MAGISTRALE I/O DLA DSI II

Transkrypt

1 MAGISTRALE I/O DLA DSI II

2 Magistrala komunikacyjna Magistrala to ścieżka łącząca ze sobą różne komponenty w celu wymiany informacji miedzy nimi. Zespół linii oraz układów przełączających, służących do przesyłania sygnałów między połączonymi urządzeniami w systemach mikroprocesorowych, złożony z trzech współdziałających szyn. Magistrala PCI Express

3 Rodzaje magistral magistrala lokalna umożliwia zwiększenie szybkości komunikacji z magistrala procesora, magistrala wejścia-wyjścia służąca do podłączenia kart rozszerzeo magistrale zewnętrzne służą do przyłączania urządzeo zewnętrznych: modemy, drukarki, skanery, kamery internetowe, klawiatury, myszy.

4 Transmisja szeregowa i równoległa Wymiana informacji pomiędzy komponentami komputera zależy między innymi od liczby przesyłanych bitów w odcinku czasu. Mogą one byd przesyłane szeregowo lub równolegle. W transmisji szeregowej dane są wysyłane w sposób sekwencyjny w postaci jednego ciągu bitów (bit po bicie). Transmisja równoległa polega na jednoczesnym wysyłaniu większej ilości bitów (w porcjach po 8,16,32,64 itd.). W odcinku czasu przesyłanych jest kilka bitów lub bajtów informacji

5 Transmisja szeregowa i równoległa Odcinek czasu Poszczególne bity Kierunek transmisji Przepływ bitów podczas szeregowej transmisji danych Odcinek czasu Poszczególne bity Przepływ bitów podczas równoległej transmisji danych Kierunek transmisji

6 Transmisja danych cyfrowych Transmisja asynchroniczna: dane przesyłane są w postaci pakietów, najczęściej po 8 bitów. Brakuje sygnału sterującego przepływem strumienia danych. W celu kontroli transmisji do każdego bajta danych dodawane są dwa lub trzy bity sterujące (np.: modem analogowy podłączony do portu szeregowego PC). Wady: nadmiarowośd wysyłanych informacji, przerwy na odczyt ustalonej wartości bitów Bit sta rtu Bity danych Bit sto pu Bit sta rtu Bity danych Bit sto pu Bit sta rtu Bity danych Bit sto pu Bit sta rtu Bity danych Bit sto pu

7 Transmisja danych cyfrowych Komunikacja synchroniczna: przepływ danych jest kontrolowany za pomocą sygnału sterującego. Impulsy taktujące pozwalają na utrzymanie stałego tempa przepływu bitów, dzięki czemu nie powstają przerwy w przesyłaniu informacji. (np.: USB i PCI- Express) Sygnał sterujący Bity danych Bity danych Bity danych Bity danych Bity danych Bity danych Bity danych Bity danych

8 Metody transmisji Simplex dane mogą byd wysyłane tylko w jednym kierunku. Nadajnik nadaje, odbiornik odbiera (port LPT) Half-duplex podczas gdy jedna strona transmisji przesyła informacje, druga może je tylko odbierad. Po odebraniu informacji druga strona może zacząd przesyład dane do pierwszej (krótkofalówka) Full duplex pozwala na jednoczesne wysyłanie i odbieranie danych (telefon)

9 ISA ISA (ang. Industry Standard Architecture - standardowa architektura przemysłowa) to standard magistrali oraz łącza dla komputerów osobistych wprowadzony w roku 1984, jako rozszerzenie architektury IBM PC/XT do postaci szesnastobitowej. Służy do przyłączania kart rozszerzeo do płyty głównej. Pod koniec lat 90 dwudziestego wieku znaczenie tej architektury zaczęło maleć, a jej funkcje przejmował standard PCI. Złącza ISA na płycie głównej starszego typu

