06 - Principy řízení a připojování PZ
Úvod
1. Komunikace po systémové sběrnici
ISA, EISA, PCI, PCI Express
je založena na komunikaci s registry (mezi univerzálním registrem procesoru (střádačem) a registry řadiče)
příklady řízení řadiče:
dva způsoby adresace s registrů řadiče:
isolované vstupy/výstupy - instrukce IN a OUT
vstupy a výstupy mapované do paměťového prostoru - v případě, že bychom potřebovali namapovat např. 10 registrů a měli bychom dekodér pro 8 adres, je někdy možné zbylé dva registry namapovat v paměťovém prostoru, abychom ušetřili další komponentu
kompatibilita zdola - při přechodu na vyšší (rychlejší) typ sběrnice bylo třeba zachovat kompatibilitu se staršími řadiči (např. ISA ⇒ PCI)
je třeba brát v potaz časovou relaci mezi řídícími a datovými signály (nejprve vystavím data, pak zavelím zápis)
typy sběrnic:
nesdílená sběrnice - každý typ informace po vlastní sadě vodičů - ISA … *dedikovaná sběrnice AGP
sdílená sběrnice - všechny typy informací se posílají po jedné sadě vodičů - musí být identifikační signály - PCI
provedení:
rozvody na systémové desce
konektor systémové sběrnice - přes něj procesor komunikuje s řadiči PZ (některé PZ jsou na systémové desce)
2. Řadič PZ - Adaptér
Komunikace s procesorem
komunikace probíhá na základě:
instrukce assembleru IN/OUT
činnosti řadiče DMA ⇒ automat, co umí totéž, co řadič sběrnice ⇒ poskytuje přenos dat z registrů řadiče PZ do hlavní paměti
jiného prvku počítače, který umí řídit sběrnici (např BUS master)
je třeba rozpoznat, že je daný řadič PZ adresován a zároveň který z jeho registrů
jsou potřeba vyrovnávací paměti řadiče (vyvažují rozdíl rychlostí procesoru a PZ)
IRDY - initiate ready
TRDY - target ready
prvek typu transceiver - vysílá data na sběrnici, přijímá data ze sběrnice
principy přidělování systémové sběrnice:
centralizované - v počítači existuje arbitr ⇒ přijímá požadavky od všech adaptérů a rozhoduje na základě priorit (např řadič DMA)
centrálně řízená sběrnice podle důležitosti požadavku ⇒ zařízení generuje žádost, arbitr mu pošle signál přiděleno/obsazeno
centrálně řízená sběrnice na výzvu - arbitr vysílá číslo, určené zařízení rozpozná a generuje signál sběrnice obsazena
centrálně řízená postupná obsluha sběrnice
decentralizované - distribuované - rozhodnutí provedou zařízení mezi sebou
každé zařízení má adresu - 1 z n ⇒ např. 8 bitové číslo, kde pouze jeden bit je aktivní ⇒ zároveň určuje i prioritu (větší/menší) -
SCSI
⇒ pokud má sběrnici zařízení s nižší prioritou, musí uvolnit sběrnici, pokud o ni zažádá zařízení s vyšší prioritou
Komunikace s pamětí
prostřednictvím řadiče DMA
procesor je ve stavu vysoké impedance (řadič DMA mu pošle žádost o systémovou sběrnici ⇒ pokud procesor vyhoví, odpojí se)
Čtení | Zápis |
| |
Ukončení operace
3. Komunikace po periferní sběrnici
SCSI, IDE (ATA), SATA, DVI
komunikace probíhá autonomně (bez nutnosti procesoru) ⇒ jsou to časově náročné operace
⇒ PZ jsou mechanická zařízení ⇒ provádí se asynchronně
možnost zahájení komunikace na více zařízeních -
SCSI
A. Systémová rozhraní
řídí je řadič sběrnice a řadič DMA
dnes už existují prvky typu BUS master ⇒ umí řídit sběrnici
