KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI ir ARCHITEKTŪRA

1. KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI ir ARCHITEKTŪRA ŠIUOLAIKINIŲ KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA Doc. Stasys Maciulevičius Kompiuterių katedra stasys.maciulevicius@ktu.lt

2. Ankstesnėje paskaitoje • DRAM moduliai • DRAM modulių tipai • Klaidų kontrolė • Klaidų korekcija – Hemingo kodas • 1, 2, 4, ... kanalai • Virtualioji atmintis • Atminties segmentavimas • Atminties puslapiavimas • Adresų transliacija • Atminčių laiko parametrai

3. Šioje paskaitoje • Duomenų perdavimo operacijos • Kompiuterio magistralės • Lygiagrečiosios ir nuosekliosios magistralės • FSB • HyperTransport ir QPI • PCI Express magistralė • USB • Magistralės arbitražas • Valdymo schemų rinkiniai • IDE (ATA) ir SATA sąsajos • SCSI sąsaja

4. Duomenų perdavimo operacijos Multipleksuota rašymo: Multipleksuota skaitymo: • Laikas Adresas (1 ciklas) Duomenys (2 ciklas) Adresas Kreipties laikas Duomenys

5. Duomenų perdavimo operacijos Nemultipleksuota rašymo: Nemultipleksuota skaitymo: Adresas ir duomenys perduodami skirtingomis linijomis Adresas Adresas Duomenys Duomenys

6. Duomenų perdavimo operacijos Skaitymas-modifikacija-rašymas: Duomenų bloko perdavimas: • Laikas Adresas (1 ciklas) Perskait. duomenys Įrašomi duomenys Adresas Duom.1 Duom.2 Duom.3 Duom.4 Į turinį

7. Kompiuterio magistralės Kompiuterių architektūroje magistrale vadina-mas posistemis, skirtas duomenims perduoti kompiuterio viduje arba tarp kompiuterių Skiriamos lygiagrečiosios magistralės, kai duomenys perduodami naudojant kiekvienam bitui atskirą liniją, ir nuosekliosios magistralės, kai duomenys perduodami bitas po bito per tą pačią liniją (nuosekliu kodu) Apibrėžiant magistralę būtina nurodyti duomenų perdavimo algoritmą, kuris gali būti pateiktas laiko diagramos pavidalu

8. Lygiagrečiosios magistralės Lygiagrečiosiose magistralėse sąvoka “magistralės plotis” atitinka signalinių linijų skaičių arba, kitais žodžiais, vienu metu perduodamų informacijos bitų skaičių Starto ir duomenų perdavimo ar priėmimo ciklo pabaigą nurodo sinchrosignalas

9. Lygiagrečiosios magistralės Lygiagrečiosios magistralės turi didelį linijų skaičių, todėl dažnai skiriamos trys jų sudedamosios dalys: adresų magistralė, kuria perduodamas adresas (atminties ar periferinio įtaiso); dažniausiai ši magistralė vienkryptė duomenų magistralė, kuria perduodami duomenys; dažniausiai į procesorių ir iš procesoriaus valdymo magistralė, kuria perduodamos komandos ir sinchronizacijos signalai, skirti visiems išoriniams (periferiniams) įtaisams bei atsakai iš jų

10. Lygiagrečiosios magistralės Lygiagrečiosios magistralės turi ribotą duomenų perdavimo dažnį dėl signalų sklidimo laiko išsibarstymo (timing skew) didesnės sunaudojamos galios elektromagnetinių trukdžių Nuosekliosios magistralės šių trūkumų neturi, todėl duomenys perduodami kur kas didesniu dažniu ir pasiekia didesnį perdavimo našumą (prisiminkime USB, FireWire, SATA)

11. Nuosekliosios magistralės Nuosekliosiose magistralėse naudojama viena signalinė linija (gali būti naudojami du atskiri kanalai perdavimo ir priėmimo srautams atskirti) Informacijos bitai perduodami nuosekliai Duomenys dažniausiai apjungiami į paketus, į kuriuos įeina ir tarnybinė informacija: starto bitai, paketų antraštės, sinchrosignalai, lyginumo bitai ar kontrolinės sumos, stop-bitai

