Máté: Számítógép architektúrák

Átírás

1 3.51. ábra. /T két komponense, az eredeti és az új rész Máté: rchitektúrák 5. előadás 1 laplap (motherboard, parentboard, ábra) Rajta van a PU, (ek), ezen illesztő helyek (slots) a és a beviteli/kiviteli (Input/Output I/O) eszközök számára (3.51.,.8. ábra). I/O eszköz: maga az eszköz + (controller) külön kártyán vagy az alaplapon (.9. ábra). Gyorsabb PU gyorsabb t igényel! Kívánság: cseréjénél megmaradhasson a régi perifériák egy része: az új gépben is kell a régi! Sínek szabványosítása. Egy gépen belül több is használható:.30. ábra. Máté: rchitektúrák 5. előadás SSI PU Gyorsító tár SSIszkenner SSIlemez SSI I-híd Video Központi I álózati Nyomtató angkártya IS-híd Modem IS Sokszorozott (multiplexed) : pl. először a cím van a en, majd az adat (ugyanazokon a vezetékeken). Ilyenkor a szélessége lényegesen csökken (olcsóbb, kevesebb láb szükséges a hez való csatlakozáshoz), csökken a sáv szélesség is, de nem olyan mértékben. Általában bonyolultabb a protokoll..30. ábra. Egy tipikus modern I, SSI és IS nel Máté: rchitektúrák 5. előadás 3 Máté: rchitektúrák 5. előadás 4 Sínek időzítése Szinkron : Mz-es órajel van a egy vezetékén. Minden tevékenység az órajelhez van igazítva. Síntevékenységek: cím megadása, jelek (MREQ#, RD#, WIT#), adat megérkezése, (3.38. ábra) Jelölés T D T ML Tevékenység ím megérkezési ideje a re ím a en van MREQ# előtt min Máté: rchitektúrák 5. előadás 5 max 11 idő ns ns Φ cím adat MREQ# RD# WIT# Olvasási ciklus 1 várakozó állapottal T 1 T T 3 T D T ML kiolvasandó rekesz címe adat történő olvasás ideje Kicsit hosszabb válasz idő esetén még egy várakozó ciklusra lenne szükség. Máté: rchitektúrák 5. előadás 5. előadás 1

2 Minden művelet a ciklusidő ( ciklus) egész számú többszöröséig tart: pl..1 ciklusidő helyett 3 ciklusidő kell. leglassabb eszközhöz kell a sebességét igazítani, a gyors eszköz is lassan fog működni. szinkron : Minden eseményt egy előző esemény okoz! Nincs órajel, WIT. MSYN# (kérés - Master SYNchronization), SSYN# (kész - Slave SYNchronization). Ugyanazon a en gyors és lassú mester - szolga pár is lehet. Máté: rchitektúrák 5. előadás 7 Máté: rchitektúrák 5. előadás 8 szinkron működése (3.39. ábra) kkor indulhat újabb tranzakció, ha SSYN# negált. cím kiolvasandó rekesz címe MREQ# RD# MSYN# adat adat SSYN# Ugyanazon a en gyors és lassú mester - szolga pár is lehet. Máté: rchitektúrák 5. előadás 9 Teljes kézfogás (full handshake): kkor indulhat, ha SSYN# negált! Mester: kívánságok beállítása, majd MSYN#, vár, Szolga: látja MSYN#-t: dolgozik, majd SSYN#, vár, Mester: látja SSYN# -t (kész), dolgozik, ha kell, majd negálja MSYN# -t, Szolga: látja MSYN# negálását, negálja SSYN# -t. Máté: rchitektúrák 5. előadás 10 Sínütemezés (kiosztás) a egyszerre többen is igénylik a t (PU, I/O ), akkor a ütemező (bus arbiter) dönt. Sínütemezés (kiosztás bus arbitration) entralizált (3.40. (a) ábra): (margaréta) láncolás (daisy chaining), egy vagy többszintű lehet. Általában I/O elsőbbséget kap (cikluslopás). 3.40a.swf a van kérés és a szabad: foglalási engedély. Máté: rchitektúrák 5. előadás 11 Máté: rchitektúrák 5. előadás 1 5. előadás

