ISA. Krzysztof Nowaliński

Transkrypt

1 ISA Magistrala ISA (ang. Integrated System Architecture) była 8- bitową magistralą oryginalnego komputera IBM PC z roku Szerokość magistrali została zwiększona do 16 bitów w komputerze IBM PC/AT, który pojawił się w 1984 roku. W swojej 8-bitowej wersji była przystosowana do współpracy z procesorem Wraz z pojawieniem się procesorów 286 opracowano jej wersję 16-bitową. Magistrala ta jest taktowana zegarem o częstotliwości ok. 8 MHz, co przy 16-bitowej szerokości daje teoretyczną maksymalną prędkość transmisji ok. 8 MB/s. W praktyce prędkość ta jest jeszcze ograniczona protokołami transmisji i wynosi ok. 4 MB/s. Złącza magistrali ISA są zawsze w kolorze czarnym. Magistrala ta była stosowana do podłączania kart rozszerzeń nie wymagających duŝych prędkości transmisji,

2 ISA 8-bitowa (20 bitów adresu) 62 styki 16-bitowa (24 bity adresu) 36 styków rozszerzenia teoretyczna szybkość 8 MB/s (efektywna w granicach od 1,6 MB/s do 1,8 MB/s ) Jest to 16 bitowa magistrala, taktowana częstotliwością 8 MHz, której maksymalna realna przepustowość wynosi ok. 4-5 MB/s. Złącze tej magistrali składa się z dwóch sekcji 62 i 36 stykowej. Występują dwa rodzaje kart tzw. Długie czyli posiadającą takŝe sekcje 36 stykową. Karty te operują na słowie 16 bitowym, mają dostęp do większej ilości przerwań oraz kanałów DMA. Drugi rodzaj kart to karty krótkie czyli mające tylko sekcję 62 stykową. Urządzenie na tych kartach operują na słowie 8 bitowym.

3 ISA Opracowano dwie wersje magistrali ISA róŝniące się od siebie liczbą bitów, które mogą być przesłane magistralą w czasie pojedynczego cyklu. Starsza wersja magistrali jest 8-bitowa, a nowsza 16-bitowa. Oryginalna magistrala 8-bitowa w komputerach PC i XT pracowała z częstotliwością 4,77 MHz. 16-bitowa wersja, zastosowana w AT, pracowała najpierw z częstotliwością 6 MHz, a później 8 MHz. Ostatecznie producenci sprzętu wspólnie ustalili częstotliwość 8,44 MHz jako maksymalną szybkość dla 8- i 16-bitowej magistrali ISA. Częstotliwość ta została uznana za standard w celu zapewnienia kompatybilności z kartami, które będą pojawiały się w późniejszych latach. Niektóre komputery są wyposaŝone w magistralę ISA, która moŝe pracować szybciej, jednak część kart rozszerzających moŝe nie działać poprawnie z wyŝszymi prędkościami. Pojedynczy transfer danych przez magistralę ISA zajmuje od dwóch do ośmiu cykli. Stąd teoretyczny maksymalny transfer dla magistrali ISA wynosi ok. 8 MB/sek. Wynika to z następujących obliczeń: 8 MHz x 16 bitów = 128 Mbit/sek. 128 Mbit/sek / 2 cykle = 64 Mbit/sek. 64 Mbit/sek / 8 = 8 MB/sek

4 ISA Szerokość pasma przenoszenia magistrali 8-bitowej wynosiłaby połowę tej wartości (4 MB/sek.). NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe powyŝsze wartości stanowią pewne teoretyczne maksimum. Efektywne pasmo przenoszenia jest o wiele niŝsze - zazwyczaj o połowę - wynika to z zastosowania dodatkowych protokołów magistrali zewnętrznej. Pomimo to, magistrala ISA z szybkością transferu rzędu 8 MB/sek. jest wciąŝ szybsza od wielu urządzeń, które są do niej podłączane.

