Digitális Logika szintje. Sínek - PCI

Digitális Logika szintje Sínek - PCI

PCI - ütemezés

REQ# GNT#

REQ# GNT#

PCI ütemező

REQ# GNT#



PCI sín használatához az eszköznek először le kell foglalnia a sínt PCI centralizált sínütemezőt használ

REQ# GNT#



PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI - ütemezés Eszköz és ütemező között 2 vonal:

REQ# GNT#

PCI ütemező

REQ# GNT#



REQ# - használat kérés (Require) GNT# - használat engedélyezés (Grant)

REQ# GNT#



REQ# GNT#



PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI - ütemezés Kéréskor

REQ# GNT#

PCI ütemező

REQ# GNT#



Eszköz (akár CPU) beállítja a REQ# jelet, és vár a GNT# jelre Ha GNT# megjön, az eszközé a sín a következő órajelciklusban

REQ# GNT#



REQ# GNT#



PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI eszköz

PCI - ütemezés 

Ütemezés 

Nincs algoritmus meghatározva a PCIszabványban   



Körkörös Prioritásvezérelt Stb…

Igazságos ütemezés kell 

Egy eszköz se várjon túl sokáig

PCI - ütemezés 

Sínhasználati engedély   



Egy tranzakcióra érvényes Tranzakció hossza nem megszabott Ha senki másnak nem kell a sín, több tranzakció mehet zsinórban, egy-egy üres ciklussal megszakítva Spec. esetben nem kell üres ciklus sem, de ha GNT#-t negálja az ütemező, akkor a sínmesternek fel kell szabadítania a sínt  hosszú (gyors) átvitelek és gyors sínmester váltások lehetségesek

PCI sín jelei Kötelező jelek

PCI sín jelei - Kötelező jelek 

CLK – órajel, ISA-val ellentétben a tranzakciók a CLK lemenő élre indulnak


AD – cím vagy adat továbbításra szolgál (32 bit) (3 ciklusban: 1-cím fel, 2-cím le,3:adat fel)


PAR – AD paritása

PCI sín jelei 

C/BE – első ciklus: sín parancs, mi történik (szó olvasás, blokk írás, stb..)


C/BE – második ciklus: bittérkép az érvényes byte-okról (1,2,3,4 byte-ot lehet írni/olvasni)


FRAME# - sínmester állítja, tranzakció kezdéskor. A cím/adat érvényességét jelzi


IRDY# - Olvasáskor FRAME#-el együtt állítja be a sínmester. Jelentés: sínmester készen áll a fogadásra


IDSEL – Minden PCI eszköznek van egy 256 byteos konfigurációs területe, IDSEL beállításával ezt olvasni lehet (PnP pl. innen nézheti az eszközöket)


DEVSEL# - ha szolga AD-n felismerte magát és kész a tranzakcióra, beállítja. Ha nem, akkor a mester egy idő után feltételezi hogy nincs jelen vagy elromlott


TRDY# - olvasáskor: adatok az AD-n; íráskor: készen áll az adatok fogadására


STOP# - hiba, szolga megszakíthatja a tranzakciót


PERR# - előző ciklusban paritáshiba. Olvasásnál mester, írásnál szolga állítja be. Szükséges lépések a fogadóeszközön múlnak


SERR# - Címhiba (paritás) vagy rendszerhiba


REQ#/GNT# - ütemezésben vesznek részt, versengő eszközök adják ki


RST# - Reset, alapállapotba áll a rendszer (Reset gomb; végzetes hiba)

PCI sín jelei - Opcionális jelek 

Opcionális jelek 

Legtöbbje 3264 bites kiegészítéssel kapcsolatos


REQ64# - sínmester 64 bites tranzakció indításra kérhet engedélyt


ACK64# - szolga 64 bites tranzakció fogadását jelzi


AD/PAR64/C/BE# - a megfelelő 32 bites jelek 64 bites kiegészítései (adat, paritás, bittérkép)


