3. Magistrale

1Sisteme de intrare/ieșire și echipamente periferice (03-2)

3. Magistrale

IntroducereConsiderații electriceSincronizarea transferurilor de dateArbitrajul de magistralăMagistrala VMEMagistrale localeMagistrala PCIVariante ale magistralei PCIMagistrale seriale

21.10.2015


Magistrale locale (1)

Majoritatea subsistemelor de I/E integrate sunt conectate la magistrala de extensie

Adaptoare grafice și videoAdaptoare SCSIAdaptoare de rețea

În prezent, numeroase subsisteme sunt integrate pe placa de bază

Majoritatea subsistemelor sunt conectate la magistrala X (magistrala utilitară)

21.10.2015



21.10.2015



Un modul de I/E se poate conecta la magistrala locală a procesorului în locul magistralei de extensie

Modulul de I/E este reproiectatMetode pentru conectarea la magistrala locală a procesorului:

Conectarea directăConectarea printr-un bufferConectarea de tip stație de lucru

21.10.2015


Magistrale locale (4)Conectarea directă

Modulul va trebui reproiectat pentru procesoarele din generațiile viitoare Pe magistrala locală se poate conecta un singur modul

Conectarea printr-un bufferLa magistrala prevăzută cu un buffer se pot conecta până la trei moduleProcesorul și un modul master nu pot utiliza magistrala simultan

21.10.2015



Conectarea de tip stație de lucruControlerul memoriei cache L2 (L3) este combinat cu un circuit numit punte

Asigură interfața dintre procesor, memoria principală și o magistrală de I/E

Procesorul poate comunica cu memoriile sale cache în timp ce un modul de I/E are acces la memoria principalăInterfața modulelor cu magistrala de I/E va fi independentă de magistrala procesorului

21.10.2015


3. Magistrale


21.10.2015


Magistrala PCI

Magistrala PCIPrezentare generalăDetalii de funcționareArbitrajul de magistrală Tranzacții PCIÎntreruperi PCI

21.10.2015


Prezentare generală (1)

PCI - Peripheral Component InterconnectDezvoltată de firma Intel

Intenția inițială: standard pentru interconectarea circuitelor rapide de pe placa de bază

Prima versiune (1.0) – publicată în 1992S-au definit reguli de proiectare obligatoriiNu s-au definit semnalele și conexiunile

Ulterior, au fost definite specificații electrice și funcționale detaliate ale magistralei

21.10.2015



Versiunea 2.0 (1993):33 MHz, maxim 132 MB/s (tipic: 80 MB/s)

Versiunea 2.1 (1995)Versiunea 2.2 (1998)Versiunea 2.3 (2002)Versiunea 3.0 (2003)Extensii opționale (începând cu vers. 2.1)

64 de biți sau 66 MHz: maxim 264 MB/s64 de biți și 66 MHz: maxim 528 MB/s

21.10.2015



Specificațiile PCI sunt actualizate de organizația PCI Special Interest Group (PCI-SIG), www.pcisig.comConectarea la magistrala locală a procesorului printr-un buffer sau de tip stație de lucruMagistrala PCI nu este specifică procesoarelor IntelSpecificațiile impun o limitare de 10 încărcări electrice (3 plăci de extensie)

Poate fi extinsă cu punți PCI-PCI21.10.2015

http://www.pcisig.com/



21.10.2015


Prezentare generală (5)Extensiile magistralei definesc o familie de conectori

Pentru magistrale de 32 sau 64 de bițiPentru adaptoare de 5 V sau 3,3 V

Plăcile de extensie sunt prevăzute cu cheiPlăci universale

Funcționează la 5 V sau 3,3 VPot fi inserate în orice tip de conector

Versiunea 3.0: permite doar conectori ai plăcii de bază de 3,3 V

21.10.2015



Plăcile de extensie PCI sunt configurate automat pentru tranzacțiile pe magistrală

Nu sunt necesare setări manualeDispozitivele PCI implementează un set de registre de configurație (64 x 32 biți)

