Digitális Logika szintje. Sínek - PCI

Átírás

1 Digitális Logika szintje Sínek - PCI

2 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

3 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

4 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

5 PCI - ütemezés Ütemezés Nincs algoritmus meghatározva a PCIszabványban Körkörös Prioritásvezérelt Stb Igazságos ütemezés kell Egy eszköz se várjon túl sokáig

6 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

7 PCI sín jelei Kötelező jelek

8 PCI sín jelei - Kötelező jelek CLK órajel, ISA-val ellentétben a tranzakciók a CLK lemenő élre indulnak

9 PCI sín jelei - Kötelező jelek AD cím vagy adat továbbításra szolgál (32 bit) (3 ciklusban: 1-cím fel, 2-cím le,3:adat fel)

10 PCI sín jelei - Kötelező jelek PAR AD paritása

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

12 PCI sín jelei - Kötelező jelek C/BE második ciklus: bittérkép az érvényes byte-okról (1,2,3,4 byte-ot lehet írni/olvasni)

13 PCI sín jelei - Kötelező jelek FRAME# - sínmester állítja, tranzakció kezdéskor. A cím/adat érvényességét jelzi

14 PCI sín jelei - Kötelező jelek IRDY# - Olvasáskor FRAME#-el együtt állítja be a sínmester. Jelentés: sínmester készen áll a fogadásra

15 PCI sín jelei - Kötelező jelek IDSEL Minden PCI eszköznek van egy 256 byteos konfigurációs területe, IDSEL beállításával ezt olvasni lehet (PnP pl. innen nézheti az eszközöket)

16 PCI sín jelei - Kötelező jelek 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

17 PCI sín jelei - Kötelező jelek TRDY# - olvasáskor: adatok az AD-n; íráskor: készen áll az adatok fogadására

18 PCI sín jelei - Kötelező jelek STOP# - hiba, szolga megszakíthatja a tranzakciót

19 PCI sín jelei - Kötelező jelek PERR# - előző ciklusban paritáshiba. Olvasásnál mester, írásnál szolga állítja be. Szükséges lépések a fogadóeszközön múlnak

20 PCI sín jelei - Kötelező jelek SERR# - Címhiba (paritás) vagy rendszerhiba

21 PCI sín jelei - Kötelező jelek REQ#/GNT# - ütemezésben vesznek részt, versengő eszközök adják ki

22 PCI sín jelei - Kötelező jelek RST# - Reset, alapállapotba áll a rendszer (Reset gomb; végzetes hiba)

23 PCI sín jelei - Opcionális jelek Opcionális jelek Legtöbbje bites kiegészítéssel kapcsolatos

24 PCI sín jelei - Opcionális jelek REQ64# - sínmester 64 bites tranzakció indításra kérhet engedélyt

25 PCI sín jelei - Opcionális jelek ACK64# - szolga 64 bites tranzakció fogadását jelzi

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

27 PCI sín jelei - Opcionális jelek Következő három jel nem 32/64 bites kiegészítés, hanem multiprocesszoros rendszerekkel kapcsolatos. PCI kártyáknak nem szükséges támogatniuk

28 PCI sín jelei - Opcionális jelek LOCK több tranzakció idejére foglalható a sín

29 PCI sín jelei - Opcionális jelek SBO#/SDONE szimatolással (snooping) kapcsolatos jelek (cache koherenciát biztosít)

30 PCI sín jelei - Opcionális jelek INTx megszakítás kérésre szolgáló jelek. Egy PCI eszköz 4 logikailag független egységből állhat, külön megszakításigénylő vonalakkal

31 PCI sín jelei - Opcionális jelek JTAG IEEE JTAG tesztelési eljárás számára fenntartott vonalak. IC-k, beágyazott rendszerek, CPU-k vezetékeinek tesztelésére

32 PCI sín jelei - Opcionális jelek M66EN órajel frekvencia beállítása (33 v. 66 MHz). Működés közben nem változhat

33 PCI síntranzakciók Olvasás üres ciklus írás tranzakciók

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

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

36 PCI síntranzakciók 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.

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

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

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

40 PCI síntranzakciók T7: memória fogadja az adatot

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

42 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 )

43 (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

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

45 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

46 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

47 PCI Express PCIe csomagkapcsolás Csomagok: Fejléc (vezérlési információkkal, vezérlőjelek helyett) Adat (hasznos adat) PCIe-s PC egy kis csomagkapcsolt hálózat

48 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

49 PCI Express protokollrendszer PCI Express réteges kapcsolati protokollrendszerrel rendelkezik Protokoll: két fél közötti kommunikációt irányító szabályrendszer (a) : PCIe protokollrendszer 4 rétegből áll

50 PCI Express protokollrendszer 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)

51 PCI Express protokollrendszer 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

52 PCI Express protokollrendszer 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)

53 PCI Express protokollrendszer 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

54 PCI Express protokollrendszer 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)

55 PCI Express protokollrendszer 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

56 PCI Express protokollrendszer 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.)

57 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

58 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

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

60 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 ( W) PCIe Cable: akár 10 méteres kábeleken is lehet eszközt csatlakoztatni bővítő dobozok (új fizikai tervezés lehetséges)

61 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

62 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

63 USB (Universal Serial Bus) 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

64 USB (Universal Serial Bus) USB 1.0 USB 1.1 1,5 Mbps billentyű, egér, webkamera, szkenner, stb.. 12 Mbps nyomtató, digitális fényképező USB Mbps külső tárolók

65 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

66 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

67 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

68 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)

69 USB Négy keretből álló sorozat: Payload: hasznos adat

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

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

72 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

73 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

74 USB Egy keret egy v. több csomagot tartalmaz ADAT 8 bites szinkronizációs mezőből (SYN), 8 bites csomagtípusból (PID), Hasznos adatból 16 bites CRC kódból áll

75 USB Egy keret egy v. több csomagot tartalmaz Három kézfogás csomag ACK rendben megjött az előző NAK CRC hiba az átvitelben STALL várni kell, eszköz elfoglalt

76 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 )

77 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)

78 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

79 USB csatlakozók USB A USB B USB Mini A & B

80 Kapcsolat a perifériákkal A számítógép főbb részei CPU Memória Sín I/O vezérlő A gép ezeken keresztül kommunikál a külvilággal

81 Kapcsolat a perifériákkal Számos I/O lapka van forgalomban, gyakoriak: UART USART Képernyőmeghajtók Diszkvezérlők PIO lapkák

82 Kapcsolat a perifériákkal 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 bps Karakterszélességek: 5-8, 1, 1.5, 2 stop bittel Páros/páratlan/kikapcsolt paritással

83 Kapcsolat a perifériákkal USART (Universal Synchronous Receiver/Transmitter) Szinkron működés UART lapkák összes funkcióját megvalósítják

84 Kapcsolat a perifériákkal PIO (Parallel I/O) Pl.: Intel 8255A

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

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

87 Kapcsolat a perifériákkal 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

88 Kapcsolat a perifériákkal 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

89 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

90 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

91 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