5 EISA (Extended Industry System Architecture) System ten stanowi istotny krok na drodze do wykorzystania pełnych moŝliwości procesorów 32- bitowych. Architektura ta była niezwykle kosztowna ze względu na swoją komplikacje; karty ISA moŝna było instalować w gniazdach EISA a więc zachowano pełną zgodność "w dół". Z tego teŝ względu aby uniknąć komplikacji magistrala EISA odziedziczyła 8 MHz zegar. Jednak osiąga ona przepustowość 33MB/s dzięki temu Ŝe wymaga minimum 1 cykla zegara dla transferu danych (dla ISA były to 4 cykle).

6 EISA Dowolny kontroler (procesor) umieszczony na jednej z kart rozszerzających EISA ma nieograniczone moŝliwości sterowania magistralą systemową. Oznacza to, Ŝe w systemie mogą współpracować ze sobą roŝne procesory mające dostęp do tych samych zasobów komputera, takich jak dyski, pamięci itp. Karty EISA mają do dyspozycji, oprócz wielu sygnałów sterujących, 32-bity systemowej szyny adresowej i 32 bity systemowej szyny danych. Aby zachować wymóg zgodności z kartami ISA, gniazda EISA mają szczególną konstrukcję. Styki gniazd ułoŝone są na 2 poziomach. Poziom górny dostarcza wszystkich sygnałów ISA, natomiast w dolnym, połoŝonym w głębi gniazda, rozlokowane są końcówki EISA. Normalna karta ISA nie moŝe być wsunięta tak głęboko, by sięgnąć linii dodatkowych styków co uniemoŝliwiają specjalne zapory.

7 MCA Microchannel (Micro Channel Architecture) - 32-bitowa magistrala skonstruowana przez IBM specjalnie dla komputerów z procesorami 80386DX. Taktowana jest zegarem 10 MHz i z tego względu nie jest kompatybilna z kartami typu ISA. Architekturę MCA wprowadzono w 1987 roku, obecnie nie ma juŝ większego znaczenia na rynku.

8 VESA Local Bus, system 32-bitowej szyny lokalnej dedykowanej w zasadzie obsłudze tylko 2 urządzeń - karty grafiki i kontrolera dysków, chociaŝ teoretycznie moŝna do niej dołączyć 5 urządzeń zewnętrznych. Rozwiązanie to jest swego rodzaju dodatkiem do architektury ISA, gdyŝ wymaga rozszerzenia zwykłego złącza ISA o złącze VLB. Daje to moŝliwość uŝytkowania w takim gnieździe zarówno kart nowego standardu jak i zwykłych kart ISA nie czerpiących korzyści z rozszerzenia architektury Magistrala ta taktowana jest zegarem procesora (lub jego połową w DX2), którego częstotliwość nie moŝe jednak przekraczać 40 MHz. Przepustowość szyny sięga 120MB/s, co głównych konkurentów pozostawia daleko w tyle.

9 PCI (Peripherial Component Interconnect) PCI jest niezaleŝna od typu procesora i dała się łatwo przystosować do systemów 32-bitowych, stanowi ona szybki pomost pomiędzy jednostką centralną CPU a urządzeniami zewnętrznymi. Realizuje ona przesyłanie danych między dwoma szynami komputera: lokalną procesora i systemową wejścia / wyjścia.

10 PCI Szyna PCI taktowana jest częstotliwością 33MHz co przy szerokości 32-bity pozwala osiągnąć przepustowość 133MB/s, czyli niewiele większą niŝ dla Vesa Local Bus. PCI umoŝliwia pracę w trybie seryjnym burst mode. W tradycyjnym trybie adresowania danych, w adresowaniu liniowym, większe fragmenty informacji zapisane w pamięci przesyłane są do procesora (i z powrotem) małymi porcjami. Za kaŝdym razem poszczególnym porcjom danych przypisywany jest nowy adres (zwiększany liniowo). Tryb seryjny (burst) umoŝliwia przesyłanie większej liczby porcji danych bez potrzeby podawania adresu dla kaŝdej porcji z osobna. Zwiększenie wydajności pracy szyny PCI osiągnięto równieŝ przez wprowadzenie techniki nadrzędnego sterowania magistralą (bus mastering) i przesyłanie współbieŝne (concurrency).

