2007/2008 ZS
Principy počítačů a operačních p systémů y
SBĚRNICOVÉ SYSTÉMY
2007/2008 ZS
Struktura sběrnice • datové linky • adresové linky • řídící linky
2007/2008 ZS
Sběrnicové systémy • Výhody: – přidávání zařízení – nízká cena – lehké zvládnutí komplexity systému
• Nevýhody: N ýh d – potenciální bottleneck – rychlost obvykle omezena délkou a počtem zařízení – potřeba spojit různorodá zařízení
2007/2008 ZS
Synchronní vs. asynchronní přenos • synchronní přenos vznik událostí je dán hodinovým signálem
• asynchronní přenos vznik události je určen (a následuje po) předcházející události dál ti
2007/2008 ZS
Synchronní y přenos p T
T
Hodiny Adresa Řízení
T
T
Hodiny Adresa
Adresa z M Čtení
Data
Stav ze S Data ze S
T
Řízení
Adresa z M Zápis
Data
Zpoždění n*T
Data z M
T
Hodiny Adresa
Adresa z M
Řízení
Čtení
Data Potvrzení
Stav ze S Data ze S
ACK ze S
2007/2008 ZS
Asynchronní y přenos p D t Data
D t Data
Data platná
Žádost o data
a) Řízení zdrojem
b) Řízení příjemcem
Data
Data
Data platná l ze S
Žádost z A
Potvrzení z A
Potvrzení z S
a) přenos vyvolaný zdrojem
b) přenos vyvolaný příjemcem
2007/2008 ZS
Řízení požadavků • centrální – náhodné – dle pořadí vzniku – prioritní
• distribuované di ib é – kolizní (CSMA/CD) – token bus – prioritní linka (daisy chain)
Nezáleží na fyzickém uspořádání!
2007/2008 ZS
Centrální řízení J1
Jn Řídící jednotka a
J2
Žádost 1 Žádost 2 Žádostn
Přidělení
J2
Žádostt 1 Žád Přidělení 1 Žádost 2 Přidělení 2 Žádost n Přidělení n Sběrnice
Sběrnice
Řídící jedn notka
Řídícíí jednotkka
J1
J1
J2
Žádost Obsazeno
Sběrnice
Jn
Jn
2007/2008 ZS
Přenos dat po sběrnici • za účasti procesoru: zdroj → CPU → cíl „programmed I/O“ • bez účasti procesoru – proces není řízen instrukcemi, ale řadičem: – dávkový dá k ý režim ži – kradení cyklů – transparentní režim
2007/2008 ZS
Dávkový režim • • • • • •
Procesor →Řadič: [co, kolik, kam] Ř→P: HOLD (mám připraveno) P→Ř: HLDA (OK, (OK udělej udělej, sběrnici nechci) přenos Ř →P: HOLD (hotovo) P→Ř HLDA (beru P→Ř: (b na vědomí ěd í a sběrnici) bě i i)
2007/2008 ZS
Kradení cyklů • Řadič „uspí“ procesor • provede vlastní přenos • probudí procesor – nelze uspat na dlouho – technicky t h i k náročnější á č ější
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 neviditelné idi l – větší přenosy obvykle nelze najednou
2007/2008 ZS
Použití řadiče DMA (Direct Memory Access)
2007/2008 ZS
Sběrnice „v PC“ CPU
Paměť
Lokální sběrnice Adaptér PCI
Adaptér AGP
Sběrnice AGP
Grafický Adaptér
Sběrnice PCI
Adaptér ISA
Páska
Disk
Síťová tiskárna
RS232 SSběrnice ISA
SSběrnice SCSI
Scanner
Adaptér ETN
Centronics
HPIB
Sběrnice Ethernet
Adaptér SCSI
Počítač
2007/2008 ZS
2007/2008 ZS
Historický vývoj sběrnic v osobních počítačích • PC Bus – pro PC/XT (8088) – 8bit datová, 20bit adresová sběrnice, 8MHz – DMA0-3 • ISA – Industry I d t Standard St d d Architecture A hit t (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 šumu – 16/32/64bit data, 24/32bit adresy • EISA – Extended Industry Standard Architecture – odpověď na MCA – 32bit 32bi data, d 32bit 32bi adresy d – 8MHz (kompatibilita!) – programové nastavení desek • VL Bus – VESA Local Bus ((Video Electronic Standards Association)) – 32bit data, 32bit adresy – až 50MHz, 50MHz při plném osazení 33MHz – přímo zapojená na systémovou sběrnici
2007/2008 ZS
DMA • standard, regular, „third-party“ DMA – zvláštní j d k která jednotka, k á provádí ádí vlastní l í přenos ř • výkonem dostačovalo pro ISA (EISA, VLB): Single word Mode 0 … 2.1MB/s • „first-party” DMA – zařízení si řídí přenos samo, tzv. „bus bus mastering“ mastering (MCA, (MCA PCI) • Ult Ultra DMA M Mode d 0 (ATA/ATAPI-4) 16.7MB/s 16 7MB/ Ultra DMA Mode 5 100MB/s
2007/2008 ZS
