Architektura Komputerów 2006

1

Struktura połączeń – cz. I

Komputer jest zestawem zespołów lub modułów trzech podstawowych
typów (procesor, pamięć, wejście-wyjście), które komunikują się
wzajemnie. W rezultacie komputer jest siecią obejmującą podstawowe
moduły. Muszą więc istnieć ścieżki łączące moduły.

Zbiór ścieżek łączących moduły jest nazywany strukturą połączeń.
Projektowanie tej struktury zależy od wymiany, która musi zachodzić
między modułami.

Pamięć

.

Moduł pamięci składa się zwykle z

N

słów o jednakowej długości. Każde
słowo ma przypisany jednoznaczny
adres numeryczny (0, l, ...,

N - 1).

Słowo może być odczytane z pamięci
lub do niej zapisane. Rodzaj operacji
jest

wskazywany

przez

sygnały

sterujące

„czytaj"

lub

„zapisz".

Lokacja, której dotyczy operacja, jest
wskazywana przez adres.

1

Struktura połączeń – cz. II

Modul wejścia-wyjścia

.

Istnieją

dwie

operacje:

zapisu

i

odczytu.

Ponadto

moduł

wejścia-

wyjścia może sterować więcej niż
jednym urządzeniem zewnętrznym.
Możemy określić każdy z interfejsów z
urządzeniem zewnętrznym jako port i
nadać każdemu z nich jednoznaczny
adres (np. O, l,...,

M- 1). Istnieją poza

tym

zewnętrzne

ścieżki

danych

służące

do

wprowadzania

i

wyprowadzania danych z urządzenia
zewnętrznego.

Wreszcie

moduł

wejścia-wyjścia może wysyłać sygnały
przerwania do procesora.

Procesor.

Procesor wczytuje rozkazy i dane,
wysyła dane po przetworzeniu i
posługuje się sygnałami sterującymi
do sterowania całą pracą systemu.
Otrzymuje też sygnały przerwania.

2

Architektura Komputerów 2006

2

Struktura połączeń – cz. III

Struktura połączeń musi umożliwiać przesyłanie danych:

Z pamięci do procesora. Procesor odczytuje z pamięci rozkazy lub
jednostki danych.

Z procesora do pamięci. Procesor zapisuje jednostki danych w pamięci.

Z urządzeń wejścia-wyjścia do procesora. Procesor odczytuje dane z
urządzenia wejścia-wyjścia za pośrednictwem modułu wejścia-wyjścia.

Z

procesora do wejścia-wyjścia. Procesor wysyła dane do urządzenia

wejścia-wyjścia.

Z

urządzeń wejścia-wyjścia do pamięci lub na odwrót. W tych dwóch

przypadkach zezwala się modułowi wejścia-wyjścia na bezpośrednią
wymianę

danych z pamięcią, bez pośrednictwa procesora, przy

wykorzystaniu bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA).

3

Połączenia magistralowe

Magistrala jest drogą zapewniającą komunikację między urządzeniami.

Główną cechą charakterystyczną magistrali jest to, że jest ona
wspólnym nośnikiem transmisji (ang.

shared transmission medium).

Do magistrali dołącza się wiele urządzeń, a sygnały wysyłane przez
którekolwiek z nich mogą być odbierane przez wszystkie pozostałe
urządzenia. Jeśli dwa urządzenia nadawałyby w tym samym czasie, ich
sygnały nakładałyby się i ulegały zakłócaniu. W określonym czasie
może więc nadawać tylko jedno urządzenie.

Magistrala łącząca główne zespoły komputera (procesor, pamięć,
wejście-wyjście) nazywana jest magistralą systemową. Najczęściej
spotykane struktury połączeń komputera wykorzystują jedną lub
więcej magistrali systemowych.

Magistrala systemowa składa się zwykle z 50 do 100 oddzielnych linii.
Każdej linii jest przypisane określone znaczenie lub funkcja.

4

Architektura Komputerów 2006

3

Struktura magistrali – cz. I

Linie zawarte w magistrali systemowej można podzielić na trzy grupy
funkcjonalne: linie danych, adresów i sterowania. Ponadto mogą występować
linie służące do zasilania dołączonych modułów.

Działanie magistrali jest następujące. Jeśli jeden

z modułów zamierza wy-słać

dane do

drugiego, to musi wykonać dwie rzeczy:

(1) uzyskać dostęp do magistrali
(2) przekazać dane za pośrednictwem magistrali.