Következő három jel nem 32/64 bites kiegészítés, hanem multiprocesszoros rendszerekkel kapcsolatos. PCI kártyáknak nem szükséges támogatniuk


LOCK – több tranzakció idejére foglalható a sín


SBO#/SDONE – szimatolással (snooping) kapcsolatos jelek (cache koherenciát biztosít)


INTx – megszakítás kérésre szolgáló jelek. Egy PCI eszköz 4 logikailag független egységből állhat, külön megszakításigénylő vonalakkal


JTAG – IEEE 1149.1 JTAG tesztelési eljárás számára fenntartott vonalak. IC-k, beágyazott rendszerek, CPU-k vezetékeinek tesztelésére


M66EN – órajel frekvencia beállítása (33 v. 66 MHz). Működés közben nem változhat

PCI síntranzakciók 

„Olvasás – üres ciklus – írás” tranzakciók


T1 lefutó: AD-re memóriacím, C/BE#-re sínparancs (olvasás memóriából), majd FRAME#-et állít, tranzakció indul


T2 : mester elengedi a címsínt (irányváltás), szolga veszi át a vezérlést a T3 periódusban. Mester C/BE#-t beállítja (bitminta, mely byte-okat engedélyezi)


T3: szolga DEVSEL#-t állít, mester tudja hogy megkapta a címet és válaszolni fog. Szolga adatokat AD-re teszi, beállítja TRDY#-t – kész. Ha nem tud a szolga gyorsan adatot adni, akkor DEVSEL#-t beállítja, jelezve hogy válaszolni fog, de TRDY#-t negálva tartja – várakozás.


T4: üres ciklus, legtöbb esetben beiktatásra kerül egy tranzakció végén


T5: Írási tranzakció kezete: AD-re adat, C/BE#-re sínparancs (Írás), FRAME#-el indít


T5: nincs irányváltás, hisz ugyanaz az eszköz vezérli az AD vonalakat (hova és mit ír)


T7: memória fogadja az adatot

PCI 



PCI jól működik, de a sávszélessége kezdett kevésnek bizonyulni Sorra új sínek a gyors eszközök felé

PCI 



A PCI bővítőkártyák mérete elég nagy, nem férnek be a hordozható gépekbe Új irányzat, hogy a CPU és memória külön egységben, a bővítőeszközök pedig fizikailag máshol legyenek (külső megoldások, pl. merevlemez a monitorba építve, fiókos megoldással, stb…)

(PCI-E, PCIe)    

Intel fejlesztés (2004) Nem sok köze van a PCI-hoz, de a jól ismert nevet nem akarták elhagyni Nem is sín Koncepció  

 

Párhuzamos síneket megszüntetni, sok sínmestert és szolgát kiiktatni Nagy sebességű soros kapcsolat a végpontokkal

E fenti gyökeresen más mint az ISA/EISA/PCI koncepció Sok ötlet a lokális hálózatokból származik

PCI Express  

CPU,Memória,I/O-lapkák – köztük általános célú kapcsoló Ez utóbbit valósítja meg a PCI Express

PCI Express 

CPU,Memória,cache hagyományos módon kapcsolódik a csatoló lapkához A kapcsolóhoz kapcsolódik az összes PCIe eszköz, soros módon, két vezetékkel: egy föld + egy adat  nagy zajtűrés

PCI Express



PCI Express PCI-tól való fontos különbségek Első

 1.  

PCI: több leágazású közös sín PCIe: egyedi kapcsolat minden eszközzel

Második

2.  

PCI: széles, párhuzamos kapcsolat (32/64 bites) PCIe: keskeny, soros kapcsolat (1 bites)

Harmadik

3.  

