Arhitectura bus-urilor

Arhitectura bus-urilor

1.4.1 Privire generala

Bus-uri de expansiune - ISA (sau AT, aparut în 1984), Micro Channel (MC, 1987), EISA (1989). În timp ce bus-ul ISA mai e folosit astazi pentru dispozitive de viteza mica, Micro Channel si EISA aveau performante mai bune, dar au fost înlocuite de PCI.

Memory local bus (bus local de memorie) - bus-uri de memorie de viteza mare au fost introduse începând cu 1985. Rata de transfer înceata a bus-ului ISA necesita ca procesorul sa intre în stari de asteptare atunci când cerea citiri sau scrieri în/din mem 656b11g oria principala. Bus-ul local de memorie a rezolvat aceasta problema. Acum toate PC-urile utilizeaza un bus special pentru memorie, ce nu poate fi numit, însa, bus local pentru ca nu se conecteaza direct la CPU.

PCI - aparut în 1993, creste performanta pentru operatiile intensive I/O (de intrare/iesire de date) ale dispozitivelor de stocare si comunicare. Ofera multiple slot-uri de expansiune.

AGP (Accelerated Graphics Port) - aparut în 1997.

Reprezinta o legatura punct-la-punct (point-to-point) catre controller-ul grafic; nu e împartit (shared) cu alte dispozitive.

Necesitatea pentru bus-uri rapide se va accelera în decursul timpului pe masura ce dispozitivele I/O devin din ce în ce mai sofisticate si mediile de aplicatii devin mai pretentioase.

1.4.2 Bus-uri ISA, EISA sau MC

Înaintea raspândirii bus-ului PCI, PC-urile aveau arhitecturi bazate pe unul din aceste tipuri de bus-uri. Un chip controller facea legatura între majoritatea subsistemelor (grafic, disk, serial, slot-uri) si bus-ul de memorie locala si CPU.

Acestea sunt subsisteme implementate ca chip pe placa de baza sau ca adaptor într-un slot.

EISA si MC permit o rata de transfer superioara ISA. Ratele maxime de transfer sunt maxime teoretice. Multe subsisteme au de obicei o medie de aproximativ 20% din potentialul maxim pentru a mentine costul periferic scazut.

ISA e folosit în sistemele actuale pentru a permite compatibilitatea cu o baza larga de adaptoare instalate si pentru ca e eficient pentru perifericele ieftine (ca tastatura, discheta, etc.).

1.4.3 ISA (Industry Standard Architecture) sau bus AT

- Rata de transfer maxima obisnuita e de 5 MHz.

- Permite suport foarte limitat de bus master - doar unul. (Bus master este o facilitate permisa de anumite arhitecturi de a permite controller-ului conectat la un bus de a comunica cu alte componente fara a trece prin CPU. Arhitecturile de bus moderne permit bus mastering-ul pentru ca îmbunatateste mult performanta. Un exemplu de bus mastering e DMA - Direct Memory Access.)

- Numar limitat de nivele de întreruperi.

- Multe folosesc jumper-i sau switch-uri DIP pentru a configura adaptoarele.

- Susceptibil pentru probleme de împamântare sau de emisie.

- Nu exista facilitati pentru pastrarea integritatii datelor (verificarea paritatii pe bus, de exemplu).

- Un numar imens de diverse adaptoare disponibile.

Cu implementarea procesoarelor mai rapide limitarile bus-ului PC/AT sau ISA au început sa se transforme în probleme de sistem astfel:

schema de întreruperi utilizata de ISA e susceptibila la întreruperi pierdute, întreruperi fantoma sau conflicte de întreruperi

bus-ul ISA, cu numarul sau limitat de pini de împamântare e mai susceptibil pentru radiatie electromagnetica ceea ce poate cauza adaugare sau pierdere de biti pe bus (în comparatie cu MC sau PCI)

un numar mic de canale dedicate DMA (4)

incapacitate de a efectua verificarea paritatii pe bus-ul de adrese sau de date

ISA va continua sa fie utilizat pentru subsisteme ca porturile seriale, porturile paralele, audio, controller de floppy, controller de tastatura.

