Архитектура шины часть 2

1.

ЦИФРОВОЙ ЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. ШИНЫ
ЧАСТЬ 2
Системные шины. Локальные шины. Иерархия
шин. Арбитраж шин.

2.

Системные шины

3.

Старые системные шины. Шина ISA
Раньше это был наиболее распространенный тип
шины расширения. Системная шина IBM PC и IBM PC
XT была предназначена для одновременной
передачи 8 бит информации и 20 разрядов адреса
Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.
Для работы с внешними устройствами в этой шине
были предусмотрены 8 линий аппаратных
прерываний и 4 линии для требования
прямого доступа в память.

4.

Старые системные шины. Шина ISA
Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была
сделана модификация конструкции шины, можно
было передавать параллельно уже 16 разрядов
данных, а благодаря 24 адресным линиям
напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной
памяти. Количество линий аппаратных прерываний
в этой шине было увеличено с 8 до 16, а каналов
DMA – с 4 до 8.
Шина ISA стала работать асинхронно с процессором
на частоте 8 МГц, что соответствовало
максимальной скорости передачи 16 Мбайт/с.

5.

Старые системные шины. Шина ISA

6.

Старые системные шины. Шина MCA.
Компания IBM разработала шину MCA в качестве
замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел
в 1987 году. Была увеличена частота до 10 МГц ( это
привело к увеличению скорости), шина могла
передавать 16 или 32 бит данных за раз.
Была добавлена технология Bus Mastering. На плате
каждого расширения помещался мини-процессор, эти
процессоры контролировали большую часть
процессов передачи данных освобождая ресурсы
основного процессора.

7.

Старые системные шины. Шина MCA
Одним из преимуществ этой шины было то, что
подключаемые устройства имели свое программное
обеспечение, а это значит что требовалось
минимальное вмешательство пользователя для
настройки.
Шина MCA не поддерживала карты ISA .
IBM сделала технологию платной, это привело к её
непопулярности. Шина в основном используется в
мощных файл-серверах, где требуется обеспечение
высоконадёжного производительного ввода/вывода

8.

Старые системные шины.
Шина EISA .
Эта шина была разработана группой производителей в
качестве альтернативы для MCA.
Шина обеспечила 32-разрядную адресацию памяти
(4 Гб), 32-разрядную передачу данных, в том числе и в
режиме DMA, улучшенную систему прерываний и
арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию
системы и плат расширения (подобно MCA для каждой
карты использовался микропроцессор, была
возможность установить драйвера с помощью диска).
Шина работала на частоте 8 МГц для поддержки карт
ISA.

9.

В большинстве старых компьютеров реальная частота
системной шины определяла и частоту оперативной памяти,
однако сейчас память часто может иметь и другую частоту –
в том случае, если контроллер памяти располагается в
самом процессоре. Реальная частота шины не эквивалентна
ее эффективной частоте, которая определяется количеством
передаваемых бит информации в секунду.
В настоящее время старые шины постепенно заменяются
более новыми – QuickPath и HyperTransport. Системная шина
QuickPath является разработкой фирмы Intel, а
HyperTransport – компании AMD.

10.

Системная шина QPI (QuickPath Interconnect )
Для новых многоядерных процессоров Intel разработала скоростной и
экономичный интерфейс QPI. Последовательная шина QPI позволила
ликвидировать многие "узкие " места. В случае, если процессору
потребуется доступ к выделенной памяти другого CPU, он сможет
связаться с ней посредством одного из каналов QPI.

11.

Системная шина QPI
QPI является последовательной, высокоскоростной
двунаправленной шиной.
Ее ширина в каждую сторону (передача и прием)
составляет по 20 бит (20 отдельных пар линий):
16 бит отводится для передачи данных;
две линии зарезервированы для передачи служебных
сигналов;
две - для передачи кодов коррекции ошибок CRC.
Две пары линий используются для сигналов
синхронизации (одна на прием и одна на передачу).

12.