3 decentralizált - pl. 1 prioritású: 1 eszközhöz 1 kérés vonal, minden eszköz minden kérés vonalat figyel, tudja, hogy a saját kérése volt-e a legmagasabb prioritású ábra: ha nem foglalt és be, akkor kérheti a t (ki negálása, foglalt beállítása). 3.40b.swf Néha további vezeték van az engedély fogadásának jelzésére (újabb kérés kezdődhet a használata közben). Máté: rchitektúrák 5. előadás swf Máté: rchitektúrák 5. előadás 14 Sín műveletek z eddigiek közönséges műveletek voltak. lokkos átvitel (3.4. ábra): kezdő címen kívül az adatre kell tenni a mozgatandó adatok számát. Esetleges várakozó ciklusok után ciklusonként egy adat mozgatása történik. Megszakítás kezelés: később tárgyaljuk részletesen. Több processzoros rendszerekben: olvasás módosítás visszaírás ciklus: szemafor. Máté: rchitektúrák 5. előadás 15 Példák ekre z első IM (3.37. ábra) vonalas (vezeték, line), 0 címnek, 8 adatnak + DM, megszakítás /T szinkron (3.51. ábra): további 3 vezeték (címnek összesen 4, adatnak 1, ). Microchannel (IM OS/ gépekhez), szabadalmak IS (Industry Standard rchitecture) lényegében 8.33 Mz-es /T (sávszélesség: 1.7 M/s). EIS (Extended IS) 3 bitesre bővített IS (sávszélesség: 33.3 M/s). Színes TV-hez 135 M/s sávszélesség kellene (104*78 pixel, 3 bájt*, 30 kép/sec). lemez képernyő Máté: rchitektúrák 5. előadás 1 I (Peripheral omponent Interconnect): 3 bites adat átvitel (33,3 Mz, sávszélesség: 133 M/s) szabadon felhasználható licensz. Multiplexelt cím- és adatkivezetések. Új változatai: 4 bites adat, Mz, 58 M/s. SSI PU Gyorsító tár SSIszkenner SSIlemez SSI I-híd Video Központi álózati Problémák: a memóriához lassú, nem kompatíbilis az IS bővítőkártyákkal. Megoldás (3.5. vagy.30. ábra): több első, I híd, I, IS híd, IS. Máté: rchitektúrák 5. előadás 17 Nyomtató angkártya IS-híd Modem IS I.30. ábra. Egy tipikus modern I, SSI és IS nel Máté: rchitektúrák 5. előadás előadás 3

4 I ütemezés (kiosztás): request, grant. I ütemező REQ# GNT# I eszköz REQ# GNT# I eszköz REQ# GNT# I eszköz REQ# GNT# I eszköz ábra. I centrális ütemezőt használ. Máté: rchitektúrák 5. előadás 19 Általános soros (US) Universal Serial us Igény: bármikor könnyen, azonos módon lehessen sokféle perifériát kapcsolni a géphez, akár a gép működése közben, hardver ismeretek nélkül: ne kelljen szétszedni a gépet, ne kelljen újra boot-olni, ne kelljen áramellátásról gondoskodni, Plug n Play (csatlakoztasd és működik) perifériák. Máté: rchitektúrák 5. előadás 0 US (Universal Serial us - általános soros ): Négy vezeték: adatok (), tápfeszültség (1), föld (1). US 1.0 1,5 Mbps (billentyűzet, egér,) US Mbps (nyomtató, fényképezőgép,) US Mbps (DVD lejátszó,) központi elosztó (root hub) 1 ms-onként üzenetekkel (frame, ábra) kommunikál az eszközökkel. frissen csatlakoztatott eszköz címe 0. a a központi elosztó tudja fogadni az eszközt, akkor egyedi címet (1-17) ad neki (konfigurálja). Frame keret Egy vagy több csomagból áll. z egyes csomagok haladhatnak a központból az eszközök felé vagy fordítva. haladási irány egy kereten belül is változhat. z első csomag mindig SOF: Start Of Frame keret kezdet, szinkronizálja az eszközöket. Máté: rchitektúrák 5. előadás 1 Máté: rchitektúrák 5. előadás keret lehet ontrol : Eszköz konfigurálás, Parancs, Állapot lekérdezés. Isochronous izoszinkron: valós idejű eszközök használják, pl. telefon. iba esetén nem kell ismételni az üzenetet. ulk csoportos: nagy tömegű adat átvitelére szolgál. Interrupt megszakítás: z US nem támogatja a megszakítást, helyette pl. 50 ms-enként lekérdezhető az eszköz állapota. csomag lehet Token parancs (központ küldi az eszköznek): SOF. IN be: adatokat kér az eszköztől. z IN parancsban meg lehet adni, melyik eszköztől milyen adatokra van szükség. OUT ki: adatok fogadására kéri az eszközt. SETUP beállítás: konfigurálja az eszközt. Máté: rchitektúrák 5. előadás 3 Máté: rchitektúrák 5. előadás 4 5. előadás 4