Jeśli natomiast zamierza uzyskać dane z innego

modułu, to musi:

(1) uzyskać dostęp do magistrali
(2) przekazać zapotrzebowanie do tego modułu

przez

odpowiednie

linie

sterowania

i

adresowe. Musi następnie czekać, aż drugi
moduł wyśle dane

.

5

Struktura magistrali – cz. II

Linie danych są ścieżkami służącymi do przenoszenia danych między
modułami systemu. Wszystkie te linie łącznie są określane jako szyna
danych (ang.

data bus). Liczba linii określa szerokość tej szyny. W danym

momencie każda linia może przenosić tylko l bit. Szerokość szyny danych
jest kluczowym czynnikiem określającym wydajność całego systemu.

Linie adresowe są wykorzystywane do określania źródła lub miejsca
przeznaczenia danych przesyłanych magistralą. Szerokość szyny adresowej
determinuje maksymalną możliwą pojemność pamięci systemu. Ponadto
linie adresowe są również używane do adresowania portów wejścia-wyjścia.
Najczęściej najbardziej znaczące bity służą do wybrania określonego modułu
na magistrali, natomiast najmniej znaczące bity określają lokację w pamięci
lub port wejścia--wyjścia wewnątrz modułu.

Linii sterowania używa się do sterowania dostępem do linii danych i linii
adresowych, a także do sterowania ich wykorzystaniem. Ponieważ linie
danych i adresowe służą

wszystkim zespołom, musi istnieć

sposób

sterowania ich używaniem. Sygnały sterujące przekazywane między
modułami systemu zawierają zarówno rozkazy, jak i informacje regulujące
czas (taktujące). Sygnały czasowe określają ważność danych i adresów.
Sygnały rozkazów precyzują operacje, które mają być przeprowadzone.

6

Architektura Komputerów 2006

4

Linie sterowania magistrali

Typowe linie sterowania to linie:

Zapis w pamięci. Sprawia, że dane z magistrali zostają zapisane pod
określonym adresem.
Odczyt z pamięci. Sprawia, że dane spod określonego adresu są umieszczane
w magistrali.
Zapis do wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z magistrali są kierowane do
zaadresowanego portu wejścia-wyjścia.
Odczyt z wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z zaadresowanego portu wejścia-
wyjścia są umieszczane na magistrali.

Potwierdzenie przesyłania (transfer ACK). Wskazuje, że dane zostały przyjęte
z magistrali lub na niej umieszczone.

Zapotrzebowanie na magistralę (bus reąuest). Wskazuje, że moduł zgłasza
zapotrzebowanie na przejęcie sterowania magistralą.
Rezygnacja z magistrali (bus grant). Wskazuje, że moduł rezygnuje ze
sterowania magistralą.
Żądanie przerwania (interrupt request). Wskazuje, że przerwanie jest
zawieszone.
Potwierdzenie przerwania

(interrupt

ACK). Potwierdza, że zawieszone

przerwanie zostało rozpoznane.
Zegar. Wykorzystywany do synchronizowania operacji.
Przywrócenie (reset). Ustawia wszystkie moduły w stanie początkowym.

7

Hierarchiczna struktura

wielomagistralowa

Lokalna magistrala łącząca procesor i pamięć podręczną. Może ona wspomagać
jedno lub więcej urządzeń lokalnych. Sterownik pamięci podręcznej łączy tę
pamięć nie tylko do magistrali lokalnej, ale również do magistrali systemowej, do
której są dołączone wszystkie moduły pamięci głównej. Wykorzystanie struktury
pamięci podręcznej uwalnia procesor od potrzeby częstego dostępu do pamięci
głównej. Dzięki temu pamięć główna może być przesunięta z magistrali lokalnej
do systemowej. W ten sposób wejście-wyjście komunikuje się z pamięcią główną
przez magistralę systemową, nie kolidując z działalnością procesora.

Możliwe jest podłączenie sterowników
wejścia-wyjścia bezpośrednio do magistrali
systemowej.

Bardziej

efektywnym

rozwiązaniem jest jednak wykorzystanie
do tego celu jednej lub wielu

szyn

rozszerzenia

(ang.

expansion

buses).

Interfejs szyny rozszerzenia buforuje dane
przesyłane między magistralą systemową a
sterownikami wejścia-wyjścia dołączonymi

do szyny rozszerzenia.