11 PCI Sterowanie nadrzędne polega na tym, Ŝe kaŝde z inteligentnych urządzeń zewnętrznych (wyposaŝone zazwyczaj w odrębny procesor) moŝe przejąć od procesora centralnego zarządzanie magistralą. dzięki współbieŝności, procesor główny moŝe pracować równolegle z kontrolerem urządzenia zewnętrznego, innymi słowy nie musi czekać na zwolnienie magistrali. Na przykład procesor CPU moŝe wykonywać obliczenia zmiennoprzecinkowe, podczas gdy szyną PCI będą przesyłane dane do sieci. Dzięki dodatkowym układom buforującym do magistrali PCI moŝna podłączyć do 10 urządzeń zewnętrznych, czyli nie tylko kartę graficzną i sterownik dysków - jak miało to miejsce w przypadku VESA, lecz równieŝ inne karty rozszerzeń

12 W magistrali PCI zachowano pełną zgodność z istniejącymi realizacjami szyn systemowych. Poprzez specjalne pomosty (grupy wyspecjalizowanych układów) moŝna do niej dołączyć wszelkie karty rozszerzeń wykonane w standardzie ISA, EISA, MCA. Najpopularniejszy pomost - pomiędzy magistralą PCI i zwykłą ISA (PCI to ISA Bridge) umoŝliwiał poprawną komunikację, pracującej z częstotliwością 33MHz, magistrali PCI z relatywnie powolną 8MHz magistralą ISA. Magistrala PCI została zaprojektowana dla kart zasilanych dwoma napięciami: 3,3V i 5V. Istnieje równieŝ moŝliwość zainstalowania w gnieździe PCI karty uniwersalnej zasilanej napięciami 5 lub 3,3V, która posiada dwa wcięcia. Dla kaŝdej karty zdefiniowane są tzw. rejestry konfiguracyjne. Przy ładowaniu systemu procesor odczytuje zapisane w nich dane i rozpoznaje, jaka karta jest umieszczona w gnieździe. Instalacja i inicjacja karty następuje potem w pełni automatycznie. PCI

13 Standardy PCI

14 PCI

15 procesor Pamięć cache Sterownik układów pamięci / interfejs magistrali PCI Pamięć DRAM Karta dźwiękowa Karta video Magistrala lokalna PCI LAN SCSI Interfejs magistrali zewnętrznej Karta graficzna Standardowe urządzenia wejścia / wyjścia Magistrala ISA / EISA

16 PCI-X (PCI64) (Peripheral Component Interconnect Extended) jest szybszą wersją znanego standardu PCI. PCI-X 2.0 osiąga przesył 533 MHz. Szyna ta oferuje transmisję danych rzędu 4,3 GB/s, czyli 32 razy szybciej niŝ pierwsze PCI. Magistrala ta jest wstecznie zgodna z PCI (zarówno stare karty pasują do nowych gniazd, jak i nowe karty do starych gniazd), istotne jest tylko dopasowanie napięciowe (jednak rodzaj złącza uniemoŝliwia pomylenie kart 5 V i 3.3 V).

17 Standardy PCI-X

18

19 Przepustowość magistral Typ Szerokość Zegar Wydajność ISA 16 bits 8 MHz 16 MBps EISA 32 bits 8 MHz 32 MBps VL-bus 32 bits 25 MHz 100 MBps VL-bus 32 bits 33 MHz 132 MBps PCI 32 bits 33 MHz 132 MBps PCI 64 bits 33 MHz 264 MBps PCI 64 bits 66 MHz 512 MBps PCI 64 bits 133 MHz 1 GBps

20 AGP magistrala opracowana przez inŝynierów firmy Intel. Standard ten nie został stworzony z myślą o wyeliminowaniu szyny PCI, lecz po to aby ją uzupełnić. w przypadku niektórych aplikacji (zwłaszcza 3D) standardowe 132 MB/s oferowane przez PCI juŝ nie wystarczało stąd idea magistrali AGP: karta graficzna z nową magistralą moŝe uŝyć dowolnej ilości pamięci operacyjnej komputera, a dzięki niezaleŝnej szynie sprzętowej zapewnia bardzo szybki transfer danych.