Системная шина QPI
Шина QPI состоит из 42 пар линий, то есть
является 84-контактной. Это соединение
представляет собой пару из двух шин
функционирующих в режиме полного дуплекса,
снабженных задающей тактовую частоту
линией.
Шина способна работать со скоростью 6,4 Ггц
(3,2 Ггц), что суммарно составляет 25,6 Гбайт/с
(12,8 Гбайт/с в одну сторону).

13.

QPI обмен информацией
Управлением потоком данных занимается специальный
«агент», который распределяет поток данных перед тем,
как отправить его по различным физическим линиям, а при
приеме аналогичный агент собирает разные потоки данных
в один.
Для обмена информацией между компонентами системы
используются пакеты. Пакетная связь начинается на
канальном уровне для реализации функций управления
каналом. Пакеты формируются для того, чтобы надежно
перенести информацию от передающего к принимающему
компоненту.

14.

Типовая обобщенная структура пакета и состав пакета для
разных уровней
Физический уровень принимает с линий связи кадр проверяет его
корректность и выделяет из него пакет. Каждый пакет, состоит из 80 бит.
Широкая полоса пропускания позволяет в проектируемых
многопроцессорных системах легко добавлять новые
высокопроизводительные компоненты.
Использование шины QPI позволяет сократить время на разработку
проектов, так как добавление в систему новых чипов не вызывает
проблем.

15.

Системная шина QPI
Основное достоинство нового интерфейса QPI – это сочетание
высокой пропускной способности - до 15 Гбит/с и низкого
энергопотребления (не более 5,0 мВт на каждый гигабит в
секунду при пропускной способности 15 Гбит/с). При скорости
передачи данных 5 Гбит/с новый интерфейс Intel обладает
уровнем энергопотребления не более 2,7 мВт на каждый
гигабит в секунду.
Главный параметр системы, влияющий на частоту практически
всех узлов системы – частота тактового генератора - Host Clock
Frequency . Штатное значение этой частоты – 133 МГц, однако
некоторые платы предлагают широкие возможности для её
увеличения, например, до 240 МГц

16.

пределы медных линий

17.

Локальные шины

18.

Схема шин для определенных
компонентов компьютера

19.

Локальные шины
Пропускная способность шин ISA, EISA и MCA оказалась
недостаточной для программ с графическим пользовательским
интерфейсом, решением этого вопроса явились локальные
шины.
Локальная шина (local bus) обеспечивает непосредственный
доступ микропроцессора к периферийным устройствам,
минуя системную шину. Шина работает с частотой,
соответствующей частоте процессора.
Передачей данных управляет не центральный процессор, а
плата расширения (мост), который высвобождает
микропроцессор для выполнения других работ.

20.

Локальные шины
Локальная шина обслуживает наиболее
быстрые устройства: память, дисплей,
дисковые накопители (обслуживание
сравнительно медленных устройств мышь, модем, принтер и др.- производится
системной шиной типа ISA, EISA).
Наибольшее распространение получили
две локальные шины VL-Bus и PCI.

21.

Часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей,
осуществляется не через шину ввода/вывода, а через шину процессора,
примерно так же, как подключается внешний кэш. Такая конструкция
получила название локальной шины (Local Bus).

22.

23.

Локальные шины. Шина VL-Bus
Шина VL-Bus является как бы продолжением
процессорной шины. Стандарт шины VL 1.0
поддерживает 32-разрядный тракт данных.
Стандарт 2.0 рассчитан на 64 – битовую шину.
Эта локальная шина проста, имеет низкую
стоимость
Промышленные стандарты VL-bus была
предложена ассоциацией VESA

24.

25.

Локальные шины. Шина VL-Bus
Шина VESA имеет 32 битный канал передачи
данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц.
Она работала на той же тактовой частоте, что и
центральный процессор. Частота процессора
увеличивается и должна была расти скорость
видеокарт, а чем быстрее периферийные
устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы
шина VESA со временем была заменена на PCI.
Слоты VESA имели дополнительные наборы
разъемов, а поэтому сами карты были крупными.
Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

26.