12. Nuosekliosios magistralės Nuoseklus informacijos perdavimas šiuolaikinių technologijų sąlygomis duoda joms esminį pranašumą – galimybę praktiškai be didelių sąnaudų didinti perdavimo dažnį tokiose ribose, kurios nepasiekiamos gremėzdiškoms lygiagrečiosioms magistralėms Taip yra todėl, kad kiekviena magistralės linija turi tam tikrą ilgį, parazitinį talpumą ir induktyvumą Į turinį

13. Kompiuterio magistralės Kompiuteriuose sutinkamos vidinės magistralės, jungiančios tarpusavyje vidinius kompiuterio komponentus pagrindinėje plokštėje išorinės magistralės, jungiančios įvairius kompiuterio išorinius (periferinius) įtaisus prie pagrindinės plokštės Jei ryšys jungia tarpusavyje tik du aparatinės įrangoskomponentus, jį vadiname prievadu(port) - nuosekliu ar lygiagrečiu

14. Kompiuterio magistralės Procesoriaus magistralė. Ją naudoja valdymo schemų rinkinys (chipset) informacijos mainams su procesoriumi. Kai kurie šaltiniai ją vadina sistemine magistrale. Dabar dažniausiai ji vadinama FSB (FrontSide Bus) Kešo magistralė. Procesoriuose ji buvo naudojama dideliam pralaidumui užtikrinti. Čia ji dažniausiai vadinama BSB –Back SideBus. Atminties magistralė. Taip vadinama magistralė, jungianti atminties posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Kai kuriose sistemose tai ta pati procesoriaus magistralė.

15. Kompiuterio magistralės Lokalinė I/O magistralė. Taip vadinama didelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti sparčius I/O įtaisus su atminties posistemiu, su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Dabar populiariausia – PCI. Standartinė I/O magistralė. Tai nedidelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti tokius I/O įtaisus, kaip pelė, klaviatūra. Gera seniems įtaisams prijungti. Populiariausia anksčiau – ISA, dabar - USB. Greitoji grafikos magistralė (AGP – Accelerated Graphics Port).Taip vadinama didelės spartos magistralė, jungianti grafikos posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Naujoji grafikos magistralė (PCIe – PCI Express).Taip vadinama didelės spartos magistralė, pakeitusi AGP

16. FSB (Front Side Bus) Taip vadinama Intel firmos procesoriuose esanti magistralė P-M, P-M2, P-4 irP8 procesoriuose naudojama identiška (organizacijos ir protokolo atžvilgiu) 64 bitų magistralė su keturguba perdavimo sparta (QDR - Quad Data Rate) FSB vieną ar kelis procesorius jungia su VSR “šiaurine” mikroschema (Northbridge) Kiekviename takte per ją perduodama komanda arba 4 duomenų porcijos po 8 baitus

17. FSB (Front Side Bus) FSB sinchronizacijos dažnis yra nuo 200-266 MHz (P-4/P-4E) iki 266-400 MHz (Core 2) (2008 m.) Tai atitinka 800-1066 ir 1066-1600 MHz, arba 6,4-8,5 GB/s ir 8,5-12,8 GB/s FSB trūkumas kelių branduolių ar kelių procesorių sistemoje – nepakankamas pralaidumas dirbant su atmintimi arba išore (pvz., klasterio ryšių sistemoje)

18. Tradicinė magistralių sistema CPU FSB (Procesoriaus magistralė) Šiaurinis tiltas PCI-e (AGP) Atminties magistralė SATA (PATA) Pietinis tiltas PCI USB Į turinį

