2007/2008 ZS

Principy počítačů aPrincipy počítačů a operačních systémůp y

SBĚRNICOVÉ SYSTÉMYSBĚRNICOVÉ SYSTÉMY

2007/2008 ZS

Struktura sběrnice

• datové linky• adresové linky• řídící linky• řídící linky

2007/2008 ZS

Sběrnicové systémy

• Výhody:– přidávání zařízení– nízká cenanízká cena– lehké zvládnutí komplexity systému

N ýh d• Nevýhody:– potenciální bottleneck– rychlost obvykle omezena délkou a počtem zařízení– potřeba spojit různorodá zařízení– potřeba spojit různorodá zařízení

2007/2008 ZS

Synchronní vs. asynchronní přenos

• synchronní přenosvznik událostí je dán hodinovým signálem

• asynchronní přenos• asynchronní přenosvznik události je určen (a následuje po) předcházející

dál tiudálosti

2007/2008 ZS

Synchronní přenosy pT T T T

Hodiny

Adresa Adresa z M

Hodiny

Adresa Adresa z M

Řízení

Data

Čtení Stav ze S

Data ze S

Řízení

Data

Zápis

Data z M

TT Zpoždění n*T

Hodiny

Adresa Adresa z M

Řízení

Data

Čtení Stav ze S

Data ze S

Potvrzení ACK ze S

2007/2008 ZS

Asynchronní přenosy p

D tD t Data

Žádost odata

Data

Data platná

b) Řízení příjemcema) Řízení zdrojem

Žádost A

DataData

l

Potvrzení z S

Žádost z AData platná ze S

Potvrzení z A

a) přenos vyvolaný zdrojem b) přenos vyvolaný příjemcem

2007/2008 ZS

Řízení požadavků

• centrální– náhodné– dle pořadí vznikudle pořadí vzniku – prioritní

di ib é• distribuované– kolizní (CSMA/CD)– token bus– prioritní linka (daisy chain)– prioritní linka (daisy chain)

Nezáleží na fyzickém uspořádání!

2007/2008 ZS

Centrální řízeníka

J1 J2 Jn

a

J1 J2 Jn

Žád t 1

í jed

notk Žádost 1

Žádost 2

jedn

otka Žádost 1

Žádost 2Přidělení 1

Přidělení 2

Říd

ící

Žádost n

Říd

ící

Žádost n

Přidělení 2

Přidělení n

Sběrnice

Přidělení

Sběrnice

J1 J2 JnPřidělení

Žádost

notk

a

Obsazeno

ídíc

í jed

n

Sběrnice

Ř

2007/2008 ZS

Přenos dat po sběrnici

• za účasti procesoru: zdroj → CPU → cíl„programmed I/O“

• bez účasti procesoru – proces není řízenbez účasti procesoru proces není řízen instrukcemi, ale řadičem:

dá k ý ži– dávkový režim– kradení cyklů– transparentní režim

2007/2008 ZS

Dávkový režim

• Procesor →Řadič: [co, kolik, kam]• Ř→P: HOLD (mám připraveno)• P→Ř: HLDA (OK udělej sběrnici nechci)• P→Ř: HLDA (OK, udělej, sběrnici nechci)• přenos• Ř →P: HOLD (hotovo)

P→Ř (b ěd í bě i i)• P→Ř: HLDA (beru na vědomí a sběrnici)

2007/2008 ZS

Kradení cyklů

• Řadič „uspí“ procesor • provede vlastní přenos• probudí procesor• probudí procesor

– nelze uspat na dlouhot h i k á č ější– technicky náročnější

2007/2008 ZS

Transparentní režim

• Řadič rozezná, kdy procesor sběrnici nepoužívá a tehdy provede přenos (např. náběžná/sestupná hrana)

+ nijak nezdržuje procesor, je pro procesor idi lneviditelné

– větší přenosy obvykle nelze najednouvětší přenosy obvykle nelze najednou

2007/2008 ZS

Použití řadiče DMA (Direct Memory Access)

2007/2008 ZS

Sběrnice „v PC“CPU Paměť

Lokální sběrnice

AdaptérPCI

AdaptérAGP

GrafickýAdaptér

Sběrnice PCI

Sběrnice AGP

AdaptérETN

AdaptérSCSI

AdaptérISA

Scanner RS232 Síťovátiskárna

Páska Centronics Počítač

Sběr

nice

SC

SI

Sběr

nice

ISA

Sběr

nice

Ethe

rnet

Disk HPIB

S S

2007/2008 ZS

2007/2008 ZS

Historický vývoj sběrnicHistorický vývoj sběrnic v osobních počítačíchv osobních počítačích