PCI: sínmester/sínszolga kommunikáció, egész sínt lefoglalva PCIe: csomagkapcsolt kommunikáció

PCI Express 

PCIe csomagkapcsolás 

Csomagok:  



Fejléc (vezérlési információkkal, vezérlőjelek helyett) Adat (hasznos adat)

PCIe-s PC egy kis csomagkapcsolt hálózat

PCI Express 

Pár kisebb különbség PCI és PCIe között  

  

PCIe-nél hibajelző kódot használnak  nagyobb megbízhatóság mint PCI-nél Lapka és soros kapcsoló közti távolság akár 50 cm is lehet (fizikailag új lehetőségek a tervezésben) Végeszköz lehet újabb kapcsoló, így fa-struktúra szerűen bővíthető „Hotplug” megengedett, azaz menet közben lehet eszközöket csatolni, lecsatolni PCIe csatlakozók kisebbek  kisebb méretű gépek tervezhetők

PCI Express protokollrendszer 

PCI Express réteges kapcsolati protokollrendszerrel rendelkezik 



Protokoll: két fél közötti kommunikációt irányító szabályrendszer

(a) : PCIe protokollrendszer 

4 rétegből áll


Fizikai réteg (Physical layer)  

 

Biteket továbbít egy küldőtől egy fogadónak, közvetlen kapcsolaton keresztül Minden kapcsolat egy vagy több szimplex (egyirányú) sávpárból (csatornapárból) áll. Egyszerű esetben egy pár van, mindkét irányban 1-1, de lehet 2,4,8,16 vagy 32 pár is (byteosan stripe-olva) Sávok száma mindkét irányban azonos Egy irányban min. 2,5 Gbps-es sebesség (hamarosan 10 Gbps várható)


Fizikai réteg (Physical layer) 



Nincs fő órajel-generátor, eszközök azonnal adnak, ha van mit adniuk  gyorsabb kommunikáció, de: Első pár 0-ból honnan tudjuk hogy most már jönnek az adatok? M.o.: 8b/10b kódolással: 8 bitet 10 biten kódolnak (20% sávszélesség vesztés!)  Nem jöhet túl sok „0” v. „1” egymás után,  Ugyanannyi „0” és „1” legyen egy szóban  Elegendő jelváltás ahhoz, hogy bithatárra szinkronizálják a küldőt és fogadót 


Kapcsolati réteg (Link layer)  



Csomagok átvitelével foglalkozik Tranzakciós rétegtől kapott csomaghoz (fejléc+adat) CRC (Cyclic Redundancy Check) kódot ad. CRC: hibajelző kód Fogadó is kiszámítja ezt a fejlécre és adatokra. Ha egyforma, rendben, nyugtázó csomagot küld. Ha nem, a fogadó újrakéri a csomagot. (PCI ilyet nem tudott)


Kapcsolati réteg (Link layer) 

Folyamatvezérlő mechanizmus  

Gyors eszköz ne árasszon el kérésekkel egy lassú eszközt: Fogadó elküld egy kreditet (befogadóképességre vonatkozó adatot, puffer méretet) a küldőnek. Az csak max. ennyit küldhet, utána meg kell állítania a küldést új kredit érkezéséig.  eltérő sebességek miatti adatvesztés elkerülhető


Tranzakciós réteg 

Síntevékenységeket kezeli. Pl.: egy szó olvasása a memóriából két tranzakciót követel:  



CPU (v. DMA) kezdeményez és adatokat kér Céleszköz kezdeményezi az adatok küldését

Kapcsolati réteg szolgáltatásait új szolgáltatásokkal egészíti ki: 

Minden sávot nyolc virtuális áramkörre oszthat, melyek különböző jellegű adatforgamat bonyolíthatnak (mind a nyolc forgalmi osztálynak megfelelő címkékkel látja el a csomagokat, címkék attributumai lehetnek pl.: alacsony /magas prioritás, soron kivüliség, stb.. . Kapcsolólapka ezek alapján dönthet a következő kézbesítendő címkéről)


Tranzakciós réteg 

Minden tranzakció a köv. négy címtartomány valamelyikét használja:  Memóriaterület (közönséges írás/olvasás) 



I/O terület (eszköz regiszterének címzésekor) 



Eddigi rendszerekben is megvolt

Konfigurációs terület (rendszer kezdeti beállításakor) 



Eddigi rendszerekben is megvolt

PnP megvalósítására pl. jó

Üzenetterület (jelzések küldésekor, megszakítások esetén, stb.) 