existují hierarchické struktury sběrnic:
system bus - nejrychlejší zařízení
highspeed bus - rychlá zařízení
extension bus - pomalejší zařízení
ISA
paralelní 16 bit sběrnice
-
přerušení spouštěná hranou (omezený počet prvků, které se můžou připojit na sběrnici)
PCI
sdílená multiplexovaná sběrnice
paralelní (32bit nebo 64 bit)
zvýšené požadavky na rychlost a šířku sběrnice (kompatibilita zdola ⇒ možnost používat starší typy adaptérů)
spojuje rozhraní:
severní most (north bridge) - rychlá zařízení (RAM, procesor)
jižní most (south bridge) - pomalá zařízení (disky)
PCI Express
spojení full duplex - je možné přenášet v obou směrech
pracuje s nízkými napětími
hodiny jsou zakódovány do dat (8b/10b)
decentralizované přidělování sběrnice
scalable - rozšiřitelná ⇒ aktivuje větší počet nových spojů
komunikuje pomocí transakcí na úrovni paketů (paměťové, V/V, konfigurační, zprávy)
B. Periferní rozhraní
Rozhraní diskových pamětí
FM - Frequency modulation
data a dvojí synchronizační pulzy
nejhorší vzorek dat - samé log '1'
nejlepší vzorek dat - samé log '0' - nejnižší počet změn magnetizace
jde o záznam s vlastní synchronizací
nemožnost zvyšovat kmitočet záznamu ⇒ nové metody MFM
Signál cls se bere vždy a signál cld, když jsou data v log '1'.
MFM - Modified Frequency Modulation
je možno zvýšit až 2x hustotu záznamu
samé log '1' nebo log '0' tvoří nejhorší vzorek dat
v každém bitovém intervalu není aspoň jedna změna magnetizace ⇒ nejde o záznam s vlastní synchronizací ⇒ je třeba PLL (Phased Locekd Loop - fázový závěs) ⇒ prvek, který je schopný dát se sesynchronizovat a generovat signál o daném kmitočtu
Signál cls se bere, když jsou data v log '0' a signál cld, když jsou data v log '1'.
RLL - Run Length Limited
Metody NRZ a NRZI
změna při přechodech 1-0, 0-1
změna při každé log '1'
Techniky PRML a EPRML
ST506/412
disk je bez vlastní inteligence ⇒ k práci vyžaduje podporu řadiče ⇒ umístěn na konektoru systémové sběrnice
je připojen přes:
řídící kabel - oběžníkový (sdílený)
datový kabel - vlastní pro každé zařízení
využívá MFM a RWC
k řízení slouží řada elementárních signálů
u ST412 možnost paralelního a autonomního vystavení
ESDI
IDE
podmnožina signálů sběrnice ISA (paralelní přenos)
připojuje se k South bridge (jižnímu mostu)
efektivnější řízení (cylinder skew a head skew)
adresovatelné registry jsou dostupné přes instrukce IN/OUT
registry:
řídící
datové
stavové - DF (device fault) x ERR (porucha dat)
umožňuje připojovat další zařízení IDE
EIDE
SATA
Nevýhody paralelních rozhraní
při postupném zvyšování rychlosti (kmitočtu) vzniká problém synchronizace (clock skew)
čím větší rychlost, tím větší přeslechy (cross talk)
při rozšiřování sběrnice se zvětšuje šířka kabelu (např
SCSI z 8 bit na 32 bit)
je proto výhodnější přejít na seriové protokoly, které nabízejí další možnosti ve zvyšování rychlosti
využívá se diferenciální signál ⇒ na přijímací straně se vyhodnocuje rozdíl napětí mezi vodiči, ne úroveň napětí ⇒ případná indukce ovlivní oba vodiče stejný směrem, stejnou měrou ⇒ větší odolnost vůči přeslechům ⇒ vyšší synchronizace
využívá nižší napětí (+-250 mV místo +-12 V) ⇒ rychlejší přepnutí mezi stavy
