kompatibilnost PCI uređaja (kartica) na računarima sa različitim CPU platformama, kao i smanjenje kašnjenja.

17

Mehanizmi razmene podataka

PCI uređaji/kartice - Agenti (Agent)Mogu imati funkcije vodećeg (Master,

Initiator) ili pratećeg (Slave, Target) uređaja, u zavisnosti od toga ko inicira razmenu podataka na PCI lokalnoj magistrali.

Prenos na magistrali uključuje faze adresiranja i prenosa podataka.

PnP podrška – PCI konfiguracioni prostorIdentifikator i deskriptor PCI uređaja - EndpointKonfiguraciju radi PC - Root-Complex

18

PCI režimi

Definisanie su sledeće konfiguracije:32 bita, takt 33MHz (132MB/s)64 bita, takt 33MHz (264MB/s)32 bita, takt 66MHz (264MB/s)64 bita, takt 66MHz (528MB/s)

Usnopljeni (burst) prenos za bolje performanse prenosa.

Malo je kašnjenje (60ns na 33MHz i 30ns na 66MHz) pristupa vodećeg uređaja lokalnim registrima (prolazima) na pratećem uređaju.

Podržava spregu sa naponskim nivoima i +5V i +3.3V.

19

Osnovni signali naPCI magistrali

PCI magistrala koristi sopstveni interni sistem prekida INTA# do INTD#

Mapiraju se na sistemske prekide, obično od IRQ9 do IRQ12 Dva PCI uređaja mogu deliti isti prekid

20

Komande PCI magistrale

21

Vremenski dijagram prenosa podataka

Adresiranje + Prenos FRAME# - trajanje transakcije kontroliše

inicijator

22

PnP podrškaPCI konfiguracioni prostor

Skup definicionih podataka PCI zaglavlje Prostor PCI uređaja

Pristup se ostvaruje zadavanjem broja magistrale, broja uređaja, broja funkcije i registra adresnog odstojanja.

Samo dve 32-bitne U/I lokacije se koriste za obavljanje ovih prenosa CF8h - CONFIG_ADDRESS

registar CFCh - CONFIG_DATA registar

23

Dalji razvoj PCI magistrale

PCI-X, ide u pravcu potpune implementacije 64-bitne računarske arhitekture i ubrzanja takta magistrale do 133 MHz.

Povećanje brzine zahteva efikasniji protokol prenosa podataka i jednostavnije električne i vremenske zahteve.

Osnovni problem PCI magistrale, koji limitira njen dalji razvoj, je upravo prisustvo velikog broja signala koje je neophodno sinhronizovati sa jednim signalom takta, koji sam po sebi nije idealan u realnim sistemima.

Problem je dodatno otežan time što se isti signali vode ka više PCI uređaja koji ih istovremeno primaju, što samo po sebi povećava parazitne kapacitivnosti i otežava kondicioniranje signala.

To je i osnovni razlog zbog kog u komercijalnim računarima retko ima više od 4 PCI konektora.

Standard PCI-X nije doneo očekivano unapređenje, naprotiv neke je probleme dodatno povećao. Stoga je verovatno ispravan zaključak da je sa PCI standardom koncept deljene paralelne magistrale dosegao svoj maksimum.

24

AGP Magistrala

Accelerated Graphics Port Intelov odgovor na uvećanje

grafičke zahteve Veća propusnost veze

procesora i video kartice Video kontroleru je

omogućen pristup operativnoj memoriji

AGP magistrala je razvijena na osnovu PCI, ali je brža u prenosu x1, x2, x4, x8 reči po taktu 0.266 do 2.1 GB/s

Izolacija video podsistema uz rasterećenje PCI magistrale

25

Dodatni mehanizmi komunikacije grafičkog kontrolera sa memorijom

Protočni (pipe) režim Serija upita u sekvenci, bez čekanja da se prethodno izdati

zahtev završi Uporedno adresiranje (sideband addressing),

8 dodatnih linija za adresiranje, čime se novi ciklus pristupa memoriji započinje u toku trajanja prethodnog

U toku izvršenja grafičkih funkcija, potrebni podaci se mogu koristiti direktno iz sistemske memorije, bez prethodnog punjenja u lokalnu memoriju grafičkog kontrolera.

26

Univerzalna Serijska MagistralaUniversal Serial Bus - USB

Sve prethodne PC magistrale dele zajednički koncept povezivanje procesora i

periferija u zajedničkom adr. prostoru, uz

deljenje raspoloživog skupa prekida i DMA kanala.

Neracionalno se troši ograničeni skup prekida, pogotovo od strane sporih periferija poput tastature, miša, modema i sl.

Osnovna ideja USB njihovo izmeštanje van

računara serijska komunikacija sa njima posredstvom specijalizovanog

kontrolera povezanog na PCI magistralu

27

Osnovne osobine USB magistrale

Povezivanje do 127 periferijskih uređaja u višeutičnoj konfiguraciji

Sihrona komunikacija preko deljene dvožične linije, NRZI kodiran diferencijalni signal, dužina kabla do 5m

Brzine prenosa 1.5Mbit/s (USB1.0), 12Mbit/s (USB2.0) i 480Mbit/s (USB2.0 Full Speed),

Distribucija napajanja 5V za uređaje koji troše 100-500mA Smanjenje utroška energije u neaktivnom stanju na nivo

500A, Automatsko prepoznavanje priključenja nove periferijske

jedinice i njen nesmetan rad bez potrebe za restartom sistema,

Četiri režima komunikacije, u skladu sa prirodom periferijskih uređaja

Mehanizmi kontrole grešaka i retransmisije poruka

28

Topologija USB magistrale

Glavni (host) kontroler

Komunikacija sa USB uređajima (endpoint) odvija se na osnovu: Adrese USB uređaja, Tipa i smera prenosa, Adrese memorijskog

bafera rukovaoca uređaja.