Vezérlőjelek szerepét veszi át, amik pl. a PCI-nál megvannak, de PCIe-nél nincsenek


Szoftver réteg  

Operációs rendszerhez való kapcsolódást biztosítja Képes a PCI sín emulálására (amíg az OS nem tudja a PCIe-t használni direktben. A visszafele való kompatibilitás szükséges rossz.)

PCI Express információáramlás 





Szoftverréteg a parancsot a tranzakciós rétegnek adja, mely fejlécre és adatra bontja azt Kapcsolati réteg megszámozza és hibajavító kóddal látja el Fizikai réteg kerettel zárja a csomag mindkét végét és elküldi

PCI Express 

A PCI Express csomagkapcsolt működése teljesen a hardver része, operációs rendszer felé „transzparens”, míg a hálózatoknál a rétegek megvalósítása és kezelése szoftveres úton zajlik

PCI Express 

PCI Express csatlakozók (4 sávos, 16 sávos, 1 sávos, 16 sávos kapcsolatok és PCI csatlakozás)

PCI Express 

PCI Express 2.0 sebességek

PCI Express 2.0 Implementation

Encoded Data Rate

Unencoded Data Rate

x1

5 Gbps

4 Gbps (500 MB/sec)

x4

20 Gbps

16 Gbps (2 GB/sec)

x8

40 Gbps

32 Gbps (4 GB/sec)

x16

80 Gbps

64 Gbps (8 GB/sec)

  

2x-es sávszélesség Nagy teljesítményű eszközök támogatása (250-300W) PCIe Cable: akár 10 méteres kábeleken is lehet eszközt csatlakoztatni  bővítő dobozok (új fizikai tervezés lehetséges)

Alacsony sebességű eszközök csatolása 

 



PCI és PCIe csatolás jó a gyors eszközökhöz, de túl drága ahhoz hogy lassú eszközöket csatlakoztassunk rajtuk Lassú eszközökhöz olcsó és egyszerű felület kell Eredetileg minden eszközhöz saját kártya járt, a beépítés az átlag felhasználónak nehézkes, a beállítások bonyolultnak tűnnek Eddigi más külső csatolók (soros-, párhuzamos port) nem voltak teljesen standardek, valamint számos meghajtót (driver) kellett fejleszteni és karbantartani hozzájuk

USB (Universal Serial Bus) 



1993 – számos cég (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, stb..) megalkotta a lassú, olcsó eszközök csatolási szabványát, az USB-t. Pár irányelv: 

  

Ne kelljen a beállításokkal vesződni (jumperek, miniswitchek) Ne kelljen a gépben szerelni, a gépet kinyitni Egy fajta kábel legyen Energiát is ez a kábel szolgáltassa


Pár irányelv:   



Sok eszköz kapcsolható legyen Valós idejű eszközökkel is jó legyen (telefónia) Menet közben lehessen telepíteni az eszközöket, újraindítás nélkül Költségek ne legyenek magasak


USB 1.0 



USB 1.1 



1,5 Mbps – billentyű, egér, webkamera, szkenner, stb.. 12 Mbps – nyomtató, digitális fényképező

USB 2.0 

480 Mbps – külső tárolók

USB  



Root hub – csatlakozik a rendszersínre Root hub–ra további csomópontok és eszközök csatlakoznak  fa struktúra 4-eres kábel:   

2 adat 1 tápfeszültség 1 föld

USB 

USB adatok  



Feszültségátmenet: „0” Fesz.átmenet hiánya: „1”

Új eszköz:  