• PC Bus– pro PC/XT (8088)– 8bit datová, 20bit adresová sběrnice, 8MHz8bit datová, 20bit adresová sběrnice, 8MHz– DMA0-3

ISA I d t St d d A hit t• ISA – Industry Standard Architecture (AT Bus)

– 16bit datová, 24bit adresová sběrnice, 8MHz– PC Bus (konektor 62) + konektor 36 + DMA4-7

2007/2008 ZS

• MCA – MicroChannel– pro IBM PS/2– 10MHz, nekompatibilní s ISA, odolnější proti šumu10MHz, nekompatibilní s ISA, odolnější proti šumu– 16/32/64bit data, 24/32bit adresy

• EISA Extended Industry Standard Architecture• EISA – Extended Industry Standard Architecture– odpověď na MCA

32bi d 32bi d– 32bit data, 32bit adresy– 8MHz (kompatibilita!)– programové nastavení desek

• VL Bus – VESA Local Bus (Video Electronic Standards Association)( )

– 32bit data, 32bit adresy– až 50MHz při plném osazení 33MHz– až 50MHz, při plném osazení 33MHz– přímo zapojená na systémovou sběrnici

2007/2008 ZS

DMA

• standard, regular, „third-party“ DMA – zvláštní j d k k á ádí l í řjednotka, která provádí vlastní přenos

• výkonem dostačovalo pro ISA (EISA, VLB):Single word Mode 0 … 2.1MB/s

• „first-party” DMA – zařízení si řídí přenos samo, tzv. bus mastering“ (MCA PCI)„bus mastering (MCA, PCI)

Ult DMA M d 0 16 7MB/• Ultra DMA Mode 0 (ATA/ATAPI-4) 16.7MB/sUltra DMA Mode 5 100MB/s

2007/2008 ZS

ATA/ATAPIATA/ATAPIAT Attachment /with Packet Interface

• 16bit, UltraDMA– Vývoj: PIO 02,1MB/s-416,7MB/s, MultiwordDMA 04,2MB/s-

216,7MB/s, UltraDMA016,7MB/s-5100MB/s,– PROBLÉM: 80286 („AT“)

• Serial ATA• Serial-ATA– od 1,5 Gb/s– pouze asynchronní– není master/slave, „daisychaining“, termination problems…

2007/2008 ZS

UltraDMA

• double transition clocking• CRC

• ATA/ATAPI-4 Mode0-2 (16.7, 25, 33.3MB/s)

• ATA/ATAPI-5 Mode3-4 (44.4, 66.7MB/s)

ATA/ATAPI 6 M d 5• ATA/ATAPI-6 Mode5 (100MB/s => „Ultra ATA/100“)

2007/2008 ZS

SCSISCSISmall Computer System Interfacep y

• paralelní interface, od r.1986 ANSI standard• inteligentní zařízení• 8/16 bit data (narrow/wide)• 8/16 bit data (narrow/wide)• až 160 MB/s (SCSI Fast-80 Wide)• zřetězení až 15 zařízení

2007/2008 ZS

PCI PCI XPCI, PCI-XPeriferal Component Interconnect Busp

• připojení k systémové sběrnici přes můstek• 64bit data, 64bit adresy• 1992 v1.0: 33MHz, 1995 v2.1: 66MHz1992 v1.0: 33MHz, 1995 v2.1: 66MHz• „burst mode“

lti l d t d• multiplex dat a adres• synchronní• PCI-X v1.0: 66 a 133 MTS, v2.0: 266 a 533 MTS

+ další vylepšení (např. ECC), další vylepšení (např. ECC), zpětná kompatibilita HW i SW

2007/2008 ZS

AGPAGPAdvanced Graphics Portp

• „point-to-point“• 4x frekvence PCI, tj. 133MHz• využita náběžná i sestupná hrana• využita náběžná i sestupná hrana• pipelining

2007/2008 ZS

PCI Express (PCIe)

• Seriová, paketový protokol• 256 MB/s (PCIe x1) – 8 GB/s (PCIe x16 duplex)• QoS power management hot plug• QoS, power management, hot-plug...