5 csomag lehet (folytatás) Data adat: 4 bájt információ mozgatása akármelyik irányban. Data csomag részei: SYN: 8 bit szinkronizáció, PID: a csomag típusa (8 bites), PYLOD: hasznos adat, R: yclic Redundancy ode ciklikus redundancia kód (1 bit az adatátvitel helyességének ellenőrzésére). andshake kézfogás: K: az előző adatcsomagot hibátlanul vettem, NK: R hibát észleltem, STLL: kérem, várjon, el vagyok foglalva. Special speciális. Máté: rchitektúrák 5. előadás 5 Másodlagos gyorsító tár SSI Gyorsító tár Egér US Monitor PU Gyorsító tár illentyűzet IDE diszk IS angkártya IS-híd I-híd Nyomtató Grafikus illesztő Monitor I Fő Szabad I bővítő hely Szabad IS bővítő helyek 3.5. ábra. Egy korai Pentium rendszer architektúrája Máté: rchitektúrák 5. előadás Monitor I Express 1. szintű gyorsítótárak. szintű gyorsítótár SSI Pentium 4 PU I Lokális D US Grafikus kártya satoló lapka TPI GP Fő Szabad bővítőhely. szintű gyorsítótár Soros kapcsolatot biztosító csatorna párok Egy csatorna csak két vezeték PU satoló lapka Kapcsoló I Egér ábra. Egy modern Pentium 4 rendszer struktúrája Máté: rchitektúrák 5. előadás 7 Grafika illentyűzet Mágneslemezegység DVDmeghajtó Mágneslemezek álózat US Egyéb ábra. Egy tipikus I Express rendszer vázlata Máté: rchitektúrák 5. előadás 8 agyományos I Express Több leágazású Központosított kapcsoló Széles, párhuzamos Keskeny, közvetlen soros kapcsolat onyolult mester szolga kapcsolat Kicsi, csomagkapcsolt hálózat R kód: nagyobb megbízhatóság csatlakozó kábel > 50 cm lehet z eszköz kapcsoló is lehet Meleg csatlakoztatási lehetőség Kisebb csatlakozók: kisebb gép Nem kell nagy bővítőkártyával csatlakozni a hez winchester a monitorba is kerülhet Egy csatorna hasznos sávszélessége minimum Gbps, de bíznak benne, hogy hamarosan 10 Gbps Máté: rchitektúrák 5. előadás 9 Rétegek Szoftver Tranzakciós Kapcsolati Fizikai Keret Seq# Seq# Fejléc Fejléc Fejléc asznos adat asznos adat asznos adat R R ábra. I Express protokollrendszer csomagok formátuma Fejléc cím, magas/alacsony prioritás, Seq# az üzenet sorszáma R ciklikus redundanciakód (yclic Redundancy heck) a a számított és kapott R megegyezik, akkor nyugtázza, különben újra kéri az adatot. Máté: rchitektúrák 5. előadás 30 Keret 5. előadás 5