Semnale de întrerupere (IRQ sau Interrupt ReQuests) sunt folosite atunci când un dispozitiv vrea sa atraga atentia procesorului când are nevoie de serviciile acestuia. Semnalul de linii de întrerupere este manipulat de un controller de întreruperi. Exista 16 semnale de întrerupere numerotate de la 0 la 15 si grupate în 2 seturi de câte 8. Fiecare set e manipulat de un controller de întrerupere. Acestea sunt conectate în cascada si nu direct la microprocesor pe iesire si intrare la ambele controller-e.

Când controller-ul de întrerupere primeste cererea de la unul sau mai multe dispozitive stabileste prioritatea întreruperii si trimite un semnal de întrerupere catre procesor. Microprocesorul ia cunostinta de întrerupere, citeste controller-ul de întrerupere pentru a determina dispozitivul ce a cerut întreruperea si apoi porneste rutina serviciului. Controller-ul de întrerupere sterge bitul sau in-service din registru când rutina de service trimite o comanda EOI (End-of-Interrupt - sfârsit de întrerupere) catre controller.

1.4.4 Bus-ul local

E un bus conectat direct la CPU. Scopul sau e de a permite rate de transfer mai mari astfel ca performantele unui sistem sa poata creste.

La sfârsitul anilor '80 a fost mai întâi plasata memoria pe un bus local.

Bus-ul local de memorie este numit si bus sistem sau bus al procesorului.

VL-Bus (numit si video local bus) a fost utilizat de catre procesoarele 486 si nu se mai foloseste în prezent.

PCIe a fost cunoscut anterior ca 3GIO. Vitezele mai mari de pe PCI Express îi permit înlocuirea aproape tuturor bus-urilor interne, incluzând AGP si PCI, si Intel prevede un singur controller PCI Express comunicând cu toate dispozitivele externe, o solutie opusa celei bazate pe northbridge/southbridge din sistemele curente.

1.4.5 PCI

Un sistem PCI poate fi dotat cu periferice încorporate (controller de disk, controller LAN) si/sau slot-uri/conectori pentru placi de extensie. Daca perifericul se afla pe placa de baza foloseste totusi setul de comenzi PCI pentru a transfera date. Frecventa clasica este de 33 MHz pentru un bus de 32 de biti.

PCI a fost lansat ca un standard deschis.

PCI nu e un bus local propriu-zis, ci un bus intermediar, între bus-ul procesorului (CPU/memorie/cache) si bus-ul ISA.

PCI e izolat de bus-ul CPU prin controller-ul/bridge PCI (North Bridge). CPU poate scrie date catre perifericele PCI si controller-ul PCI stocheaza datele în buffer-ul sau. Asta permite procesorului sa treaca cu repeziciune catre urmatoarea operatie în loc sa astepte completarea transferului. Apoi buffer-ul trimite datele catre perifericul PCI în cascade eficiente. O combinatie de buffering si cascade (bursting) poate masca întârzierile rezultate din izolarea bus-ului.

PCI suporta bus master-uri. CPU poate rula concurent cu periferice busmastering. Izolarea PCI fata de bus-ul local permite mai multe periferice decât VL-Bus, de exemplu, fiindca nu "descarca" electric bus-ul CPU. CPU poate opera independent când un periferic PCI e activ datorita design-ului cu buffer (buffered) spre diferenta de VLB.

În timp ce MC utilizeaza ciclii pentru procesul de arbitrare, PCI e mai eficient permitând ca arbitrajul pentru urmatorul acces sa se efectueze cât timp accesul curent e înca în progres.

Specificatii PCI

- 33.33 MHz cu transferuri sincrone

- rata de transfer de vârf de 133MB pe secunda pentru latime de 32-bit a bus-ului

- latime a bus-ului: 32-bit sau 64-bit

- spatiu de adrese - 32-bit (4GB)

- spatiu de port - 32-bit

- 256 B - spatiu de configurare

- semnal de 3.3 sau 5-volt

Variante de PCI

- PCI 2.1 - tranzactii întârziate (prezicerea timpului de transfer si mentinerea în buffer-ul de controller a datelor citite sau scrise)

- PCI 2.2 - permite semnal de 66MHz (3.3 v) (rata de transfer de vârf 533 MB/s)