Registrele conțin informații despre: prezența dispozitivului; tipul dispozitivului; spațiul de adrese necesarProgramele configurează decodificatoarele de adresă pentru memorie și I/E

21.10.2015


Magistrala PCI


21.10.2015


Detalii de funcționare (1)

Funcționare sincronăIntegritatea datelor este menținută până la 0 Hz moduri în așteptare sau suspendareTranzacțiile au loc între un dispozitiv master (inițiator) și unul slave (destinație)Linii de adrese și date multiplexate, AD

Ciclul 1: adresa este plasată pe magistralăCiclul 2: inițiatorul eliberează magistralaCiclul 3: datele sunt plasate pe magistrală

21.10.2015



Dacă destinația nu poate răspunde în trei cicluri, poate insera stări de așteptareTrei semnale pentru controlul fluxului

IRDY# (Initiator Ready): un inițiator poate accepta date (citire) sau a depus date valide (scriere)TRDY# (Target Ready): o destinație a depus date valide (citire) sau poate accepta dateSTOP# (Stop): activat de o destinație pentru abandonarea tranzacției în curs

21.10.2015



Nu este necesară utilizarea tuturor celor 32 (sau 64) de biți ai liniilor de date

C/BE0#..C/BE3# (Command/Byte Enable): indică octeții care conțin date valideC/BE4#..C/BE7# pt. magistrale de 64 bițiÎn timpul ciclului 1, semnalele C/BE# conțin comanda pentru magistrală, de exemplu:

I/O Read, I/O WriteMemory Read, Memory WriteConfiguration Read, Configuration Write

21.10.2015



Magistrala PCI nu necesită terminatoriApar reflexii de semnalReflexiile sunt utilizate ca un avantajPentru activarea unui semnal, un dispozitiv generează pe linia semnalului o tensiune cu un nivel de jumătate față de cel necesarSemnalul este reflectat și nivelul său este dublat până la nivelul de activare necesarAvantaje: reducerea curentului; reducerea dimensiunii driverelor

21.10.2015


Magistrala PCI


21.10.2015


Arbitrajul de magistrală (1)

Un inițiator trebuie să solicite utilizarea magistralei Se utilizează o arbitrare centralizată

Arbitrul este integrat în setul de circuiteFiecare inițiator PCI are două linii de arbitrare (REQ#, GNT#) conectate la arbitru

Pentru solicitarea magistralei, un inițiator PCI activează semnalul său REQ# Pentru acordarea magistralei, arbitrul activează semnalul GNT# corespunzător

21.10.2015


Arbitrajul de magistrală (2)

Arbitrarea are loc în timp ce un alt inițiator controlează magistrala arbitrare ascunsăMagistrala este acordată pentru o tranzacțieDupă primirea controlului, inițiatorul trebuie să aștepte terminarea tranzacției în curs

FRAME# și IRDY# sunt ambele dezactivateSpecificațiile PCI nu definesc algoritmul de arbitrare utilizat de arbitru

21.10.2015


Magistrala PCI


21.10.2015


Tranzacții PCI (1)

Tranzacțiile constau dintr-o fază de adrese urmată de una sau mai multe faze de date

Adresare de 64 de biți: există două faze de adrese

Faza de adrese (un ciclu de ceas):Inițiatorul identifică dispozitivul destinație (AD) și tipul tranzacției (C/BE#)Semnalul FRAME# indică validitatea adresei de start și a tipului de tranzacție

21.10.2015


Tranzacții PCI (2)

Semnalul DEVSEL# este activat de destinație; indică detectarea adresei sale și disponibilitatea pentru tranzacțieFaza de date

Se transferă un număr de octeți de date între inițiator și destinație Semnalul FRAME# rămâne activat până la faza finală de dateUltima fază de date este indicată prin dezactivarea FRAME# și activarea IRDY#

21.10.2015


Tranzacții PCI (3)

21.10.2015


Tranzacții PCI (4)Majoritatea tranzacțiilor PCI sunt executate în modul exploziv (“burst”)Un transfer în mod exploziv constă din:

O singură fază de adreseMai multe faze de date

Arbitrajul de magistrală trebuie executat o singură datăDestinația memorează adresa de start și o incrementează în fiecare fază de date