19. HyperTransporttechnologija AMD sukūrė didele sparta pasižyminčią tiesioginio ryšio tarp schemų sąsają kompiuteriams, serveriams ir kt. įrangai. Kuriant buvo iškelti tikslai: užtikrinti žymiai didesnį pralaidumą lyginant su turimomis technologijomis; sumažinti kontaktų skaičių ir atsako vėlinimo laiką; pasiekti skaidrumą operacinių sistemų požiūriu ir minimalų poveikį periferinių įtaisų tvarkyklėms Licencijuoja ir prižiūri HyperTransport Technology Consortium

20. AMD magistralių sistema Atminties magistralė CPU Ryšys su kitais CPU HyperTransportx16 Magistralė Nr.1 Tunelis Nr.1 HyperTransport HyperTransport Magistralė Nr.n Tunelis Nr.n HyperTransport Pietinis tiltas PCI USB SATA

21. HyperTransport savybės Dažnis gali būti pasiektas ir didesnis – iki 400 MHz.

22. HyperTransport pavyzdys CPU CPU Lokali magistralė Lokali magistralė HT HT AGP AGP Hyper- Transport Atm. kontrol. Atm. kontrol. (HT) DDR DDR Hyper- Transport Įvesties ir išvesties sąsajos

23. HyperTransport serveryje

24. QuickPath Interconnect(QPI) Intel procesoriuje Nehalem įvedė QuickPath Interconnect(QPI - vietoj anksčiau naudotos FSB) Ji tai padarė 5metais vėliau nei AMD, įvedusi HyperTransport Pirmą kartą tokio tipo magistralė pasirodė dar anksčiau, kai DEC inžinieriai sukūrė Alpha 21364 (EV7)

25. QuickPath Interconnect

26. QuickPath Interconnect QPI naudoja dvi 20 bitų magistrales (atskiras kiekvienai krypčiai). Iš 20 bitų 16 skirti duomenims perduoti, o likę 4 – kontrolei ar protokolo tarnybinei informacijai Tai duoda 6,4 GT/s spartą (arba 12,8 GB/s) kiekviena kryptimi FSB maksimalus dažnis šiuolaikiniuose Intel procesoriuose lygus 400 MHz; adresams perduoti reikia dviejų taktų (200 MT/s), o duomenys perduodami QDR režimu, pasiekiant 1,6 GT/s spartą. Kadangi duomenų magistralė 64 bitų, FSB duoda sumarinį 12,8 GB/s pralaidumą, tačiau tik viena kryptimi Į turinį

27. PCI Express magistralė PCI tolesnio vystymo kryptis – perėjimas prie didelės spartos nuoseklaus duomenų perdavimo. Tad buvo pasiūlyta kurti trečiosios kartos įvesties ir išvesties magistralę 3GIO (3rd Generation IO), kuri vėliau buvo pavadinta PCI Express Ją palaikovisi naujieji valdymo schemų rinkiniai, Windows Vista, Windows 7

28. PCI Express magistralė Siekiama, kad ji būtų naudojama įvairiuose rinkos segmentuose – stalo ir mobiliuosiuose kompiuteriuose, serveriuose, darbo stotyse, ryšio priemonėse Būdama nuosekli, ši magistralė turėtų būti ne brangesnė už PCI, dėl mažesnio laidininkų skaičiaus užimtų mažiau vietos plokštėse Programiniu požiūriu ji suderinama su PCI

29. PCI Express magistralė CPU PCI-e įtaisas Atmintis Šiaurinis tiltas PCI-e įtaisas PCI-e įtaisas PCI-e įtaisas PCI-e įtaisas Komuta- torius PCI-e įtaisas PCI-e įtaisas PCI-e įtaisas Nauja sąvoka – komutatorius, pakeičiantis magistralę su daugeliu prisijungimo vietų:

30. Vienas PCI Express kanalas Kitas įtaisas (pavyzdžiui, grafikos įtaisas) Pagrindinis įtaisas (pavyzdžiui, procesorius ar VSR) Diferencia-linė pora