- PCI-X - schimba putin protocolul si creste frecventa pentru 133MHz (rata de transfer de vârf de 1066 MB/s)

- PCI-X 2.0 specifica o rata de 266MHz (2133 MB/s maximum) si, de asemenea 533MHz, extinde spatiul de configurare catre 4096 bytes, adauga o varianta de bus 16-bit si permite o tensiune de 1.5 volti

- Mini PCI utilizat în laptop-uri

- Cardbus (PCMCIA) pentru PCI 32-bit, 33MHz

- Compact PCI, utilizeaza module de marimea unui Eurocard pentru a conecta placi PCI

- PC/104-Plus este un bus industrial care utilizeaza semnalul liniilor PCI cu diferiti conectori

În timp ce ISA suporta DMA, PCI nu are functii DMA. Totusi dispozitivele conectate la PCI pot fi busmaster. Utilizarea unui dispozitiv busmaster elibereaza CPU de transferul de date. Acesta e un fapt important pentru sisteme de operare multitasking.

PCI suporta configurare automata cu toate ca nu exista jumper-i sau switch-uri DPI. Toate adaptoarele PCI trebuie sa includa 256 B pentru a stoca informatia de configurare.

PCI Bus Power Management Interface Specification stabileste managementul tensiunii functiilor si bus-urilor PCI.

1.4.6 PCMCIA sau PC Card

PCMCIA - Personal Computer Memory Card International Association

Acesta reprezinta un organism international ce standardizeaza compatibilitatea cardurilor PC construite în special pentru laptop-uri. Scopul initial al PCMCIA a fost standardizarea cardurilor de memorie, cum ar fi memoria SRAM. Rolul sau s-a extins însa la tot felul de card-uri I/O ca modem-uri, adaptoare LAN, disk-uri ca si carduri audio, carduri GPS, carduri LAN, wireless, pagere etc.

Dispozitivele PC Card sunt adaptoare de marimea unei carti de credit, cu grosime variabila, potrivite pentru computerele alimentate de baterie.

Avantaje

- marime fizica mica

- portabilitate între sisteme

- conectare cât timp sistemul functioneaza

- mai putin vulnerabil la schimbari de mediu

Slot-urile PC Card sunt desemnate sa suporte 10000 de insertii (introduceri) PC Card.

Cardurile sunt de mai multe tipuri.

Exemplu:

Cardul de tip II

Tipul I sunt în primul rând carduri de memorie flash.

Tipul II sunt de obicei carduri de interfata pentru dispozitive I/O.

Tipul III sunt hard-disk-uri.

Toate cardurile PC au un conector de 68 de pini.

Exista si tipul I extins, cu o lungime mai mare cu pâna la 4cm, ca si tipul II extins folosit pentru adaptoare de comunicare wireless (fara fir) cu antene.

Un slot de tip I poate utiliza: un card de tip I

Un slot de tip II poate utiliza: un card de tip II sau unul de tip I

Un slot de tip III poate utiliza: un card de tip I, de tip II sau de tip III

Doua slot-uri de tip II pot utiliza: 2 carduri de tip I, 2 de tip II sau unul de tip III

Unele laptop-uri dispun de 2 slot-uri tip II.

Standardul PC Card

canal de date 16 bits

3.3 si/sau 5.0 v

flexibilitate pentru power management

optional: canal DMA, carduri multifunctionale

carduri mai vechi PCMCIA vor functiona în socket-uri PC Card standard

Un superset al standardului PC Card este CardBus. Iata standardul acestuia:

transferuri de 32 biti

e bazat pe specificatiile PCI

33MHz cu transferuri de 132 MB/s (PC Card are un maxim de 10MHz, cu o medie de 5MHz)

operare pe 3.3 v

suport busmaster

compatibil cu PC Card-urile 16 bit

PCI Bus Power Management Interface Specification

Un nou standard introdus recent (2004) este ExpressCard (sau Newcard). Se presupune ca e mai rapid si mai simplu decât CardBus. Suporta conectivitate cu PCI Express sau USB. Sunt prezente 2 forme: ExpressCard/34 (34mm latime) si ExpressCard/54 (54 mm latime, în forma de L - conectorul are aceeasi latime (34 mm) la ambele). Cardurile standard au 75 mm lungime (10.6 mm mai putin decât CardBus) si 5mm grosime, dar pot fi mai groase pe sectiuni ce ies în afara slot-ului - pentru antene, socket-uri, etc.