Transferul continuă cât timp FRAME# este activ21.10.2015


Magistrala PCI


21.10.2015


Întreruperi PCI (1)

Magistrala PCI are patru linii de cerere de întrerupere active pe nivel, INTA#..INTD#

Dispozitiv cu funcție unică INTA#Liniile de cerere a întreruperii pot fi partajate

Liniile sunt cu drenă deschisă (“open-drain”)Mai multe dispozitive conectate la aceeași linie o pot activa simultan

O configurație particulară pe liniile C/BE# indică un ciclu de achitare a întreruperii

21.10.2015


Întreruperi PCI (2)

Rutarea întreruperilorConectarea liniei PCI INTx# a dispozitivului la o linie IRQ a sistemului Rutarea întreruperilor trebuie să fie programabilă

Registrele de configurație PCI memorează informații despre întreruperi

Registrul pinului de întrerupere linia de cerere utilizată de dispozitivRegistrul liniei de întrerupere rutarea

21.10.2015


3. Magistrale


21.10.2015


Variante ale magistralei PCI

Variante ale magistralei PCIMagistrala PCI-XMagistrala PCI ExpressVariante pentru calculatoare portabileVariante pentru sisteme industriale

21.10.2015


Magistrala PCI-X (1)

Extensie cu performanțe mai ridicate a magistralei PCI convenționale Este compatibilă cu diferitele variante ale magistralei PCIAsigură ratele de transfer necesare pentru conexiuni cum sunt Gigabit Ethernet, Fiber Channel și Ultra-640 SCSI Utilizată inițial pentru servere și stații de lucru

21.10.2015



Versiunea 1.0 Frecvențe de până la 133 MHz32 sau 64 de bițiRata maximă: 1,064 GB/sÎmbunătățiri ale protocolului convențional:

Tranzacții divizate: permit unui inițiator să efectueze o cerere pentru un transfer și apoi să elibereze magistrala

21.10.2015



Contor de octeți: un inițiator poate specifica în avans numărul de octeți solicitați se elimină încărcările speculative

Compatibilitate hardware cu versiunile anterioare: funcționare la 33 sau 66 MHz, cu protocolul convenționalCompatibilitate software cu versiunile anterioare: la nivelul SO, BIOS, drivere de dispozitiv

Nu necesită modificări

21.10.2015



Versiunea 2.0 Îmbunătățiri care permit utilizarea de către servere a unor tehnologii de I/E cu performanțe foarte ridicate

Rețeaua Ethernet de 10 Gbiți/s Magistrala Fiber Channel de 10 Gbiți/s Magistrala InfiniBand

Se păstrează compatibilitatea hardware și software cu generațiile anterioare ale magistralei

21.10.2015



Frecvențe mai ridicate de funcționarePCI-X 266 (DDR – Double Data Rate): 266 MHz, max. 2,128 GB/sPCI-X 533 (QDR – Quad Data Rate): 533 MHz, max. 4,256 GB/sPCI-X 1066: 1066 MHz, max. 8,5 GB/s Performanțele maxime sunt de 64 de ori mai ridicate față de prima generație PCI

Variantele PCI-X 133 și ulterioare permit utilizarea unui singur conector, o încărcare electrică aplicații punct la punct

21.10.2015



Caracteristici noi:Cod corector de erori ECC (Error Correcting Code): permite corectarea erorilor de un bit Protocol îmbunătățit: crește gradul de utilizare și eficiența magistralei Semnale de strob (variantele PCI-X 266 și PCI-X 533): comandă intrările de ceas ale bufferelor de dateSemnale de 1,5 V: permit funcționarea la frecvențe mai ridicate

21.10.2015


Variante ale magistralei PCI

Variante ale magistralei PCIMagistrala PCI-XMagistrala PCI ExpressVariante pentru calculatoare portabileVariante pentru sisteme industriale

21.10.2015


Magistrala PCI Express

Magistrala PCI Express Prezentare generală Legătura PCI Express Topologia magistraleiNivele arhitecturale Tranzacții PCI Express Întreruperi PCI Express Versiuni ale standardelor PCI Express