21 Standardy AGP AGP x1 - standardowa szybkość szyny 266 MB/s przy częstotliwości taktowania 66 MHz (czyli dwa razy więcej niŝ w przypadku szyny PCl) i 32-bitach szerokości (5V) AGP x2 32-bity / 66 MHz / podwójna przepływność - maksymalna przepustowość 533 MB/s. Transfer danych jest inicjowany narastającym i opadającym zboczem sygnału taktującego, obniŝone napięcie z 5V do 3,3V. )w efekcie następuje pozorny wzrost częstotliwości zegara do 133 MHz) AGP x4-32-bity / 66 MHz / poczwórna przepływność - teoretyczna przepustowość sięga 1066 MB/s a praca odbywa się przy obniŝonym do 1,5V napięciu. AGP x8-32-bity / 66 MHz / ośmiokrotna przepływność - teoretyczna przepustowość sięga 2133 MB/s a praca odbywa się przy obniŝonym do 0,8V napięciu.

22 AGP Dodatkowo szyna AGP potrafi inicjować kolejny transfer danych, mimo tego, iŝ poprzedni się jeszcze nie zakończył. W przypadku standardu PCI polecenie transmisji danych moŝe być rozpoczęte dopiero po zakończeniu poprzedniego transferu.

23 AGP Tak więc do głównych zalet AGP naleŝą: do 16x większa niŝ w przypadku PCI szybkość transmisji danych graficznych; moŝliwość pobierania tekstur bezpośrednio z pamięci operacyjnej komputera; szybszy dostęp procesora do danych w pamięci RAM, niŝ w lokalnej pamięci karty graficznej; przeznaczenie jedynie dla kart graficznych. Nie ma konieczności dzielenia się szyną z innymi urządzeniami, jak w przypadku PCI (na przykład karta graficzna, sieciowa itp.). Na sukces AGP składały się następujące technologie: DIME (Direct Memory Execute) - czyli moŝliwość szybkiego pobierania tekstur z pamięci operacyjnej, bez ich uprzedniego umieszczania w pamięci karty graficznej; GART (Graphics Address Remmaping Table) - wolna pamięć RAM jest tu widziana przez kartę graficzną jako jej własny obszar pamięci. Mimo Ŝe nie widać tego na pierwszy rzut oka, AGP stanowi jedynie pewne przedłuŝenie magistrali PCI i nie jest magistralą jako taką. Nie ma i nie będzie płyt głównych z wieloma gniazdami AGP bowiem jedynym urządzeniem umieszczonym w takim gnieździe moŝe być karta grafiki. Karty AGP posiadają dwustronną listwę połączeniową o 132 kontaktach.

24 AGP

25 PCI-Express szyna szeregowa PCI-Express (3GIO 3rd Generation I/O) - łączącą dwa punkty (Point-to-Point) - ma w załoŝeniu być bardzo uniwersalna i wyprzeć z rynku swych poprzedników AGP dla kart graficznych oraz PCI dla kart rozszerzeń. O ile w przypadku akceleratorów graficznych konstrukcja ta sprawdziła się doskonale, to w przypadku kart rozszerzeń bardziej popularny nadal jest PCI. sygnał ze złącza przekazywany jest poprzez dwie linie (fullduplex). Częstotliwość taktowania wynosi 2.5GHz. do kaŝdych ośmiu bitów danych dodano dwa dodatkowe bity sterujące zatem przepustowość jednej linii wynosi 250MB/s czyli w przypadku najwolniejszego złącza PCI-Express x1 łączny transfer sięga 500MB/s.