Root hub érzékeli, megszakítást kér OS megnézi milyen eszköz „jött”, mekkora sávszélesség kell neki Ha van elég sávszél, az OS címet, egyedi azonosítót ad Adatokat konfigurációs regiszterbe tölti

USB 

USB-rendszer logika 





Eszköz és központi csomópont közötti bitcsatornák Minden eszköz 16 alcsatornára oszthatja a csatornáját Az adatok mindig a központi csomópont és eszköz között mennek, eszközök között nincs forgalom

USB 



Központi csomópont 1,00±0,05 ms-enként új üzenetváltási keretet (frame) küld szét, melynek segítségével minden I/O-eszköz szinkronizál Egy ilyen keret  

Egy bitcsatornához kötődik Csomagokból áll, melyből az elsőt mindig a központi csomópont küldi ki az eszköznek, többi csomag iránya lehet más (eszközközponti csomópont)

USB 

Négy keretből álló sorozat:

Payload: hasznos adat

USB 

0,2 keretben nincs feladat, csak egy SOF (Start of Frame) csomagot kell küldeni (központ mindig minden eszköznek továbbítja)

USB 

1 keretben: lekérés egy eszköztől (pl. szkenner), 3-as keretben írás (pl. nyomtatóra)

USB 

USB négy keretet különböztet meg: 







Vezérlési keret  Eszközök konfigurálására szolgál, parancsok küldése v. állapot lekérdezése Izoszinkron keret  Valós idejű eszközök használják (telefon, mikrofon, hangszóró), melyeknek pontos időközönként adatot kell küldeniük vagy kapniuk. Hiba esetén nincs ismétlés Tömeges adat keret  Nem valós idejű, nagy mennyiségű adatátvitel Megszakítási keret  USB nem támogatja a megszakításokat, pl. a billentyűzet nem megszakítást kér, hanem az OS 50 ms-ként begyűjti a lenyomott billentyűk kódjait

USB 

Egy keret egy v. több csomagot tartalmaz 

TOKEN 

Központi vezérlőből az eszközök felé mennek és vezérlik azt. Pl.:  

 



SOF – Start of Frame, minden keret ezzel indul IN – Eszköztől kér adatot, lekérdezés. IN-csomag mezők azonosítják a bitalcsatornát – eszköz tudja milyen adatokat kell visszaküldenie OUT – Eszköz számára adatok jönnek SETUP – eszköz konfigurálásban használják

ADAT 

Max. 64 byte küldése egyik irányban

USB 


ADAT  8 bites szinkronizációs mezőből (SYN),  8 bites csomagtípusból (PID),  Hasznos adatból  16 bites CRC kódból áll

USB 


Három kézfogás csomag  ACK – rendben megjött az előző  NAK – CRC hiba az átvitelben  STALL – várni kell, eszköz elfoglalt

USB Interface 

USB 1.1 (1998) 

UHCI (Universal Host Controller Interface) 



Intel tervezte, a feladatok zömét szoftveresen kell megoldani (olcsóbb, de több CPU-t „eszik”)

OHCI (Open Host Controller Interface) 

Compaq/MS tervezte, feladatok zömét hardveresen kell megoldani (drágább, de kevesebb CPU-t „eszik”)

USB Interface 

USB 2.0 (2000) 

EHCI (Enhanced Host Controller Interface) 



USB 2.0 sebesség 



Csak ez tud gyors átvitelt, de virtuálisan tud OHCI v. UHCI üzemmódban is működni, kompatibilis a lassabb eszközökkel (4 virtuális HCD, mely a VIA és Intel EHCI-ken UHCI, többin OHCI ; HCD: Host Controller Device)

480 Mbps

USB 2.0 versenytárs: IEEE 1394 „FireWire” 

400 Mbps (videók, mozgóképi eszközök szabványa)

USB csatlakozók 

Robusztus 

  

 