31. PCI Express magistralė Svarbi jos funkcija – galimybė keisti perdavimo spartą keičiant linijų skaičių: x1, x2, x4, x8, x12, x16, x32 x1 variantas minimaliausias, jis įstatomas plokštėse šalia PCI lizdo, kad būtų galima įstatyti tiek paprastą PCI plokštę, tiek ir naująją PCI Express Dauguma VSRnaudojax16 grafikai, pasiekiant 4 GB/s spartą, o tai daugiau nei du kartus viršija AGP 8X galimybes

32. PCI Express magistralė Kiti PCI Express privalumai: žemas sunaudojamos energijos kiekis; “karšto pakeitimo” palaikymas; kokybiškos aptarnavimo strategijos; klaidų aptikimo galimybė keliuose lygmenyse; kelių lygmenų technologija, palaikanti paketų komutavimą. Į turinį

33. USB magistralė USB – nuosekli magistralė, pasižyminti vidutine perdavimo sparta. Ji skirta įvairiems periferiniams įtaisams (klaviatūrai, spausdintuvams, skeneriams, garso sistemoms, ...) prijungti. Sisteminėje plokštėje dažniausiai būna 2 USB jungtys. Kompiuterio korpuse anksčiau jas rasdavome užpakalinėje sienelėje, dabartiniu metu – priekyje.

34. USB magistralė USB 1.0 (pirmoji jos versija) pasižymi: lengvai realizuojamu periferijos išplėtimu, kabelių sistemos ir prijungimo paprastumu, vidutine perdavimo sparta – iki 12 Mb/s, nedidele kaina, duomenų perdavimo protokolo lankstumu. PC su įdėtu USB kontroleriu išleidžiami nuo 1996 metų.

35. USB magistralė USB įtaisai gali būti: šakotuvais (Hub), kurie užtikrina papildomus įtaisų prijungimo taškus; funkcijomis (Functions), kurie realizuoja tam tikras sistemos funkcijas (pvz., prijungimą prie ISDN, akustinę sistemą su skaitmenine sąsaja ir pan.), šakotuvų ir funkcijų kombinacija. Visos sistemos darbą valdo pagrindinis kontroleris (host controller), kuris yra PC techninis-programinis posistemis.

36. USB įtaisų prijungimas Mikro- fonas Garsia- kalbiai Pelė Telefonas Šviesos plunksna Komutatorius/ “funkcija” Komutatorius/ “funkcija” Komutatorius/ “šeimininkas” Klaviatūra Monitorius PC “Funkcija” “Funkcija” “Funkcija” “Funkcija” “Funkcija”

37. USB magistralė Informaciniai signalai ir maitinimas perduodami 4 linijų kabeliu: dvi linijos skirtos signalams perduoti nuosekliu kodu; signalų lygiai - <0,3V (0) arba >2,8V (1). dvi linijos skirtos maitinimui; leistina srovė – 0,5A; ji gali būti pakankama paprastiems įtaisams maitinti.

38. USB 2.0 Nuo 2001 metų vidurio pradėti gaminti įtaisai, skirti jungimui per magistralę USB 2.0. Tačiau lūžis įvyko po metų, kai Intel išleido pirmuosius valdymo schemų rinkinius (chipsets), palaikančius šią magistralę. Naujoji USBversija pasižymi daug kartų didesne sparta (480 Mb/s), nei USB 1.1, irdidesne sparta, nei jos pagrindinė konkurentė - FireWire.

39. USB 3.0 USB 3.0sparta(4,8 Gbit/s) 10 kartų didesnė nei USB 2.0. Be to, USB 3.0 – dvikryptė; ja duomenis vienu metu galima perduoti abiem kryptimis (ankstesnėse – tik viena). Patobulintas duomenų mainų protokolas, padidinta leistina srovė (iki 0,9 A), didesnis efektyvumas energijos naudojimo požiūriu USB 3.0 palaiko ir įtaisus, skirtus darbui per USB 2.0