1.4.7 Plug and Play

Este o specificatie ce permite instalarea si configurarea automata a dispozitivelor atasabile (adaptoare, dispozitive SCSI, imprimante, dispozitive de introducere de date). Este un standard deschis care e valabil pentru toti producatorii.

Se aplica tuturor arhitecturilor de bus-uri: ISA, PCI, PCMCIA. Odata ce toate componentele unui sistem au aceasta specificatie, componentele se instaleaza si configureaza automat fara interventie umana. Se pare ca efortul Plug and Play va produce (sau a produs deja) schimbari cele mai fundamentale în modul cum gândim despre hardware-ul PC si despre interactiunea dintre serviciile software si resursele hardware de la aparitia primului PC.

Plug and Play aduce întregul proces de configurare sub sistemul de operare. Sistemul de operare manipuleaza acum acesti pasi facuti înainte separat:

- configurarile adaptorului

- instalarea driver-ului dispozitivului

- schimbari în sistemul de operare

- configurarea driver-ului de dispozitiv

1.4.8 Porturi seriale

Portul serial mai este denumit si port async sau asincron (asynchronous). Este o interfata în care informatia este transferata câte un bit la un moment dat (spre diferenta de portul paralel). Calculatoarele actuale nu contin acest port în configuratia standard.

Are de obicei 9 pini, prima varianta fiind cu 25 de pini, fiind implementate cu standardul RS-232 (forma cu 9 pini (de exemplu DE-9 utilizata de IBM-PC AT originale - figura) e un subset al RS-232). Doar un bit e folosit pentru transfer, restul fiind utilizati pentru semnale de control sau de stare.

Era utilizat pentru modemuri sau terminale (dispozitive pentru introducerea si afisarea datelor), dar si pentru mouse-uri, tastaturi, imprimanta, scanner. Porturile seriale aveau denumirea de COM1, COM2, COM3, COM4.

Vitezele de transfer erau de 300, 1200, 2400, 9600, 19200 b/s (biti pe secunda). Cu toate ca standardul RS 232 e limitat formal la 20000 b/s porturile seriale de pe calculatoare populare permiteau setari de pâna la 115,000 b/s.

Porturile seriale erau implementate cu un chip special numit UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) care convertea caractere catre forma seriala.

În ultimii ani, tehnicile electronice avansate au facut posibile comunicari seriale de viteza mult mai mare si mai fiabile, astfel ca standardul RS-232 este înlocuit de catre standardele mai noi ca USB and FireWire. Acestea permit conectarea de dispozitive care n-ar fi fost fezabile cu conectarile seriale mai lente, cum ar fi dispozitivele de stocare si dispozitive audio si video.

1.4.9 Porturi paralele

Utilizate pentru imprimante, de obicei, dar pot fi folosite si de catre adaptoare LAN, de sunet, scanner-e, disk-uri portabile (SCSI sau ATA). Este considerat un port mostenit (legacy port) fiind considerat partial depasit si de aceea este omis de multe ori din sistemele actuale pentru micsorarea costurilor.

Transferurile sunt de obicei de un byte (8 bits) la un moment dat în comparatie cu 1 bit pentru portul serial multiplicându-se, astfel viteza de transfer. Portul are de obicei 25 de pini din care doar 8 (sau 16, eventual 16+1 - paritate), sunt folositi pentru transfer, restul fiind pentru semnale de control sau de stare (pentru a indica momentul când datele sunt gata de a fi trimise sau primite, initierea unei resetari, indicarea unei situatii de eroare (de exemplu paper out - lipsa de hârtie), si asa mai departe.

Cele mai multe porturi seriale permit viteze de transfer maxime de 50 la 100 KB/s, dar si de 500 KB/s sau peste. La aceasta viteza portul paralel utilizeaza serios procesorul deoarece acesta trebuie sa supravegheze mutarea datelor catre si de la port.

Se poate folosi un conector de tip Centronics si cablu de o lungime maxima de 3-8 metri.