10 Typowe parametry złączy ISA szyna danych 16-bitowa lub 8-bitowa szyna adresowa 24-bitowa brak sygnałów związanych z DMA sygnały sterujące: MEMR, MEMW, IRQ1, IRQ7, IRQ7, IRQ9, IRQ12, IRQ14, IRQ15, CLK, OSC teoretyczna szybkośd 8 MB/s (efektywna w granicach od 1,6 MB/s do 1,8 MB/s )

11 szyna danych 8-bitowa szerokość szyny: 8 bit kompatybilna z : 8 bit ISA ilość kontaktów: 62 Vcc Zegar : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V : 4.77 MHz

12 szyna danych 16-bitowa szerokość szyny: 16 bit kompatybilna z: 8 bit ISA, 16 bit ISA ilość kontaktów: 98 Vcc : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V Zegar : 8.33 MHz

13 16 bitowe złącze ISA kart rozszerzeń

14 EISA EISA (z ang. Extended Industry Standard Architecture - Rozszerzona Standardowa Architektura Przemysłowa) - magistrala danych zaprojektowana specjalnie dla 32-bitowych komputerów Aby zapewnić jej kompatybilność z szyną ISA, taktowana jest zegarem 8,33 MHz. Dość duża prędkość transmisji danych (33 MB/s) nie jest tyle rezultatem częstotliwości taktowania, co szerokości szyny. Magistrala EISA obsługuje standard Plug&Play w przeciwieństwie do swojej poprzedniczki - ISA.

15 Opis styków złącza EISA Trzy sloty EISA

16 VESA Local Bus (VLB) VESA Local Bus, (ang. Video Electronics Standards Association Local Bus, VL Bus, VLB) - 32-bitowa szyna danych opracowana przez VESA (Zrzeszenie do spraw Standardów Elektroniki Wideo). System Local Bus pojawił się na rynku PC po raz pierwszy w połowie 1992 roku kiedy konsorcjum VESA ustaliło standardową specyfikację tej magistrali, nazywaną VL Bus. W przeciwieństwie do EISA Bus, VL Bus taktowana jest z zewnątrz z częstotliwością zegara procesora. Karty współpracujące z magistralami ISA (8 lub 16 bit) taktowane zegarem 8 MHz, nie mogły pracować z większymi częstotliwościami niż 10 MHz. Aby nie trzeba było takich kart wymieniać, projektanci płyt głównych z systemem VESA Local Bus zaprojektowali swoje łącze tak, że stało się ono rozszerzeniem standardowego 8/16-bitowego interfejsu ISA, taktowanego zegarem 8 MHz. Dzięki takiemu rozwiązaniu VESA Local Bus jest w pełni kompatybilna ze starszymi kartami rozszerzającymi ISA. Wedle definicji standardu VESA na płycie głównej każdego komputera z magistralą Local Bus powinny znajdować się 3 gniazda dla jej kart rozszerzających. Sloty szyn Local Bus zostały podobnie jak to miało miejsce przy rozbudowie magistrali PC Bus do AT Bus, wydłużone. Dlatego też gniazda kart tego typu są trzyczęściowe. Do dwuczęściowego rozszerzenia 16-bitowego dołączono kolejne złącze dla kart 32-bitowych.

17 VESA Local Bus Złącze to wykorzystywane było głównie przez karty graficzne, oraz kontrolery wejścia-wyjścia. W mniejszej ilości przypadków, przez karty sieciowe. Głównym konkurentem łącza VESA Local Bus, było PCI, które w efekcie zastąpiło łącza VLB. Stało się to dlatego że VLB było mocno zależne od magistrali FSB stosowanego procesora (główne sygnały sterujące, taktowanie zegara zgodne z zegarem FSB), przez co zmiany w specyfikacji FSB musiały pociągać zmiany w specyfikacji VLB. PCI nie miało tych mankamentów, specyfikacja interfejsu była niezależna od FSB.