40. USB 3.0 testai SATA 300 USB 3.0 USB 2.0

41. Belaidė USB Ekspertų nuomone, belaidė USB Wireless USB 1.1 (standartizuota 2010 m.) šiuo metu yra sėkmingiausia belaidė sąsaja pasaulyje Wireless USB veikimo spindulys – 10 metrų Jei atstumas neviršija 3 m. –duomenų perdavimo sparta iki 480 Mb/s, jei didesnis – sparta mažesnė (110 Mb/s) Į turinį

42. Keli šaltiniai magistralėje S1 S2 Sk I1 I1 Im

43. Magistralės arbitražas Kas bus, jei : tuo pačiu metu mainus norės atlikti keli iniciatoriai? vykstant mainams tarp dviejų įtaisų, prisireiks skubiai perduoti informaciją kitam įtaisui? Tvarkai palaikyti ir mainams organizuoti naudojamas magistralės arbitražas Magistralės arbitražas būna nuoseklus (paskirstytas) arba lygiagretus (centralizuotas)

44. Nuoseklus magistralės arbitražas Įtaisas 0 Užkl. Leid. Įtaisas 1 Užkl. Leid. Magistra-lės arbitras 0 Magistra-lės arbitras 1 IN# OUT# IN# OUT# Leidimas naudoti magistralę BUSY#

45. Nuoseklus magistralės arbitras SYSB/RESB# AEN# S2 S1 S0 8289 BCLK#BUSY# CBRQ# BPRN# BPRO# BCLK# BUSY# CBRQ# SYSB/RESB# - užklausimas AEN# - leidžiama naudoti magistralę S2 S1 S0 - būsenos signalai BCLK# - magistr. sinchrosignalai BUSY# - magistr užimta CBRQ# - yra aukšt. prior. užklaus. BPRN# - Bus Priority In(IN) BPRO# - Bus Priority Out (OUT)

46. Lygiagretus magistralės arbitražas Įtaisas 0 Užkl. Leid. Įtaisas 1 Užkl. Leid. Įtaisas 2 Užkl. Leid. Naudoji-mosi magistrale valdymas 0 Naudoji-mosi magistrale valdymas 1 Naudoji-mosi magistrale valdymas 2 Central-izuotas magistralės arbitras Request3 Request2 Request1 Request0 Grant3 Grant2 Grant1 Grant0

47. Lygiagretus magistralės arbitras DBR0# DBG0# BGACK # DBR1 # DBG1 # BCLR # • MC68452: • 8 įėjimai DBR7# - DBR0# • 8 išėjimai DBG7# - DBG0# • leidimo patvirtinimas BGACK# • magistralės “valymas” BCLR# Į turinį

48. Kompiuteriokontroleriai ir VSR Anksčiau kompiuteryje kontrolei ir valdymui buvo naudojamos atskiros mikroschemos – kontroleriai: dinaminės atminties (RAM) kontroleris; pertraukčių kontroleris; tiesioginių mainų su atmintimi kontroleris; kešo kontroleris; sistemos kontroleris ir pan. Laikui bėgant buvo imta šiuos kontrolerius integruoti į mikroschemų rinkinį, kurį sudarė dvi ar daugiau mikroschemų Tad VSR – iš tiesų valdymo schemų rinkinys.

49. Pirmieji valdymo schemų rinkiniai Valdymo schemų rinkiniai apjungia kompiuterio sisteminėje plokštėje esančius elementus – procesorių, atmintį, magistrales, L3 kešą – į vieningą sistemą. Jų vietą sisteminėje plokštėje rodo sekančioje skaidrėje pateikta funkcinė schema su Intel Triton 430X: sistemos kontroleris TSC 82437FX duomenų komutatoriai TDP 82371FB PCI IDE ISA spartintuvas PIIX (tiltas)

50. Pirmieji valdymo schemų rinkiniai Procesorius V A D Procesoriaus (sisteminė) magistralė Adr. Sistemos kontroleris (TSC) L2 (L3) kešas Pagrindinė atmintis Vald. D Duomenų komutat. (TDP) Vald. Vald. PCI V A/D Tiltas (PIIX) PCI įtaisai IDE IDE ISA įtaisai