Локальные шины.
Шина PCI.
Шина PCI занимает особое место в архитектуре ПК,
являясь мостом между локальной шиной процессора и
шиной ввода/вывода ISA/EISA и MCA (Т:мост PCI связывает
ЦП, память и шину PCI). Является текущем стандартом для
карт расширений персональных компьютеров.
Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора
Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с
памятью и другими периферийными устройствами.
PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных (32
битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64
битный - 64 битную). Работает шина на частоте 33 МГц.

27.

Локальные шины. Шина PCI
В PCI можно использовать технологию Plug and Play
(PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит,
что пользователь может подключить новую карту,
включить компьютер и она будет автоматически
распознана и настроена.
В шине PCI реализован принцип Bus Mastering,
который подразумевает способность внешнего
устройства при пересылке данных управлять шиной
(без участия CPU). Большинство PCI карт работают на
напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно
3 Вольта.

28.

.

29.

Шина PCI
Шина PCI -это интерфейс локальной шины, связывающей
процессор с оперативной памятью, в которую врезаны
разъемы для подключения внешних устройств. Шина
может работать параллельно с шиной процессора
Шина PCI является синхронной 32разрядной или 64разрядной шиной, работающей на частоте 33 или 66 МГц.
Шина PCI при частоте 33 МГц обеспечивает пропускную
способность 132 Мбайт/с, при частоте до 66 МГц
обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64разрядных
данных.

30.

Локальные шины. Шина AGP .
Шина AGP была разработана фирмой Intel на основе
архитектуры шины PCI специально для работы с видеокартой,
при частоте 66 МГц имеет 32-разрядную шину данных.
Шина позволяет использовать конвейеризацию обращений, то
есть посылать данные в виде непрерывных пакетов. Имеется
возможность постановки в очередь до 256 запросов и
поддерживания двух очередей для операций чтения/записи с
высоким и низким приоритетом.
Сдвоенная передача позволяет иметь пропускную способность
при частоте 66 МГц до 528 Мбайт/с, работать на частоте до 100
МГц и выше с более высокой пропускной способностью.
Учетверенная передача позволяет передавать до 1056 Мбайт/с.

31.

Локальные шины. Шина AGP
Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с
четырьмя источниками информации:
процессор (кэш-память второго уровня);
оперативная память;
графическая карта AGP;
шина PCI.
AGP функционирует на скорости процессорной шины.
AGP использует оперативную память компьютера
для хранения 3D изображений.

32.

Локальные шины. Шина AGP

33.

34.

Новые шины

35.

Шина USB
Универсальная последовательная
шина (USB). Разработанный
компаниями Compaq, Digital, IBM,
Intel, Microsoft, NEC и Northern
Telecom стандарт универсальной
последовательной шины (Universal
Serial Bus - USB) предоставляет новый
разъем для подключения всех
распространенных устройств вводавывода, устраняя множество
современных портов и разъемов.

36.

Шина USB
Шина USB допускает подключение до 127
устройств с помощью шлейфного соединения
(daisy-chaining) или использования USB-хаба
(USB hub). Сам хаб, или концентратор, имеет
несколько разъемов и вставляется в РС или
другое устройство.
Вместе с сигналами данных шина USB передает
напряжение питания +5 В, поэтому небольшие
устройства, например ручные сканеры, могут не
иметь собственного блока питания.

37.

Шина USB.
USB 1.0 Спецификация выпущена 15 января 1996 года. Это
стандарт внешней шины, который поддерживает скорость
передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal
Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных
устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие
устройства USB. Поддерживается конфигурация оборудования.
Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость
передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше 480
Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0.
USB 3.2 - до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 10
Гбит/с.

38.

Шина USB
Более новая спецификация - USB 2.0 появилась в 2002 году.
Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это
в 40 раз быстрее чем раньше.
USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости
еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью
5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств,
которые можно питать от одного порта.
USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась
скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был
разработан компактный разъем Type-C, к которому
коннектор может подключаться любой стороной.

39.

Шина USB.

40.