6 Input, output, interfész, I/O lapkák URT (Universal synchronous Receiver and Transmitter) egy bájtot tud olvasni az adatről, és aztán sorosan továbbítja az eszközhöz (vagy fordítva), programmal konfigurálható (belső regiszterének beállításával): 5-8 bit szélesség, sebesség ( bps), paritás ellenőrzés (páros, páratlan, nincs). USRT (Universal Synchronous synchronous Receiver and Transmitter): szinkron és aszinkron módon is tud működni. Máté: rchitektúrák 5. előadás 31 PIO (Parallel Input/Output, 3.0. ábra) 4 /K vonal, amellyel TTL kompatibilis eszközökhöz (billentyűzet, kapcsolók, nyomtatók) tud kapcsolódni. Konfigurálható. Leggyakoribb az ábrán látható használat. szinkron eszközökhöz kézfogás logika van beépítve. 0-1 #WR #RD RESET D0-D párhuzamos /K lapka Port Port Port Máté: rchitektúrák 5. előadás eviteli/kiviteli (/K, Input/Output, I/O) eszközök használata (chip selection): Valódi /K eszköz. Memóriára leképezett /K (memory-mapped I/O). Pl.: 3.1. ábra ábra. Teljes cím dekódolás. 15 a legmagasabb helyértékű bit. K EPROM a 0 címnél K RM a 8000 címnél 4 PIO az FFF címnél 0 3 K 4 K 0 K EPROM a 0 címnél K RM a 8000 címnél 4 PIO az FFF címnél K 4 K Máté: rchitektúrák 5. előadás 33 EPROM RM PIO Máté: rchitektúrák 5. előadás ábra. Részleges cím dekódolás. K EPROM a 0 címnél K RM a 8000 címnél 4 PIO az FFF címnél 0 3 K 4 K 0 15 EPROM RM PIO Mikroarchitektúra szint Feladata az IS (Instruction Set rchitecture gépi utasítás szint) megvalósítása. Nincs rá általánosan elfogadott, egységes elv. IS-szintű utasítások függvények, ezeket egy főprogram hívja meg végtelen ciklusban. függvények a mikroarchitektúra szintjén valósulnak meg (mikroprogram). mikroprogram változói (a ) definiálják a számítógép állapotát, pl.: (Program ounter, utasításszámláló). Máté: rchitektúrák 5. előadás 35 Máté: rchitektúrák 5. előadás 3 5. előadás

7 MR PP O LU LU re a t a Mic-1 datút (Data Path, 4.1. ábra) 3 bites, ek, LU, léptető SLL8 8 bittel balra, SR1 1 bittel jobbra léptet. LU bemenetei: (olding tartó),. Egy cikluson belül lehetséges egy regiszterből olvasni és az eredményt akár ugyanoda visszaírni 4.3. ábra. MR PP O LU LU re a t a Pl. = + 1 LU: +1 Máté: rchitektúrák 5. előadás 37 Máté: rchitektúrák 5. előadás 38 LU MR PP O LU re a t a Pl. = + 1 LU: +1 MR PP O LU LU re a t a Pl. = + 1 LU: +1 Máté: rchitektúrák 5. előadás 39 Máté: rchitektúrák 5. előadás 40 MR PP O LU LU re a t a Pl. = + 1 LU: +1 műveletek (4.1. ábra) Szócímzés: 3 bites adat írása, olvasása. szó cím = 4 * (bájt cím), a túlcsorduló bitek elvesznek (Memory ddress Register) (Memory Data Register) ájtcímzés: gépi szintű utasítás bájt olvasás. (Program ounter): bájt cím, MR (Memory yte Register): bájt. MR MR kétfajta értelmezése (két jel): MR: MR előjel kiterjesztéssel kerül a re, MRU: MR előjel nélküli kiterjesztéssel kerül a re. Máté: rchitektúrák 5. előadás 41 Máté: rchitektúrák 5. előadás 4 5. előadás 7