Nem sérülékeny

Nehéz rosszul csatlakoztatni Olcsó az előállítása A más-más végek (USB A,B, USB mini A,B) a topológiát támogatják, nem lehet körkörös kapcsolást létrehozni Kis erőfeszítéssel bontható kötések A külső fémkeret érintkezik először – statikus töltések elvezetése

USB csatlakozók   

USB A USB B USB Mini A & B

Kapcsolat a perifériákkal 

A számítógép főbb részei    

CPU Memória Sín I/O vezérlő 

A gép ezeken keresztül kommunikál a külvilággal


Számos I/O lapka van forgalomban, gyakoriak:     

UART USART Képernyőmeghajtók Diszkvezérlők PIO lapkák


UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)   

Adatsínről 1 byte-ot képes olvasni és azt bitenként továbbítja soros vonalon a terminál felé Soros adatokat fogad a terminál felől Sebességek: 



50 bps – 19200 bps

Karakterszélességek:  

5-8, 1, 1.5, 2 stop bittel Páros/páratlan/kikapcsolt paritással


USART (Universal Synchronous Receiver/Transmitter)  

Szinkron működés UART lapkák összes funkcióját megvalósítják

Kapcsolat a perifériákkal  

PIO (Parallel I/O) Pl.: Intel 8255A


24 I/O vonal, bármilyen TTL (TransistorTransistor Logic – kapugyártási technológia) eszközhöz kapcsolódhat, pl. billentyűzet, nyomtató


Központi egység programja bármely vonalára 0-t vagy 1-t tud írni, vagy bármely vonalát be tudja olvasni


Egy működési mód:    

3 különálló, független 8 bites portra osztjuk (A,B,C) Mindegyik porthoz tartozik egy 8 bites regiszter Kimenet: amíg a regiszterben érték van, az látszik a kimenő vonalon Bemenet: a bejövő adat bekerül a regiszterbe


Másik működési mód:  



Kézfogás a külső eszközökkel Egyik porton küldi az adatokat, másikon pedig impulzusokat vár a külső eszköztől, így kommunikál hogy jöhetnek-e a további adatok Impulzusokat tárolni tudja és CPU felé továbbítani

Kapcsolat a perifériákkal  

3 port: 24 érintkező További 8 kivezetés:  

CS – lapkaválasztó; WR – írás; RD – olvasás; RESET – alapállapot; A0-A1 – címvezeték (melyik belső regiszterrel dolgozunk); D0-D7 – adatsínre csatlakozik

Digitális logika szintje összefoglalás 



 

Számítógépek integrált áramköri lapkákból épülnek fel, melyek kis kapcsolókat, kapukat tartalmaznak (ÉS, VAGY, NEM, NEM-ÉS, NEM-VAGY) – egyszerű áramkörök építhetőek Bonyolultabb áramkörök: multiplexerek, demultiplexerek, kódolók, dekódolók, regiszterek, ALU-k Tetszőleges Boole-fv. megvalósítható PLA-kal Aritmetika eszközei az összeadók, félösszeadók (több bites építhető 1 bitesekből)



Memóriák (statikus) építőkövei a tárolók és flip-flopok. Egyszerű regisztereket vagy bonyolultabb, szószervezésű memóriákat építhetünk belőlük

Digitális logika szintje összefoglalás     



Számítógépek alkotóelemeit sínek kötik össze Tipikus CPU pár regisztere sínvezetéket vezérel Sínvezetékek: cím-, adat-, vezérlővonal Szinkron/aszinkron sínek P4 tipikus modern CPU. A rendszerben tipikusan 1 memóriasín, 1 PCI sín, USB sín van. PCI sín szinte minden eszközhöz elég, kivéve RAM. Amihez nem jó, ott új sínek, jelenleg PC-kben PCIe terjed Külső egységek (fényforrás, nyomtató, kapcsolók) a számítógéphez párhuzamos I/O lapkákkal köthetők

Digitális Logika szintje. Sínek - PCI

Recommend Documents