8

Architektura Komputerów 2006

5

Międzypiętrowa struktura

wielomagistralowa

Magistrala

lokalna

łączy

procesor

ze

sterownikiem

pamięci podręcznej, który z
kolei

jest

podłączony

do

magistrali

systemowej

współpracującej z pamięcią
główną. Sterownik pamięci
podręcznej jest zintegrowany
z

mostem

(urządzeniem

buforującym)

łączącym

z

magistralą szybką. Wolniejsze
urządzenia

nadal

są

obsługiwane

przez

szynę

rozszerzenia

z

interfejsem

buforującym

ruch

między

szyną rozszerzenia a szybką
magistralą.

Zaletą tego rozwiązania jest to, że szybka magistrala ściślej sprzęga procesor z
urządzeniami wejścia-wyjścia o wysokich wymaganiach, a jednocześnie jest
niezależna od procesora. Dzięki temu mogą być tolerowane różnice szybkości
procesora i szybkiej magistrali, a także różne definicje linii sygnałowych.

9

Rodzaje magistrali

Linie magistralowe mogą być podzielone na dwa rodzaje: specjalistyczne
(ang.

dedicated) i multipleksowane.

Linia specjalistyczna jest trwale przypisana albo jednej funkcji, albo
fizycznie określonym zespołom komputera. Przykładem specjalizacji
funkcjonalnej jest zastosowanie oddzielnych, specjalistycznych linii
adresów i danych, co jest powszechne w wielu magistralach.

Adresy i dane mogą być transmitowane przez ten sam zespół linii przy
wykorzystaniu linii sterowania określającej ważność adresu

(ang. Adress

Valid). W tym przypadku każdy moduł mado dyspozycji określony
odcinek

czasu

na

skopiowanie

adresu

i

stwierdzenie,

czy jest modułem adresowanym. Adres jest następnie usuwany z
magistrali, a te same połączenia magistralowe są wykorzystywane do
przenoszenia danych odczytywanych lub zapisywanych. Ta właśnie
metoda używania tych samych linii do wielu celów jest znana jako
multipleksowanie czasowe (ang.

time multiplexing).

Specjalizacja fizyczna (ang.

physical dedicatiori) odnosi się do używania

wielu magistrali, z których każda łączy tylko określoną grupę modułów.
Typowym przykładem jest zastosowanie magistrali wejścia-wyjścia do
łączenia wszystkich modułów wejścia-wyjścia.

10

Architektura Komputerów 2006

6

Arbitraż dostępu do magistrali

We wszystkich systemach z wyjątkiem najprostszych więcej niż jeden
moduł może potrzebować przejęcia sterowania magistralą.
W określonym czasie tylko jeden moduł może transmitować przez
magistralę
Możliwe metody można z grubsza podzielić na:

Scentralizowane, w takim układzie istnieje jedno urządzenie,
zwane sterownikiem magistrali lub arbitrem, które jest
odpowiedzialne za przydział czasu na magistrali. Urządzenie to
może być oddzielnym modułem lub częścią procesora.

Rozproszone, w takim układzie centralny sterownik nie
występuje. Każdy moduł zawiera układy logiczne sterujące
dostępem, a moduły współdziałają korzystając z magistrali.

W obu metodach arbitrażu celem jest wyznaczenie jednego urządzenia
— albo procesora, albo modułu wejścia-wyjścia - jako nadrzędnego.
Urządzenie nadrzędne

(master) może następnie inicjować transfer

danych z innym urządzeniem, które w tym określonym przesyłaniu gra
rolę podrzędną

(ang. slave).

Koordynacja czasowa

(ang. timing) odnosi się do sposobu, w jaki

koordynowane są zdarzenia na magistrali.

11

Arbitraż synchroniczny

Przy koordynacji synchronicznej występowanie zdarzeń na magistrali jest
wyznaczone przez zegar. Magistrala zawiera linię zegarową, którą zegar
transmituje regularną sekwencję kolejno zmieniających się zer i jedynek o
takim samym czasie trwania. Pojedyncza transmisja 1-0 jest nazywana cyklem
zegara lub cyklem magistrali i określa przedział czasowy. Wszystkie inne
urządzenia dołączone do magistrali mogą odczytywać stan linii zegarowej, a
wszystkie zdarzenia rozpoczynają się równocześnie z cyklem zegara.