možnost řešení clock skew ⇒ synchronizace se odvozuje z dat ⇒ embeded clock ⇒ SATA a PCI Express (x DVI)
jednoduchý kabel ⇒ snadná manipulace
⇒ seriové sběrnice jsou dnes viděny jako perspektivní
Vlastnosti SATA
Rozhraní monitorů
rozlišení - počet zobrazovaných bodů na celou obrazovku (např 640×480)
šířka pásma - kmitočet, jímž jsou zobrazovány body na obrazovce (např. 640 x 480 x 20) ⇒ vyšší rozlišení = vyšší šířka pásma
snímková synchronizace
horizontální - řádková
vertikální - snímková
zobrazování:
prokládané - staré monitory (střídaly se liché a sudé řádky)
neprokládané
komponenty, které se podílejí na šířce pásma
grafický adaptér
kabel
monitor
Principy tvorby obrazu
CRT monitor
LCD monitor
možnosti tvorby obrazu:
aktivní matice
buzení segmentů - ke každému segmentu je přiveden vodič (digitální hodiny, …)
Grafický adaptér
Vývoj grafických adaptérů
kritéria:
umístění
kapacita
režimy činnosti (textový/grafický)
způsob řízení monitoru (číslicově/analogově)
možnost vkládání znakových sad (fontů)
systémová sběrnice
1. generace:
GA součástí systémové desky, včetně videopaměti (64 kB)
textový režim (nebylo možné definovat vlastní znakové sady)
černobílé
2. generace:
GA je již samotná komponenta ⇒ komunikace přes systémovou sběrnici (předchůdce ISA ⇒ pomalá)
VRAM - 256 kB - textový režim, nešlo definovat nové znakové sady
3. generace:
lepší sběrnice - ISA (stále ale pomalá)
VRAM - 2MB - textový i grafický režim, barevné zobrazení
analogové řízení ⇒ více barev
4. generace:
sběrnice PCI (značně rychlejší, ovšem stále nevýhoda sdílení sběrnice s jinými zařízeními)
grafický procesor ⇒ kvalitní barevné monitory
VRAM 8MB ⇒ analogové řízení monitoru (218 - 224)
5. generace:
dedikovaná sběrnice AGP - Accelerated Graphics Port (point to point) ⇒ 4x větší šířka pásma jak PCI
adresová část oddělena od datové
další navýšení rychlosti novými technikami - DIME:
zřetězené zpracování (Adresa, Data, Data, … , Adresa, Data, Data, …)
postranní zpracování (využívá navíc 8 bitů SBA - Sideband Adressing ⇒ zatímco se jedny data nahrávají do procesrou, jiné se připravují)
⇒ zvyšování rychlosti: AGP 1x, 2x, 4x a 8x
⇒ z operační paměti se data přes AGP nahrávají rovnou do grafického adaptéru (z části pracuje jako VRAM)
6. generace:
Grafický procesor
součástí grafického adaptéru ⇒ pro redukci objemu přenášených dat po systémové sběrnici
dobré řešení - PCI + grafický procesor (nevýhody PCI je sdílená ⇒ řešení AGP (viz. 5. generace GA))
stačí zasílat instrukce typu vykresli čáru, vykresli čtverec, … zadají se dva body a barva
vykreslování pak probíhá nezávisle na procesoru
spučasný zápis do VRAM ze strany grafického adaptéru a čtení z jejího obsahu řadičem CRTC (řadič monitoru CRT) ⇒ GP zapisuje pouze na adresy, z nichž se zrovna nečte
DVI
Univerzální rozhraní
SCSI
zavedla firma Macintosh - uznávaným standardem se stalo poté, co je začala používat firma IBM
paralelní (existuje i seriové)
jednotný způsob konstrukce PZ ⇒ unifikovaná množina příkazů
komunikace mezi počítačem a PZ probíhá pomocí signálních sledů - posloupnost jednoznačných příkazů (jeden signál může mít v různých sledech různý význam)