21.10.2015



PCI-E, PCIeProvine din specificațiile preliminare ale interfeței 3GIO (Third Generation I/O)Ulterior, specificațiile au fost transferate la organizația PCI Special Interest Group Magistrală serială

Avantaje: complexitate mai redusă a plăcilor, număr mai redus de pini, cost mai redus

21.10.2015



Permite interconexiuni între circuite integrate și între plăci prin conectori Unifică arhitectura de I/E pentru diferite tipuri de sisteme: calculatoare de birou, calculatoare portabile, servere, sisteme înglobate Model software compatibil cu arhitectura PCI convențională nu necesită modificări ale SO și ale driverelor

21.10.2015



Păstrează caracteristicile avantajoase ale magistralelor PCI anterioare:

Același model de comunicație Aceleași spații de adrese Aceleași tipuri de tranzacții

Introduce diferite îmbunătățiri:Conexiune serială: elimină dezavantajele unei magistrale paralele dificultatea sincronizării Conexiune punct la punct

21.10.2015



Protocol bazat pe pachete Performanță scalabilă număr variabil de benzi de comunicație Facilitatea de calitate a serviciilor (QoS – Quality of Service) performanțe diferențiate Gestiunea avansată a puterii consumate Raportarea și gestiunea avansată a erorilor Posibilitatea conectării și deconectării perifericelor în timpul funcționării

21.10.2015




21.10.2015


Legătura PCI Express (1)

Legătură PCIe minimală: două canale de comunicație unidirecționale

Sunt transmise pachete: date, comenzi Canal: două fire cu semnale diferențiale Bandă de comunicație (“lane”)

Legătură PCIe cu benzi de comunicație multiple: xN Lățimea legăturii și frecvența de funcționare: setate automat

21.10.2015

Sisteme de intrare/ieșire și echipamente periferice (03-2) 47

Legătura PCI Express (2)

Frecvențe de funcționare: 2,5 GHz (2,5 Gbiți/s pentru fiecare direcție) 5 GHz 8 GHz

21.10.2015




21.10.2015


Topologia magistralei (1)Complex rădăcină definește o ierarhie

Conectează UCP și memoria cu perifericele Porturi PCIe: definesc câte un domeniu ierarhic

Puncte terminale Dispozitive periferice: inițiatori, destinații Până la 8 funcții logice (0 .. 7)

Comutator Înlocuiește magistrala partajată Permite comunicația directă între două periferice

21.10.2015


Topologia magistralei (2)

21.10.2015


Topologia magistralei (3)

Comutator: ansamblu de punți virtuale între diferite magistrale PCI

21.10.2015




21.10.2015


Nivele arhitecturale (1)

21.10.2015



Arhitectura dispozitivelor PCIe Ultimele trei nivele ale arhitecturii PCIe Două secțiuni în fiecare nivel: pentru transmiterea, respectiv recepția informațiilor

Exemplu: secțiunea de transmitere Nivelul tranzacțiilor: formează un pachet Nivelul legăturii de date: extinde pachetul cu informații pentru detecția erorilor Nivelul fizic: codifică pachetul și îl transmite prin semnale diferențiale

21.10.2015



Nivelul fizicCodificarea datelor permite generarea unui semnal de ceas la recepție Până la versiunea 3.0: codificare 8b/10b lățimea de bandă se reduce cu 20% Versiunea 3.0: codificare 128b/130b Dacă legătura conține mai multe benzi de comunicație, octeții se transmit întrețesut Octeții succesivi se transmit pe benzi succesive se reduce întârzierea la recepție

21.10.2015



Conectori PCI Express (x4, x16, x1, x16) Conector PCI (32 de biți)

21.10.2015




21.10.2015


Tranzacții PCI Express (1)

Tranzacție: una sau mai multe transmisii de pachete necesare pentru un transfer Categorii de tranzacții:

De memorie De I/E De configurație De mesaje: gestiunea puterii de alimentare, semnalarea întreruperilor și a erorilor