26 PCI-Express (3GIO) MoŜliwe jest kilka wariantów tej magistrali - z 1, 2, 4, 8, 12, 16, 24 lub 32 liniami (kaŝda składająca się z dwóch 2 pinowych części - nadawczej i odbiorczej). Wraz ze wzrostem liczby linii wydłuŝeniu ulega gniazdo, jego konstrukcja (poprzez wspólna część początkową i jedynie dodawanie na końcu nowych linii) umoŝliwia włoŝenie wolniejszej karty do szybszego gniazda (w drugą stronę jest niemoŝliwe). Gniazdo 1x ma 18 pinów z kaŝdej strony, gniazdo 4x - 32, gniazdo 8x - 49, zaś gniazdo 16x - 82 piny z kaŝdej strony. Podstawowe zalety magistrali PCI Express to Skalowalność kompatybilność programowa z PCI uniwersalność zastosowań - od komputerów biurkowych do serwerów.

27

28 PCI-E x1 x16 x4

29 Z nieoficjalnych źródeł wiadomo, Ŝe juŝ za dwa miesiące na rynku pojawią się produkty wyposaŝone w interfejs zgodny ze specyfikacją PCI Express 2.0. W stosunku do pierwszej wersji standardu dokonano kilkunastu istotnych zmian. zwiększono ilość energii jaką moŝna przesyłać szyną PCI Express. Dotychczas było to 75 W co wystarczało tylko kartom z niskiego i średniego przedziału cenowego. Teraz sprawa staje się wręcz paląca, bo na horyzoncie mamy karty graficzne z procesorami NVIDIA G80 i ATI R600, które mają potrzebować bagatela ok 225 i 300 W energii. Istotną zmianą jest takŝe podwojenie przepustowości interfejsu. Nowa wersja ma oferować przepustowość 5 Gbps (z 250 MB/s do 500 MB/s na linię). Ciekawostką jest dopuszczenie moŝliwości połączenia kart 10- metrowym miedzianym kablem, który ma oferować przepustowość na poziomie pierwszej wersji standardu, a więc 2,5 Gbps.

30

31 PCI a PCI-Express

32 SCSI Small Computer Systems Interface - równoległa magistrala danych przeznaczona do przesyłania danych między urządzeniami. Wszystkie urządzenia podłączone do magistrali są równorzędne, kaŝde z nich moŝe pełnić rolę zarówno inicjatora (rozpoczynać operację) jak i celu (wykonywać operację zleconą przez inicjator). Niektóre urządzenia potrafią pełnić tylko jedną z ról. W znakomitej większości konfiguracji do magistrali poprzez kontroler podłączony jest jeden komputer oraz urządzenia pamięci masowej (dyski twarde oraz napędy taśmowe). KaŜde z urządzeń podłączonych do magistrali SCSI posiada unikatowy w obrębie magistrali adres - identyfikator (ang. SCSI ID). Pierwotnie do adresowania urządzeń wykorzystywane były trzy bity magistrali co pozwalało na połączenie ze sobą maksymalnie 8 urządzeń. W chwili gdy magistrala danych rozrosła się do szerokości 16 bitów została równieŝ rozszerzona do 4 bitów część adresująca urządzenia. Identyfikator pełni równieŝ rolę priorytetu przy rozstrzyganiu próby jednoczesnego dostępu więcej niŝ jednego urządzenia do magistrali. Zwyczajowo kontroler posługuje się identyfikatorem 7.

33 SCSI Magistrala SCSI pozwala na podłączenie dysku do więcej niŝ jednego komputera (tzw. układ V). MoŜliwe jest równieŝ przesyłanie danych bezpośrednio pomiędzy urządzeniami bez ingerencji komputera (np. wykonanie kopii macierzy dyskowej na taśmie magnetycznej) Magistralę SCSI moŝna podzielić ze względu na kilka kryteriów: sposób transmisji: asynchroniczny synchroniczny prędkość (częstotliwość) transmisji 5 MHz 10 MHz 20 MHz 80 MHz 160 MHz (przy 16 bitach daje to 320 MB/s) szerokość magistrali 8 bitów 16 bitów