18 Płyta główna ze złączami VLB

19 Opis wyjśd magistrali VESA Local Bus

20 VESA Local Bus Karty projektowane pod standard VESA mogły pracować z prędkościami od 25 do 40 MHz, ale mogły mieć już problemy przy 50 MHz. Karty PCI, pracując w łączach o stałej częstotliwości, nie miały tego problemu, w związku z tym można je było montować w coraz szybszych płytach. W efekcie, VESA Local Bus używana była głównie w płytach przeznaczonych dla procesorów klasy 486.

21 PCI PCI (ang. Peripheral Component Interconnect) - magistrala komunikacyjna służąca do przyłączania urządzeń do płyty głównej w komputerach klasy PC. Po raz pierwszy została publicznie zaprezentowana w czerwcu 1992 r. jako rozwiązanie umożliwiające szybszą komunikację pomiędzy procesorem i różnymi kartami rozszerzeń (karta sterownika dysków np. SCSI, sieciowa czy graficzna).

22 PCI - charakterystyka ogólna W przeciwieństwie do innych magistrali, szyna PCI stanowi kompleksowe rozwiązanie, przyspieszające współpracę z dowolnym urządzeniem zewnętrznym. Przy częstotliwości taktowania 33 MHz i szerokości 32 bitów magistrala PCI osiąga szybkość transmisji 132 MB/s. Szerokość szyny adresowej i danych nowych procesorów 64 bitowych zmiany nie wpływają na architekturę PCI a jedynie podwaja się przepustowość do 264 MB/s.

23 PCI - charakterystyka ogólna Karty dołączone do szyny PCI mogą się komunikowad nawet bez udziału mikroprocesora, dzięki czemu wzrasta efektywnośd jego użytkowania. 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. W standardzie PCI zdefiniowano tzw. gniazdo wspólne (ang. shared slot). Jest to gniazdo, które może byd wykorzystane z kartami przystosowanymi do magistral ISA, EISA. Umożliwia to też produkcję kart jednocześnie przystosowanych do PCI i pozostałych, wyżej wymienionych magistral

24 PCI - charakterystyka ogólna Bardzo istotną cechą architektury PCI jest jej skalowalnośd: w jednym i tym samym komputerze może byd równolegle lub szeregowo połączonych kilka magistral PCI. Nad koncepcją PCI Local Bus pracowało wielu znaczących producentów komputerów, z których każdy starał się aby sprzęt obecnie produkowany przez niego był z tym standardem zgodny.

25 PCI - charakterystyka ogólna Kolejną istotną cechą PCI jest wysoka zgodnośd pomiędzy poszczególnymi wersjami PCI, jak i rozwiązao pochodnych (np. PCI X) przejawiająca się tym, że urządzenia mogą pracowad zarówno w starszych jak i nowszych gniazdach, pod warunkiem że są dopasowane napięciowo (warianty 3.3V i popularniejszy 5V). Zgodnośd ta nie jest jednak zachowana w stosunku co do PCI Express, która ma zastąpid w przyszłości obecne PCI oraz AGP.

26 Gniazda 32- bitowej szyny PCI

27 Wersje PCI PCI 2.0 PCI 2.1 PCI 2.2 PCI 3.0 Rok wprowadzenia Maksymalna szerokośd szyny danych Maksymalna częstotliwośd taktowania 32 bity 64 bity 64 bity 64 bity 33 MHz 66 MHz 66 MHz 66 MHz Maksymalna przepustowośd 133 MB/s 533 MB/s 533 MB/s 533 MB/s Napięcie 5 V 5 V 5 V /3,3 V 3,3 V

28 Wygląd gniazd i kart PCI

29 AGP Accelerated Graphics Port (AGP, czasem nazywany Advanced Graphics Port) to rodzaj zmodyfikowanej magistrali PCI opracowanej przez firmę Intel. Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana do szybkiego przesyłania dużych ilości danych pomiędzy pamięcią operacyjną a kartą graficzną. Niektórzy nie uważają jej za magistralę ponieważ umożliwia połączenie jedynie dwóch elementów: karty graficznej i chipsetu płyty głównej. Niektóre płyty główne posiadają więcej niż jeden slot AGP.