29

USB čvor (HUB)

Svaki čvor ima jedan ulazni i 2-8 izlaznih priključaka Osnovna funkcija čvora je realizacija fizičkog prenosa podataka Dodatne funkcije obuhvataju:

Konverziju brzine prenosa između sporih uređaja i magistrale, Dozvolu/zabranu komunikacije, radi izolacije uređaja različite brzine (na

istom čvoru), Prepoznavanje priključenja uređaja i detekciju njegovog tipa (brzine

prenosa), Kontrolu napajanja i limitiranje izlazne struje na 500 mA, Smanjivanje struje napajanja na 500A, ako je uređaj neaktivan duže od

3 ms, Određivanje i postavljanje statusa (stanja) priključka, o čemu se

izveštava na upit.

30

Tipovi USB prenosa

Prekidni prenos (interrupt transfer), Imitira prekid na računaru, namenjen sporim uređaji (tastatura,

miš) Niska učestalost ponavljanja, skroman obim podataka i relativno

mala kašnjenja pri prenosu. Masovni prenos (bulk transfer)

Prenos velikog obima podataka bez vremenskih uslovljenosti u pogledu brzine ili periodičnosti (štampač).

Izohroni prenos (isochronous transfer) Najzahtevnije periferije - prenos podataka velikog obima uz

konstantnu periodiku (audio/video periferijski uređaji). Predajna i prijemna strana su sinhronizovane u pogledu brzine i

kašnjenja. Prenos kontrolnih poruka (control transfer)

Komunikacija u cilju koordinacije rada, prepoznavanja i inicijalizacije USB uređaja, i sl.

Dešava se najčešće po priključenju uređaja na USB magistralu, nije periodičan i predstavlja niz upit/odgovora.

31

Tok USB komnikacije

32

Organizacija prenosa podataka

Fizička komunikacija: između glavnog kontrolera i adresiranog uređaja.

Logički posmatrano, između OT na uređaju, i memorijskog bafera prog. rukovaoca.

Vod (message pipe) se uspostavlja se za svaku OT, a njegove karakteristike ostaju nepromenjene u toku njegovog trajanja.

Slanje preko voda inicira rukovaoc USB uređaja posredstvom strukture IRP (I/O Request Packet), na osnovu koje rukovaoc glavnog kontrolera formira sekvencu transakcija.

Sprečava se konkurentno slanje više zahteva na jedan vod, pre nego što se tekući završi.

Specifikacijom je predviđena procedura prekida izdatih zahteva usled prekida komunikacije.

Transakcija se dalje realizuje razmenom niza paketa: predznak, podaci kontrolni

Svaki paket sastoji se od tri polja: identifikatora, informacionog i CRC dela.

33

Organizacija USB komunikacije po vodovima i učesnicima

34

Podela vremena na magistrali

Ram i mikro-ram: 1ms i 125μs Uređaji koriste dodeljeni prostor Izvršenje izohronog i prekidnog prenosa se može konfigurisati

na svaki N-ti ram, ostatak slobodan za druge. Ukupan broj uređaja određen je propusnim opsegom

magistrale. Kada se on popuni, priključenje novih uređaja se odbija.

35

Prenosni put i kabliranje

36

NRZI kodiranje i popunjavanje bita

37

Priključivanje sporih i brzih uređaja na USB

čvor

38

USB veza čvora i uređaja

39

PCI Express magistrala

Serijalizacija PCI magistrale zamena višestrukih paralelnih vodova sa brzim serijskim

komunikacionim vodom, otpornijim na probleme sinhronizacije.

40

Organizacija PCIe po slojevima protokola

41

Fizički nivo PCIe magistrale

Režim prenosa: Full-dupleks, tj. 2 x simpleks sinhroni diferencijalni, komunikacioni takt 2.5 GHz,

prenos 250 MB/s po vodu (500 ukupno). takt se utiskuje u podatke linijskim kodom 8b/10b

42

Proširenje prenosnog opsega umnožavanjem

PCIe kanala

43

Umnožavanje kanala

44

Organizacija i izgled jedne procesorske ploče

sa PCIe magistralom

45

ExpessCard kartica i prikaz sprege

Zamena za PCMCIA Kombinuje PCI Express i USB 2.0 ExpressCard omogućuje proizvođačima mogućnost da

razvijaju nove proizvode sa jednom ili obe sprege, ne rizikujući time da budu ispred vremena.

46

Porast propusnosti PC magistrala

Implementacija PCIe nije skuplja u odnosu na druga rešenja. Nova je mogućnost eksternih konekcija bez žrtvovanja brzine

prenosa. Najavljena je mogućnost spoljne konekcije brzinom od 200MB/s

preko bakarnog kabela dužine do 5m, ili optičkim i na znatno veća rastojanja.

Ukoliko ovakav sistem bude upotpunjen mogućnošću vrućeg povezivanja, kao kod USB, biće otvoren čitav niz novih mogućnosti primene (neslućene modularnosti servera npr.).

Osobine i klasifikacija računarskih magistrala

Struktura računarskog sistema redosled i način povezivanja pojedinih elementarnih komponenti

– arhitektura magistrala RS Pogodnost magistralne organizacije

cena i jednostavnost relizacije standardizacija sprege

Ograničenja propusni opseg (bandwidth) i kašnjenje (latency)

magistrale Dužina kabla i broj modula koji se mogu povezati Različitost uređaja koji se vezuju (na SATA može samo

masovna memorija, na PCIe sve)

Specijalizacija magistrala