21.10.2015


Tranzacții PCI Express (2)

Tranzacții la care dispozitivul destinație returnează un pachet de terminare

Executate conform protocolului definit pentru tranzacțiile divizate (PCI-X) Dispozitivul destinație memorează informațiile și semnalează un răspuns întârziat

Tranzacții la care dispozitivul destinație nu returnează un pachet de terminare

Timpul necesar tranzacției este mai redus 21.10.2015




21.10.2015


Întreruperi PCI Express (1)Cererile de întrerupere pot fi semnalate în două moduri: nativ și compatibil Modul nativ

Întreruperi semnalate prin mesaje (MSI – Message Signaled Interrupts) Definit ca un mod opțional la magistrala PCI Nu reprezintă mesaje PCIe, ci tranzacții de scriere în memorie Adresele de memorie sunt rezervate de sistem

21.10.2015


Întreruperi PCI Express (2)

Modul compatibil Dispozitivele utilizează semnalele pentru cererile de întrerupere INTx# Magistrala PCIe nu dispune de liniile de întrerupere INTx# Se utilizează mesaje speciale cu rolul unor linii virtuale INTx# (ex., mesaj de activare INTA#) Mesajele sunt destinate controlerului de întreruperi din complexul rădăcină

21.10.2015




21.10.2015


Versiuni ale standardelor PCI Express

Versiunea 1.0 (2002)2,5 Gbiți/s (250 MB/s); conector x16: 4 GB/s

Versiunea 1.1 (2005)Versiunile 2.0, 2.1 (2007)

5 Gbiți/s (500 MB/s); conector x16: 8 GB/sVersiunea 3.0 (2010)

8 Gbiți/s (800 MB/s); conector x16: 12,8 GB/s Versiunea 4.0 (2015?)

16 Gbiți/s (1,6 GB/s); conector x16: 25,6 GB/s 21.10.2015

65

Rezumat (1)

Un modul de I/E se poate conecta la magistrala locală a procesorului

Metode pentru conectare: directă; printr-un buffer; de tip stație de lucru

PCI a fost o magistrală de succes pentru calculatoarele personaleRegistrele de configurație permit configurarea automată a dispozitivelor PCILa magistrala PCI, reflexiile de semnal sunt utilizate ca un avantaj

21.10.2015 Sisteme de intrare/ieșire și echipamente periferice (03-2)

66

Rezumat (2)

PCI-X îmbunătățește performanțele magistralei PCI paralelePCIe păstrează compatibilitatea software cu arhitectura PCI, dar introduce legături seriale de viteză ridicată și alte îmbunătățiriElementele topologice ale magistralei PCIe: complexul rădăcină; punctele terminale; comutatorulÎntreruperile pot fi semnalate în modul nativ și modul compatibil


67

Noțiuni, cunoștințe (1)

Metode pentru conectarea la magistrala locală a procesoruluiAvantajele conectării de tip stație de lucru la magistrala locală a procesoruluiDetalii de funcționare a magistralei PCITerminatorii magistralei PCIArbitrajul magistralei PCIFazele unei tranzacții PCITranzacții PCI în mod exploziv


68

Noțiuni, cunoștințe (2)

Întreruperi PCIÎmbunătățiri introduse de versiunea 1.0 PCI-XÎmbunătățiri introduse de versiunea 2.0 PCI-XÎmbunătățiri introduse de magistrala PCIeElementele topologiei magistralei PCIeNivelul fizic al arhitecturii PCIeCategorii și tipuri de tranzacții PCIeModul nativ și cel compatibil al întreruperilor PCIe



Întrebări

1. Care sunt avantajele conectării de tip stație de lucru la magistrala locală a procesorului?

2. De ce magistrala PCI nu necesită terminatori?3. Care sunt noile caracteristici introduse de

versiunea 2.0 a magistralei PCI-X?4. Care sunt îmbunătățirile introduse de

magistrala PCIe?5. Care este rolul comutatorului într-un sistem

cu magistrala PCIe?

21.10.2015

3. Magistrale

Documents

Transcript of 3. Magistrale