30 Standardy AGP Tryb magistrali Częstotliwość (MHz) Liczba operacji na cykl zegarowy Przepustowość (MB/s) AGP 1x AGP 2x AGP 4x (1GB/s) AGP 8x (2GB/s)

31 Odmiany złącza magistrali AGP

32 W większości przypadków karty graficzne 1x / 2x są kompatybilne, tak samo jak 4x / 8x. Lokalizacja złącza AGP na płycie głównej

33 PCI-Express PCI-s (PCIe, PCI-E), znana również jako 3GlO (od 3rd Generation I/O), jest pionową magistralą służącą do podłączania urządzeń do płyty głównej. PCI-Express stanowi magistralę lokalną typu szeregowego, łączącą dwa punkty (Point-to-Point). Nie jest to więc magistrala w tradycyjnym rozumieniu i nie jest rozwinięciem koncepcji "zwykłego" PCI. Taka konstrukcja eliminuje konieczność dzielenia pasma pomiędzy kilka urządzeń - każde urządzenie PCI- Express jest połączone bezpośrednio z kontrolerem.

34 PCI-Express Sygnał przekazywany jest za pomocą dwóch linii, po jednej w każdym kierunku. Częstotliwość taktowania wynosi 2,5GHz. Protokół transmisji wprowadza dwa dodatkowe bity, do każdych ośmiu bitów danych. Zatem przepustowość jednej linii wynosi 250MB/s. W związku z tym, że urządzenia mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu kierunkach (full-duplex) to można ewentualnie przyjąć, że w przypadku takiego wykorzystania złącza, transfer może sięgać 500MB/s.

35 PCI-Express Możliwe jest kilka wariantów tej magistrali - z 1, 2, 4, 8, 12, 16, 24 lub 32 liniami (każda składająca się z dwóch 2 pinowych części - nadawczej i odbiorczej). Wraz ze wzrostem liczby linii wydłużeniu ulega gniazdo, jego konstrukcja (poprzez wspólną część początkową i jedynie dodawanie na końcu nowych linii) umożliwia włożenie wolniejszej karty do szybszego gniazda (w drugą stronę jest niemożliwe). Gniazdo 1x ma 18 pinów z każdej strony, gniazdo 4x - 32, gniazdo 8x - 49, zaś gniazdo 16x - 82 piny z każdej strony.

36 Gniazda PCI-E 16x (niebieskie) 4x (czarne) i 1x (białe)

37 PCI-Express Na płytach głównych gniazda 16x montuje się zwykle w miejscu gniazda AGP na starszych płytach (ponieważ większość chipsetów z kontrolerem PCI Express nie zawierają kontrolera AGP, najczęściej obecność PCI-E eliminuje możliwość użycia kart graficznych ze złączem AGP, przykłady chipsetów obsługujących zarówno AGP jak i PCI-E to: Via PT880 Pro dla procesorów Intela i ULI M ULI M1567 dla procesorów AMD), pod nim gniazda 8x, 4x i 1x, najdalej zaś od procesora - gniazda PCI.

38 Specyfikacja określa też mniejsze rozmiarowo warianty kart: miniexpress cards, ExpressCards (następca PCMCIA) oraz AdvancedTCA (następca CompactPCI). wariant PCIe przepustowośd (MB/s) x1 250 x2 500 x x x16 v x16 v x16 v

39 Zalety kart PCI-Express skalowalność - w związku z niezależnością pasma, w jednym slocie możemy jednocześnie wykorzystać więcej dwukierunkowych złączy PCI Express, dzięki czemu możemy zwielokrotnić przepustowość dla pojedynczego urządzenia (karty). Ze względu na to, w oznaczeniach nazw gniazd pojawiły się dodatkowe wyróżniki cyfrowe. Uwzględniając urządzenia w pełni wykorzystujące full-duplex można więc, dla takiego gniazda mówić łącznej przepustowości 1GB/s. obsługa Plug and Play - złącze PCI-E nie dzieli przepustowości przy zamontowaniu dwóch lub większej ilości kart.