высокоскоростной цифровой
последовательный интерфейс. IEEE-1394
IEEE-1394, FireWire и i.LINK-это три названия одного и того же
высокоскоростного цифрового последовательного
интерфейса, который служит для передачи любых видов
цифровой информации.
FireWire — зарегистрированный товарный знак фирмы Apple,
принимавшей активное участие в его разработке. Название
FireWire («огненный провод») принадлежит фирме Apple и
может использоваться только для описания ее изделий, а по
отношению к таким устройствам на PC принято употреблять
термин IEEE-1394, то есть непосредственно название
стандарта;

41.

высокоскоростной цифровой
последовательный интерфейс . IEEE-1394
IEEE-1394 — обозначение стандарта
интерфейса, принятое американским Институтом
инженеров по электротехнике и
радиоэлектронике (IEEE);
i.LINK — торговый знак и логотип для
обозначения упрощенной шины соединения по
интерфейсу IEEE-1394 между бытовыми
цифровыми устройствами фирмы Sony (это
четырехпроводной вариант FireWire — без
проводов питания).

42.

Области применения IEEE-1394
Интерфейс IEEE-1394 разрабатывался для того, чтобы
обеспечить высокоскоростной доступ, главным образом
к устройствам хранения информации, таким как
жесткие диски, приводы CD и DVD.
Гибкость и простота использования, способность при
необходимости предоставлять при передаче приоритет
тем данным, для которых синхронизация по времени
является критичным фактором, оказались
оптимальными для передачи цифрового видео и до
сих пор практически не имеют в этой области
альтернативы.

43.

Области применения IEEE-1394
Первыми аппаратными решениями для этого
интерфейса стали платы для работы с цифровым
видео.
Этот стандарт позволяет объединять аппаратные и
программные средства для передачи потоков
данных 100, 200, 400 Мбит/с и до 800 Мбит/с.
Связь между устройствами с интерфейсом IEEE-1394
может включаться и выключаться непосредственно
на время их работы (так называемое горячее
подключение) без отключения питания и
перезагрузки.

44.

Области применения IEEE-1394
При помощи персонального компьютера, выступающего в
качестве контроллера, можно производить следующие
операции: записывать с CD-проигрывателя на мини-диск,
запоминать цифровые радиопередачи, принятые через STB,
вводить цифровое видео в персональный компьютер для
последующего монтажа и редактирования.
При этом сохраняется возможность прямого обмена
данными между аудио- и видеооборудованием без
использования компьютера или, напротив, обмена данными
между двумя компьютерами безотносительно к аудио или
видео, как в локальных сетях на базе традиционных Ethernetтехнологий.

45.

Области применения IEEE-1394
IEEE-1394 остается международным
стандартом недорогого интерфейса,
который позволяет объединять
всевозможные цифровые устройства для
развлечений, коммуникации и
вычислительную технику в бытовой
мультимедийный цифровой комплекс.

46.

Внешние интерфейсы PC — Шина SCSI
Основным предназначением SCSI-шины во время
разработки первой спецификации в 1985 году было
«обеспечение аппаратной независимости
подключаемых к компьютеру устройств определенного
класса».

47.

SCSI-шина
В отличие от жестких шин расширения SCSIшина реализуется в виде отдельного
кабельного шлейфа, который допускает
соединение до 8 устройств (спецификация
SCSI-1) внутреннего и внешнего исполнения.
Одно из них — хост-адаптер (Host Adapter)
связывает шину SCSI с системной шиной
компьютера, семь других свободны для
периферии.

48.

Иерархия шин

49.

Вычислительная машина с одной шиной
В структурах ВМ с одной шиной имеется одна системная
шина, которая обеспечивает обмен информацией между
процессором и памятью, между УВВ и процессором или
памятью .
Данная структура взаимосвязей является простой и имеет
низкую стоимость, но не в состоянии обеспечивать высокие
интенсивность и скорость транзакций, является «узким
местом» ВМ.

50.

Вычислительная машина с двумя видами шинам
УВВ подключаются к шинам ввода/вывода, которые обеспечивают
основной трафик, не связанный с выходом на процессор или память.
Адаптеры шин обеспечивают буферизацию данных при их пересылки
системной шиной и контроллерами УВВ.
ВМ поддерживает работу большого числа устройств ввода/вывода,
обеспечивает обмен информации с УВВ, существенно снижает нагрузку на
скоростную шину процессор – память, способствует повышению общей
производительности ВМ.