34 SCSI WyróŜniamy kilka odmian SCSI: SCSI-1: pierwsza wersja standardu. Pozwalała na transfer z prędkością 5 MB/s na odległość 6 m, SCSI-2: kolejna wersja standardu. Składa się z dwóch wariantów, zwiększających transfer do 10 lub 20 MB/s (odpowiednio Fast SCSI i Wide SCSI). Maksymalna odległość to około 3 metry, SCSI-3: znany jako Ultra SCSI, prędkość transferu MB/s, teoretycznie maksymalna odległość zostaje nadal 3 metry, Ultra2 SCSI: wprowadzono technologię Low Voltage Differencial, pozwalającą na zwiększenia maksymalnej odległości do ~12 m. Prędkość transferu MB/s, Ultra3 SCSI (Ultra160 SCSI): maksymalny transfer 160 MB/s, dodano funkcje wspomagające wykrywanie i usuwanie przekłamań. Ultra4 SCSI (Ultra320 SCSI): maksymalny transfer 320 MB/s. Elektryczna budowa magistrali SCSI wymaga zakończenia jej specjalnym terminatorem. System SCSI jest obecnie wykorzystywany głównie w wysokiej klasy serwerach i stacjach roboczych.

35 AMR Audio Modem Riser zostało opracowane przez firmę Intel. słuŝy do instalacji się specjalnych kart rozszerzających - najczęściej modemu (standard MC97) lub karty dźwiękowej (standard AC97).

36 Opracowany przez Intela standard podwyŝszający szybkość działania kart sieciowych, "telekomunikacyjnych" i muzycznych oraz umoŝliwiający stosowanie nowszych kart na starszych płytach (oczywiście jeśli są one wyposaŝone w odpowiednie gniazdo) Interfejs pozwalający na dołączenie właściwego w danym przypadku interfejsu sieciowego: modemu V.90 czy terminal-adaptera ISDN, sterownika Ethernet czy Fast Ethernet, a takŝe warstwy fizycznej sterownika domowych sieci lokalnych Home PNA. CNR Communication and Networking Riser

37 AMD K-7

38 INTEL C4

39 AMD K-8

40 Porównanie wybranych magistral systemowych

41 Charakterystyki szyny Hyper Transport

42

43

44

45 Athlon XP

46 Athlon 64

47 Jaka jest najwaŝniejsza róŝnica? w systemie z KT600 procesor z pamięcią komunikują się za pośrednictwem mostka północnego, w systemie z K8T800 - bezpośrednio. W systemie z Athlonem XP chipset odpowiada za koordynację działań procesora i pamięci - wszystkie dane wymieniane między nimi przechodzą przez mostek północny. Jak waŝna więc jest w takim systemie synchronizacja, minimalizacja opóźnień, jak duŝy ujemny wpływ mogą mieć wszelkie spowolnienia wiemy nie od dziś. Tylko tryb synchroniczny zapewnia optymalny przepływ danych maksymalizujący wydajność. W systemie z A64 chipset nie zajmuje się przesyłaniem danych i nie bedzie miał wpływu na wydajność podsystemu pamięci. Wszystkie sprawy związane z komuniikacją procesora z pamięciami przejął na siebie procesor. Chipset słuŝy od teraz tylko do komunikacji bloku CPU-pamięci z resztą systemu.

48 W systemie z KT600 chipset komunikuje się z procesorem z częstotliwością 400MHz (magistrala FSB 200MHz w trybie DDR). Jednocześnie procesor i pamięci mogą się porozumiewać maksymalnie z taką częstotliwością. W systemie z K8T800 komunikacja ta zachodzi z częstotliwością MHz (magistrala HT z mnoŝnikiem ustalanym w BIOSie - defaultowo x4, co daje 800MHz). Nawet gdyby to chipset musiałby się zajmować przesyłaniem danych między procesorem a pamięciami, wpływ opóźnień przy 800MHz byłby mniejszy. Do czego przyda się przepustowość łącza HyperTransport? Do przesyłania danych z/do portu AGP? Chyba nie, bo jego maksymalna przepustowość jest za mała. MoŜe w przyszłości w czasach PCI-Express będzie wykorzystana.

49 PCI, PCIX, PCI-E AMR i CNR art/tajniki%20a64.html (porównanie Athlonów i RAM-u) =274&Itemid=37 (kręcenie pamięci w K8 a K7 i P4)