Porturile paralele poarta numele de LPT1 si LPT2.

Viteza portului paralel se bazeaza pe semnalele de sincronizare între sistem si imprimanta, ambele asteptându-l pe celalalt. Viteza reala e mai mica decât a celor doua aparate.

1.4.10 Alte porturi

Game port - port pentru jocuri. Reprezinta conexiunea traditionala pentru dispozitivele de intrare ale jocurilor video pe PC-urile bazate pe arhitectura x86. Acest port e integrat, de obicei, cu un port PC I/O sau o placa audio, pe ISA sau PCI, sau direct pe placa de baza. Dispozitivele se pot conecta la game port folosind un conector numit DB-15.

Game port-ul a fost înlocuit, într-o oarecare masura, cu USB, care permite suport plug-and-play mai bun, cu toate ca, ramâne o alegere populara, atât pentru joystick-uri cât si pentru gamepad-uri, deoarece controller-ele bazate pe gameport-uri sunt mai ieftine decât cele bazate pe USB. Încercari timpurii de a înlocui controller-ele bazate pe game port cu alte controller-e bazate de exemplu pe portul paralel, cel serial sau PS/2 au avut putin un succes slab, pâna la introducerea standardului USB.

Game port-urile pot conecta si instrumente midi (sintetizatoare, de exemplu), bazându-se, de obicei pe 2 conectori - un cablu mai ciudat având acelasi conector DB-15 plus un conector AT 5 (DIN cu 5 pini, provenind din conectorul de tastatura învechit, din perioada anterioara PS/2). Hardware-ul si driver-ele pentru capabilitatile midi ale game port-ului se bazeaza pe standardul actual al interfetelor midi - Roland MPU-401 si suporta toate aplicatiile standard MPU-401 pentru Windows si MS-DOS.

Spre diferenta de conectorii (si controller-ele) de joystick din perioada timpurie a PC-urilor si a consolelor de jocuri, game port-ul e mai degraba analog decât digital, bazându-se pe o forma de ADC (Analog to Digital Connector), bazându-se pe miscarile joystick-ului. Acest port poate conecta nu numai joystick-uri ci si controller-e de tip paddle (figura alaturata). Aceasta utilitate a oferit IBM un avantaj în jocurile de simulare, în special simulatoarele de zbor, dar, pe de alta parte, complica design-ul si utilizarea consolelor simple, si este incompatibila cu joystick-urile bazate pe standard-ul Atari cu 9 pini.

De asemenea, în timp ce alte standarde pentru joystick-uri (ca Atari sau NES) sunt foarte usor de programat game port-ul necesita programare foarte atenta. Asta cauzeaza probleme de performanta pentru ca iau o buna parte de timpul procesorului, în comparatie cu sistemele cu un port de joystick digital.

Natura analogica a sistemului portului necesita "calibrare", chiar pe sistemele de operare moderne, ca Windows XP, spre diferenta de joystick-urile USB care nu necesita calibrare, de obicei.

ZV port - prescurtarea de la zoomed video port, este un port ce permite datelor sa fie transferate de la un PC Card direct la un controler VGA. Acest nou port a fost creat de PCMCIA pentru a permite notebook-urilor sa se conecteze la componente multimedia real-time cum ar fi camere video. Primul notebook cu ZV port a aparut în 1996.

DMI - abreviere de la Desktop Management Interface, DMI este o interfata API (application program interface) care permite unui program sa strânga informatii despre computer. De exemplu, folosind DMI un program poate determina ce fel de software sau placi sunt instalate pe un computer.

DMI este facut sa fie utilizat independent de platforma sau sistemul de operare utilizate, pentru ca utilizatorii sa poata afla informatii despre computer indiferent de sistemul de operare folosit. Aceasta independenta este implementata prin colectarea de informatii din fisierele MIF (Management Information Format), acestea fiind de tip text si continând informatii despre componentele software si hardware ale computerului.

DMI a fost dezvoltat de catre Desktop Management Task Force (DMTF), un consortiu de fabricanti condusi de Intel. Versiunea 2.0 permite nu doar ca un computer sa primeasca informatii despre computerele conectate în aceeasi retea, dar si sa le configureze.