⇒ komunikace probíhá formou dotaz-odpověď
je nezávislý na zařízení
využívá distribuované přidělování sběrnice ⇒ adresace 1 z n ⇒ každé zařízení má unikátní adresu (např. 00000001 ⇒ jeden bit je aktivní) ⇒ zařízení si rozhodnou podle priorit, kdo bude mít nárok na systémovou sběrnici (není třeba centrální arbitr, je ovšem omezený prostor pro připojení PZ)
USB
Universal Serial Bus
problémy, které USB řeší:
přes stejný typ kabelu se připojí různé typy zařízení
umožňuje detekci chyb a zotavení
nenáročný komunikační protokol
lze sdružovat zařízení do jednoho USB
přenos synchronních i asynchronních (myš, klávesnice) přes jedno medium
low speed - 1.0
full speed - 1.1
high speed - 2.0
super speed - 3.0
druhy komponent:
komponenta device - rozšiřuje služby sběrnice (např. rozbočovač = hub - vytvoří rozšiřující plnohodnotné porty)
komponenta function - PZ - musí komunikovat podle stanovené normy
topologie připojení:
Připojení nového zařízení
kořenový rozbočovač rozpozná nové zařízení (změna kapacity) ⇒ přerušení
OS
nové zařízení obdrží adresu 0
OS rozpozná o jaké zařízení se jedná a jako šířku pásma bude potřebovat
přidělí novému zařízení adresu 1 - 127
adresu uloží do konfiguračního registru PZ
když odpojuje, vymaže toto zařízení ze svých tabulek
při odpojení rozbočovače jsou odpojena všechna jeho příslušící zařízení
Komunikace
data pro pomalejší zařízení D se ukládají v rozbočovači A rychlosti HS (do zařízení pak putují rychlostí LS), aby nedocházelo ke zpomalování zařízení C
⇒ mezi rozbočovači se data přenášejí zásadně rychlostí HS
typy datových toků
řídící - control - konfigurace, připojení, …
nárazové - bulk - nepravidelně velké množství dat (tiskárna)
přerušované - interrupt - data musí být přenesena do nějaké určité doby od vzniku požadavku a s minimální garantovanou rychlostí přenosu
izochronní - isochronous - data v reálném čase, zvuk
využívá se technika kódování NRZI (pokud je log '0' změní se logická hodnota)
zároveň se využívá metoda vkládání (bit suffing) - pokud je za sebou 6 jedniček, vloží se 0 (aby nedošlo rozsynchronizování hodin)
Kabely
využívá se 4 vodičový kabel
VBUS - USB device power (+5V)
D+ - differential data line
D- - dufferential data line
GND - powe and signal groud
může poskytovat zařízením napájení (Bus-Powered) x (Self-Powered) - do jisté zátěže
typy konektoru
typ 3.0 je mnohem složitější
Zařízení OTG
On-the-Go
zařízení spolu umí komunikovat bez nutnosti počítače
např. přenos dat mezi kamerou a diskem
komunikační protokol SRP - Session Request Protocol
FireWire
Zdroj
Čerpal jsem ze svého sešitu, který vychází ze všech
streamů a
slajdů roku 2010 náležícím předmětu IPZ.
Potvrzení
06 |
Celé jméno | OK | !!! |
Jirka Hynek | | |
vagy | | |
Tom Ofeig | | |
roman jasho | | |
| 4 | |
Diskuze
Jsem toto téma předělal, že to pro mě bylo jednodušší, než hledat, kde co dopsat. Jsem tu prostě hodil většinu zápisků ze sešitu. Využil jsem akorát některé obrázky, další jsem ofotil ze slajdů. Ještě dodělám USB a FireWire ⇒ tam už ale moc nebudu psát…
USB a FireWire přidáno.
DIME - Direct Memory Execute
SCSI - Small Computer System Interface