12

Architektura Komputerów 2006

7

Arbitraż asynchroniczny

Przy koordynacji asynchronicznej występowanie zdarzeń na magistrali jest
zależne od zdarzenia poprzedzającego. W prostym przykładzie pokazanym na
rysunku procesor umieszcza sygnały adresu i odczytu na magistrali. Po pewnym
czasie wymaganym do ustabilizowania sygnałów, wysyła sygnał synchronizacji
nadrzędnej

(master sync - MSYN), wskazując na obecność ważnych sygnałów

adresu i sterowania. Moduł pamięci reaguje, wysyłając dane oraz sygnał
synchronizacji podrzędnej

(slave sync - SSYN), wskazujący na odpowiedź.

13

Magistrale PC - ISA

ISA (ang. Industrial Standard Architecture)

16-bitowa magistrala ISA

Pierwsze użycie - PC-XT

Złącze 62 pinowe

Częstotliwość zegara 4.77 MHz

20 linii adresowych (1 MB pamięci)

8 linii danych

6 linii przerwań

2 kanały DMA

8-bitowa magistrala ISA

Pierwsze użycie - PC-AT oraz Intel 80286

Złącze rozszerzone o dodatkowe 36 pin-y

Częstotliwość zegara 8.33 MHz

24 linie adresowe (16 MB pamięci)

16 linii danych

11 linii przerwań

6 kanałów DMA

14

Architektura Komputerów 2006

8

Magistrale PC – EISA, VLB

EISA (ang. Extended-ISA)

pierwsze użycie w roku 1988

Częstotliwość zegara 8.33 MHz

24/32 linii adresowych

16/32 linii danych

kompatybilna z ISA

VESA Video Local Bus

pierwsze użycie w roku 1989

Szybkość zależna od procesora

24/32 linii adresowych

32/64 linii danych

współpracowała z ISA lub EISA

15

Magistrale PC – PCI

PCI (ang. Peripheral Component Interface)

pierwsze użycie w roku 1990, specyfikacja PCI 2.0 w roku 1993

częstotliwość zegara 33 MHz (niezależna od procesora)

64 linie adresowe i danych (multipleksowane) – przy 33 MHz daje to
przepustowości 264 MB/s lub 2,112 Gbit/s

magistrala synchroniczna z centralnym układem arbitrażu

Architektura typu Desktop

Architektura typu Serwer

16

Architektura Komputerów 2006

9

Magistrala PCI – struktura – cz. I

Magistrala PCI może być konfigurowana jako magistrala 32- lub 64-bitowa.
Specyfikacja definiuje 50 linii sygnałowych. Można je podzielić na następujące
grupy funkcjonalne:

Wyprowadzenia systemowe. Należą do nich wyprowadzenia

zegara i

przywracania

(resef).

Wyprowadzenia adresu i danych. Należą do nich 32 linie multipleksowane
adresów i danych. Pozostałe linie w tej grupie są wykorzystywane do
interpretowania i określania ważności linii sygnałowych przenoszących
adresy i dane.

Wyprowadzenia sterowania interfejsu. Służą do koordynowania transakcji i
współdziałania między jednostkami inicjującymi a docelowymi.

Wyprowadzenia arbitrażowe. W przeciwieństwie do pozostałych linii
sygnałowych magistrali PCI nie są one liniami wspólnymi. Każda jednostka
nadrzędna PCI ma własną parę linii arbitrażowych, które łączą ją
bezpośrednio z arbitrem magistrali PCI.

Wyprowadzenia informujące o błędach. Wykorzystywane do informowania o
błędach parzystości i innych.

17

Magistrala PCI – struktura – cz. II

Ponadto specyfikacja PCI określa 50 opcjonalnych linii sygnałowych,
podzielonych na następujące grupy:

Wyprowadzenia przerwania. Są one przewidziane dla urządzeń PCI, które
muszą generować zapotrzebowanie na obsługę. Tak jak w przypadku
wy-prowadzeń arbitrażowych nie są one wspólne. Każde urządzenie PCI
dysponuje własną linią lub liniami przerwań łączącymi ze sterownikiem
przerwań.

Wyprowadzenia obsługi pamięci podręcznej. Są one wykorzystywane do
obsługi pamięci podręcznych zawartych w procesorach i innych
urządzeniach PCI. Umożliwiają

stosowanie protokołu podglądania

(snoopy) pamięci podręcznej.