40 Magistrale AMR, ACR i CNR AMR (Audio/Modem Riser) mało popularne rozwiązania Intel-a stosowane przez pewien czas dla tanich modemów i kart muzycznych. Powyższe magistrale umożliwiały przejęcie części pracy przez procesor, dzięki czemu cena tego typu kart mogła się bardzo obniżyd. CNR (Communications nad Networking Riser) rozwiązania Intel-a zastępujące AMR do modemu, jart sieciowych i muzycznych. Obsługuje w pełni mechanizm Plug and Play. ACR (Advanced Communications Riser) powstało z inicjatywy AMD, VIA, Ali i NVIDIA w odpowiedzi na CNR jest to przesunięte i odwrócone o 180⁰ gniazdo PCI

41 Magistrale AMR, ACR i CNR Złącze z interfejsem CNR Złącze z interfejsem AMR Złącze z interfejsem ACR

42 Magistrale I/O dla komputerów przenośnych Nowy element zawsze możemy podłączyd do zewnętrznej magistrali USB (Universal Serial Bus uniwersalna magistrala szeregowa). Rodzaj sprzętowego portu komunikacyjnego komputerów, zastępującego stare porty szeregowe i porty równoległe. Został opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC. Nie zawsze jest to jednak najlepsze rozwiązanie wystający z boku adapter łatwo można uszkodzid. Lepsze rozwiązania omówione są poniżej

43 Magistrale I/O dla komputerów przenośnych Magistrala PC-Card (PCMCIA) (Personal Computer Memory Card International Association - to międzynarodowe stowarzyszenie producentów kart pamięci dla komputerów osobistych. Celem organizacji jest wprowadzenie i rozwijanie międzynarodowego standardu kart rozszerzeo dla komputerów przenośnych). Pierwszym zastosowaniem była komunikacja z kartą pamięci wielkości karty kredytowej; obecnie umożliwia instalowanie dodatkowych kart rozszerzeo (m. in. modemy, karty sieciowe, karty TV) w bocznej ścianie komputera przenośnego. Istniały 3 typy kart o różnych grubościach (3,3, 5,0 i 10,5 mm). Karta typu I - karta o grubości 3,3 mm pełniąca funkcje karty pamięci SRAM lub Flash. Karta typu II - karta o grubości 5,0 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeo (modem lub karta sieciowa). Karta typu III - karta o grubości 10,5 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeo (dysk twardy). ExpressCard kolejna technologia opierająca się na standardach PCI-Express oraz USB. Udostępnia podobną funkcjonalnośd oraz technologie: hot-plug, Plug and Play. Nie wymaga specjalnego kontrolera tak jak to było przy PCMCIA. Zaprojektowano 2 profile dla kart rozszerzeo: ExpressCard34 (gniazdo dla urządzeo, w których ważna jest oszczędnośd zajmowanego miejsca) i ExpressCard54 (uniwersalne gniazdo dla większych urządzeo).

44 Karta PCMCIA

45 Zasoby systemowe Niezbędne do poprawnego funkcjonowania i komunikowania się kart rozszerzeo, wyróżniamy: kanały IRQ (przerwania) numer przerwania (0-15) zarezerwowany dla komponentu, który potrzebuje bezpośredniego dostępu do procesora, adresy portów I/O zakres adresów portów I/O o numerach , kanały DMA numer kanału bezpośredniego dostępu do pamięci operacyjnej stosowane w celu odciążenia procesora od wymiany informacji między kartą a pamięcią RAM, adresy pamięci zakres adresów pamięci zarezerwowany dla komponentu.

46 Zasoby systemowe Wywołanie Menedżera urządzeo wywołanie konsoli MMC: start uruchom devmgmt.msc