51.

Вычислительная машина с тремя видами шин
Для подключения быстродействующих ПУ в систему шин добавляется
высокоскоростная шина расширения.
Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, далее через адаптер к
шине «процессор - память».

52.

Арбитраж шин

53.

Схемы арбитража
Арбитраж запросов на управление шиной может быть
организован по централизованной или
децентрализованной схеме.
При централизованном арбитраже в системе имеется
специальное устройство (центральный арбитр –
центральный контроллер шины), обеспечивающее
доступ к шине только одному из запросивших
ведущих. В большинстве случаев арбитр встроен в
микросхему процессора, реже требуется отдельная
микросхема.

54.

Пример централизованного арбитража
(система последовательного опроса)
Арбитр шины определяет, чья очередь следующая. Шина
содержит одну линию запроса (схема ИЛИ), которая может
запускаться одним или несколькими устройствами в любое
время. Арбитр не может определить, сколько устройств
запрашивают шину. Он может определить только наличие
или отсутствие запросов.
Когда арбитр видит запрос шины, он запускает линию
предоставление шины, которая последовательно
связывает все устройства ввода/вывода.

55.

Пример централизованного арбитража
(система последовательного опроса)
Когда физически ближайшее к арбитру устройство
воспринимает сигнал предоставление шины, то оно
проверяет наличие запроса шины.
Если запрос есть, то устройство пользуется шиной, но не
распространяет сигнал предоставление шины дальше по
линии.
Если запроса нет, то устройство передает сигнал
предоставления шины следующему устройству. Передача
сигнала предоставления шины продолжается до тех пор,
пока какое-нибудь устройство не воспользуется
предоставленной шиной.

56.

Арбитраж шин
При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство
(центральный арбитр – центральный контроллер шины), обеспечивающее
доступ к шине только одному из запросивших ведущих.

57.

Децентрализованный арбитраж шин
При децентрализованном арбитраже единый
арбитр отсутствует, каждый ведущий содержит блок
управления доступом к шине. Блоки управления
различных устройств взаимодействуют друг с
другом и разделяют между собой
ответственность за доступ к шине.

58.

Децентрализованный арбитраж шин
Существует несколько схем децентрализованного
арбитража:
параллельный арбитраж - каждый ведущий имеет
уникальный уровень приоритета и обладает собственным
контроллером шины, способным формировать сигналы
предоставления и занятия шины. Сигналы запроса от любого
ведущего поступают на входы всех остальных ведущих.
Логика арбитража реализуется в контроллере шины каждого
ведущего;
кольцевая схема - сигнал может возникнуть в различных
точках цепочки, замкнутой в кольцо, реализуется
циклическая смена приоритетов с учетом последнего
запроса;

59.

Децентрализованный арбитраж шин
распределенный арбитраж с самостоятельным
выбором – группы арбитражных линий организованны по
схеме «монтажного ИЛИ», любой ведущий может видеть
сигналы, выставленные остальными устройствами.
Каждому ведущему присваивается уникальный номер,
совпадающий с кодом уровня приоритета данного
ведущего. По особому алгоритму (выявляется номер
устройства, обладающего наиболее высоким
приоритетом.

60.

Принципы работы шины

61.

Принципы работы шины
При стандартном цикле шины задающее устройство
считывает/ записывает одно слово.
В многопроцессорных системах предусмотрен
специальный цикл шины, который дает возможность
любому процессору считать слово из памяти,
проверить и изменить его, записать обратно в
память, причем весь этот процесс происходит без
освобождения шины.

62.

Принципы работы шины
При использовании кэш – памяти
желательно вызывать всю строку кэш –
памяти, то есть 16 последовательных 32битных слова.
Цикл для осуществления прерываний –
когда центральный процессор командует
устройству ввода/вывода произвести
какое-либо действие, то он ожидает
прерывания после завершения работы.