• PCI-SIG

2007/2008 ZS

Motivace nové sběrnice

• Uživatel nenastavuje na zařízení žádné jumperyUži l í ří čí č b ři jil• Uživatel nemusí otevřít počítač, aby připojil novou periferiiJ di ý k b l ři j á í š h ů ří í• Jediný kabel na připojování všech typů zařízení

• Zařízení napájena z tohoto kabelu• Připojení velkého počtu zařízení• Podpora real-time zařízení (zvuk, video)• Instalace zařízení za chodu• Bez nutnosti rebootu při instalaci zařízeníe u os eboo u p s a ac a e• Levné na výrobu

2007/2008 ZS

• USB – Universal Serial Bus– 1,5/12/480 Mb/s

C t l B lk I t t I h ř– Control, Bulk, Interrupt, Isochronous přenosy– stromová struktura – koncová zařízení / hub– plug–and–play

• FireWire (IEEE 1394 i Link)FireWire (IEEE 1394, i.Link)– synchronní i asynchronní– 100/200/400 Mb/s (IEEE 1394b: ~800Mb/s)– pakety

2007/2008 ZS

2007/2008 ZS

Sériová komunikace

• dvoubodové spoje• vícebodové spoje

Wired OR“ jediný signál s dominantní úrovní dává– „Wired-OR – jediný signál s dominantní úrovní dává dominantní úroveň na sběrnici.

2007/2008 ZS

RS-232C

• vysílaný signál je vztažený k zemnímu potenciálu vysílače, přijímaný signál vyhodnocován vzhledem k zemnímu potenciálu přijímačep p j

• původní návrh určen pro přenos max. 19,2kb/s a vzdálenost 20mvzdálenost 20m

• Vysílač: 0 … +5..+15V 1 ... –5..–15VPřijímač: +3..+15V –3..–15V

2007/2008 ZS

RS-422

• symetrizace vysílače i přijímače, charakteristická impedance vedení

• Vysílač: 0 +2 +6V 1 –2 –6VVysílač: 0 … +2..+6V 1 ... 2.. 6VPřijímač: +0,2..+6V –0,2..–6V

i j ij ů• možnost připojení více přijímačů

2007/2008 ZS

RS-485

• sériová sběrnice• vznikla úpravami RS-422 (oboustranné zakončení

vedení charakteristickou impedancí změnyvedení charakteristickou impedancí, změny mezních napětí)

2007/2008 ZS

Sériové sběrnice

• CAN - Bosch• SPI - Motorola • MicroWire National Semiconductor• MicroWire - National Semiconductor • I2C - Philips

2007/2008 ZS

CAN

• navržen firmou Bosch pro zařízení v automobilech• modifikovaná sběrnice RS-485• řešení kolizí ve prospěch dominantního vysílačep p y• 1SOF, 11Ident, 1RTR, 6Control, data, 15CRC, 1ACK,

7EOF7EOF• zabezpečení 15-bit. BCH (zajistí až 112bitů,

Hammingova vzdálenost 6 detekce 5 chyb v rámci aHammingova vzdálenost 6, detekce 5 chyb v rámci a všechny chyby v lichém počtu bitů)

k ždý h 5 t j ý h bit h l ž 1 č ý• po každých 5 stejných bitech vložen 1 opačnýwww.can.bosch.com

2007/2008 ZS

Přenosové standardy

2007/2008 ZS

I2C

• definována včetně formátu dat, potvrzování a předávání řízení

• dvoudrátová – SDA SCLdvoudrátová SDA, SCL• v klidovém stavu udržováno kladné napětí

( ll )(pull-up)• master/slave řízenímaster/slave řízení• možnost multi-master konfigurace• 0- 100/400/3400 kb/s

www.philipslogic.com/i2c

2007/2008 ZS

• slave potvrzuje přijetí datl ůž kd k li d ž t h di• slave může kdykoli pozdržet hodiny

2007/2008 ZS

Arbitrace I2C

2007/2008 ZS

Bezdrátové připojení

• IrDA – 1993– point-to-point– do 1 metru, 30° kužel– vlnová délka 0,85–0,9 µm– 9,6 kb/s – 16 Mb/s,

• Bluetooth – 910-1999do 10m (100m) nízká spotřeba (standby 0 3mA– do 10m (100m), nízká spotřeba (standby 0,3mA, voice 8-30mA, data 5mA), max 100mWrádiové spojení 2 4 2 8 GHz ISM– rádiové spojení, 2,4–2,8 GHz ISM

– 433,9 kb/s symetricky nebo 723,2/57,6 kb/s asym.

2007/2008 ZS

Wi-fi

• 1999: IEEE 802.11 (+ a,b,g)• pásmo 2.4 a 5 GHz• PHY MAC layers• PHY, MAC layers• DSSS, FHSS

• 2002: WiMAX (2004: IEEE 802.16) – řešení „last mile“( )– 10-66 GHz, větší dosah, plánovaný přenos

2007/2008 ZS