Wyprowadzenia rozszerzenia magistrali 64-bitowej. Należą do nich 32
linie multipleksowane adresów i danych. W połączeniu z obowiązującymi
liniami adresów i danych tworzą 64-bitową magistralę adresów i danych.
Inne linie z tej grupy są używane do interpretowania i określania
ważności linii sygnałowych przenoszących dane i adresy. Występują tu
też dwie linie umożliwiające dwóm urządzeniom PCI uzgodnienie użycia
szerokości 64-bitowej.

Wyprowadzenia testowania granic JTAG. Linie te umożliwiają realizację
procedur testowania określonych w normie IEEE 149.1.

18

Architektura Komputerów 2006

10

Magistrala PCI – rozkazy – cz. I

Działanie magistrali odbywa się w formie transakcji między inicjatorem
(modułem nadrzędnym) a celem (modułem podrzędnym). Gdy inicjator
domaga się sterowania magistralą, określa typ transakcji, która ma być
przeprowadzona. Podczas fazy adresu transakcji do sygnalizowania typu
transakcji są używane linie C/BE. Rozkazy są następujące:

potwierdzenie przerwania - jest rozkazem odczytu przeznaczonym dla
urządzenia, które działa jako sterownik przerwań na magistrali PCI.

cykl specjalny - jest rozkazem używanym przez inicjatora w celu
rozgłoszenia wiadomości przeznaczonych dla jednego lub więcej celów.

odczyt wejścia-wyjścia,

zapis wejścia-wyjścia

-

są używane do

przenoszenia danych między inicjatorem a sterownikiem wejścia-wyjścia.
Każde urządzenie wejścia-wyjścia ma własną przestrzeń adresową. Linie
adresowe służą do wskazywania określonego urządzenia oraz do
sprecyzowania danych, które mają być wymienione z tym urządzeniem.

cykl podwójnego adresu - jest wykorzystywany przez inicjatora do
wskazania, że stosuje on adresowanie 64-bitowe.

19

Magistrala PCI – rozkazy – cz. II

odczyt pamięci, linia odczytu pamięci, zwielokrotniony odczyt
pamięci, zapis w pamięci, zapis w pamięci i unieważnienie - rozkazy
odczytu i zapisu w pamięci są stosowane do precyzowania
przesyłania porcji danych

(burst of data) trwającego przez jeden lub

więcej cykli zegarowych. Interpretacja tych rozkazów zależy od
tego, czy sterownik pamięci na magistrali PCI realizuje protokół PCI
przeznaczony do przesyłania danych między pamięcią główną a
pamięcią podręczną.

odczyt konfiguracji, zapis konfiguracji - dwa rozkazy konfiguracyjne
umożliwiają inicjatorowi odczytanie i zaktualizowanie parametrów
konfiguracji w urządzeniu dołączonym do magistrali PCI. Każde
urządzenie PCI może zawierać do 256 rejestrów wewnętrznych,
które są wykorzystywane do konfigurowania tego urządzenia
podczas inicjowania systemu.

20

Architektura Komputerów 2006

11

Magistrala PCI – przesył danych

Każde przesyłanie danych magistralą PCI jest pojedynczą transakcją
składającą się z jednej fazy adresowej oraz jednej lub wielu faz danych.

Wszystkie zdarzenia są
synchronizowane

przez

opadające

części

impulsów

zegarowych,

które

występują

w

środku

każdego

cyklu

zegara.

Urządzenia

magistrali badają

linie

magistrali

w

czasie

narastania

impulsów

zegarowych, na początku
cyklu magistrali.

21

Magistrala PCI – arbitraż – cz. I

Magistrala PCI wykorzystuje scentralizowany, synchroniczny rodzaj
arbitrażu, w którym każdy moduł nadrzędny ma przypisane unikatowe
sygnały zapotrzebowania (REQ) i udostępniania

(grant - GNT).

Odpowiednie linie sygnałowe są podłączone do centralnego arbitra, a
dostęp

do

magistrali

jest

uzyskiwany

przez

zgodne

zgłoszenie

zapotrzebowania i udostępniania.

Specyfikacja PCI nie dyktuje szczególnego algorytmu arbitrażu.

Możliwe rozwiązania można podzielić na następujące grupy:

„pierwszy zgłoszony - pierwszy obsłużony"

rozwiązanie cykliczne

(round-robin)

rozwiązania bazujące na priorytetach

22

Architektura Komputerów 2006

12

Magistrala PCI – arbitraż – cz. II

23