ATA/ATAPI AT Attachment /with Packet Interface • 16bit, UltraDMA – Vývoj: PIO 02,1MB/s-416,7MB/s, MultiwordDMA 04,2MB/s216,7MB/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 ATA/ATAPI 6 Mode5 M d 5 (100MB/s => „Ultra ATA/100“)
2007/2008 ZS
SCSI Small Computer p System y Interface • • • • •
paralelní interface, od r.1986 ANSI standard inteligentní zařízení 8/16 bit data (narrow/wide) až 160 MB/s (SCSI Fast-80 Wide) zřetězení až 15 zařízení
2007/2008 ZS
PCI PCI-X PCI, PCI X Periferal Component p Interconnect Bus • • • • • • •
připojení k systémové sběrnici přes můstek 64bit data, 64bit adresy 1992 v1.0: 33MHz, 1995 v2.1: 66MHz „burst mode“ multiplex lti l dat d t a adres d synchronní PCI-X v1.0: 66 a 133 MTS, v2.0: 266 a 533 MTS + další vylepšení (např. ECC), zpětná kompatibilita HW i SW
2007/2008 ZS
AGP Advanced Graphics p Port • • • •
„point-to-point“ 4x frekvence PCI, tj. 133MHz 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, QoS power management, management hot-plug... hot plug • PCI-SIG
2007/2008 ZS
Motivace nové sběrnice • Uživatel nenastavuje na zařízení žádné jumpery • Uživatel Uži l nemusíí otevřít ří počítač, čí č aby b připojil ři jil novou periferii • Jediný J di ý kabel k b l na připojování ři j á í všech š h typů ů zařízení ří í • Zařízení napájena z tohoto kabelu • Připojení velkého počtu zařízení • Podpora real-time zařízení (zvuk, video) • Instalace zařízení za chodu e nutnosti u os rebootu eboo u při p instalaci s a ac zařízení a e • Bez • Levné na výrobu
2007/2008 ZS
• USB – Universal Serial Bus – 1,5/12/480 Mb/s –C Control, t l Bulk, B lk Interrupt, I t t Isochronous I h přenosy ř – stromová struktura – koncová zařízení / hub – plug–and–play
• FireWire (IEEE 1394, 1394 i.Link) 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 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 potenciálu přijímače p j vzhledem k zemnímu p • původní návrh určen pro přenos max. 19,2kb/s a vzdálenost 20m • Vysílač: 0 … +5..+15V 1 ... –5..–15V Přijímač: +3..+15V –3..–15V
2007/2008 ZS
RS-422 • symetrizace vysílače i přijímače, charakteristická impedance vedení • Vysílač: 0 … +2..+6V +2 +6V 1 ... –2 2..–6V 6V Přijímač: +0,2..+6V –0,2..–6V • možnost připojení i j více přijímačů ij ů
2007/2008 ZS
RS-485 • sériová sběrnice • vznikla úpravami RS-422 (oboustranné zakončení vedení charakteristickou impedancí, impedancí změny mezních napětí)
2007/2008 ZS
Sériové sběrnice • • • •
CAN - Bosch SPI - Motorola MicroWire - National Semiconductor I2C - Philips
2007/2008 ZS
CAN • • • •
navržen firmou Bosch pro zařízení v automobilech modifikovaná sběrnice RS-485 p dominantního vysílače y řešení kolizí ve pprospěch 1SOF, 11Ident, 1RTR, 6Control, data, 15CRC, 1ACK, 7EOF • zabezpečení 15-bit. BCH (zajistí až 112bitů, Hammingova vzdálenost 6, 6 detekce 5 chyb v rámci a všechny chyby v lichém počtu bitů) • po každých k ždý h 5 stejných t j ý h bitech bit h vložen l ž 1 opačný č ý www.can.bosch.com
2007/2008 ZS
Přenosové standardy
2007/2008 ZS
2 IC
• definována včetně formátu dat, potvrzování a předávání řízení • dvoudrátová – SDA, SDA SCL • v klidovém stavu udržováno kladné napětí ( ll ) (pull-up) • master/slave řízení • možnost multi-master konfigurace • 0- 100/400/3400 kb/s www.philipslogic.com/i2c
2007/2008 ZS
• slave potvrzuje přijetí dat • slave l může ůž kdykoli kd k li pozdržet d ž t hodiny h di
2007/2008 ZS
Arbitrace
2 IC
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 – 910-1999 – do 10m (100m) (100m), nízká spotřeba (standby 00,3mA, 3mA voice 8-30mA, data 5mA), max 100mW – rádiové spojení spojení, 2,4–2,8 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, DSSS, FHSS
• 2002: WiMAX (2004: IEEE 802.16) – řešení „last mile“ – 10-66 GHz, větší dosah, plánovaný přenos
2007/2008 ZS