8 MR PP O LU LU z adatút e (4.1. ábra) 9 jel: a re írás a ből, 8 jel: az LU és a léptető ére, 9 jel: a ről be írás, 3 jel: a eléréshez jel: szó íráshoz/olvasáshoz 1 jel: bájt olvasáshoz. Összesen 9 jel szükséges N Z re csak egy regiszter írhat egyszerre, ezért 9 helyett elég 4 jel, összesen 4 jelre van szükség. Mit nevezünk nek? Mit nevezünk nek? Mit nevezünk ütemezésnek? ogyan történik egy adat beolvasása a? ogyan történik egy adat kiírása a? Mi a protokoll? Mi a mester, és mi a szolga? Mit nevezünk nek/vevőnek/adó-vevőnek? Mi a sávszélesség? Máté: rchitektúrák 5. előadás 43 Máté: rchitektúrák 5. előadás 44 Mi a szélesség? Mi a aszimmetria? ogy növelhető egy sávszélessége? Miért nem növelhető szabadon a sávszélessége? Miért volt szükség a ek szabványosítására? Mit jelent a sokszorozott (multiplexed)? Milyen hatása van a sokszorozott használatának? ogy működik a szinkron/aszinkron? Mire szolgál a mester/szolga szinkronizáció? Mi a teljes kézfogás? Milyen ütemezőket ismer? ogy működik a centralizált ütemező? ogy működik a decentralizált ütemező? Milyen műveleteket ismer? Miért előnyös a blokkos átvitel? Máté: rchitektúrák 5. előadás 45 Máté: rchitektúrák 5. előadás 4 Milyen t ismer? Ismertesse az IS t! Ismertesse az EIS t! Ismertesse az I t! ogy használható több egy gépen belül? Miért volt fontos az IS megtartása fejlettebb alkalmazása esetén? ogy történik a I ütemezése? Miért használnak külön t a eléréséhez? ogy illeszkedik a I a hez? Milyen igények kielégítésére szolgál az általános soros (US)? Milyen vezetékeket tartalmaz az US, és miért? Miért kényelmes az US használata? Mi a központi elosztó (root hub), és hogy működik? Mi történik eszköz US porthoz csatlakoztatásakor? Mit jelent egy eszköz konfigurálása? Mi a keret (frame), és milyen kereteket ismer? Mi a csomag, és milyen csomagokat ismer? Milyen irányban haladhatnak a csomagok? Máté: rchitektúrák 5. előadás 47 Máté: rchitektúrák 5. előadás előadás 8

9 Mire szolgál a SOF csomag? Mire szolgál az IN/OUT csomag? Mire szolgál az K/NK csomag? Mi a R? Mire szolgál a I Express? ogy kapcsolódik a I Express a PU-hoz? ogy kapcsolódik a I Express az eszközökhöz? Milyen előnyei vannak a I Express-nek a nel szemben? Milyen rétegei vannak a I Express protokollnak? Máté: rchitektúrák 5. előadás 49 Mi az URT? Mire szolgál az URT? Paritás ellenőrzés szempontjából hogy működhet az URT? Mi az USRT? Milyen digitális áramkörök segítségével tudja megvalósítani a párhuzamos-soros átalakítást? Mit jelent a S# jelölés egy chip lábán? Mit jelent a PIO rövidítés? Milyen lábai vannak PIO lapkának? ány regisztere van PIO lapkának? Máté: rchitektúrák 5. előadás 50 Mi biztosítja, hogy kapcsolók állapotának lekérdezésére és lámpák működtetésére is használható a PIO lapka? Mit jelent a valódi/memóriára leképezett I/O? Melyiknek mi az előnye, hátránya? Mit nevezünk teljes/részleges cím dekódolásnak? Melyiknek mi az előnye, hátránya? Mit nevezünk port-nak? Mi a mikroarchitektúra szint feladata? ogy valósítja meg a feladatát? Mi az adatút? Milyen jei vannak a Mic-1 -nek? Mely csatlakoznak az hez? Mely csatlakoznak a hez? Mely csatlakoznak a hez? Milyen jelek szükségesek az adatút éhez? Mire szolgál az regiszter két bemenete? Mire szolgál az MR regiszter két bemenete? Máté: rchitektúrák 5. előadás 51 Máté: rchitektúrák 5. előadás 5 z előadáshoz kapcsolódó Fontosabb tételek Sokszorozott. Sín időzítés: szinkron, aszinkron, teljes kézfogás. Sín ütemezés. Sín műveletek. Általános soros. I express Parallel Input/Output (PIO), valódi és memóriára leképezett I/O eszköz. Teljes és részleges cím dekódolás Mikroarchitektúra szint. Mikroutasítások: Mic-1. Mic-1 működése. műveletek. LU és az adatút e. Máté: rchitektúrák 5. előadás előadás 9