MAGISTRALE I/O

DLA DSI II

Magistrala komunikacyjnaMagistrala to ścieżka łącząca ze sobą różne komponenty w celu wymiany informacji miedzy nimi. Zespół linii oraz układów przełączających, służących do przesyłania sygnałów między połączonymi urządzeniami w systemach mikroprocesorowych, złożony z trzech współdziałających szyn.

Magistrala PCI Express

Rodzaje magistral

• magistrala lokalna umożliwia zwiększenie szybkości komunikacji z magistrala procesora,

• magistrala wejścia-wyjścia – służąca do podłączenia kart rozszerzeo

• magistrale zewnętrzne służą do przyłączania urządzeo zewnętrznych: modemy, drukarki, skanery, kamery internetowe, klawiatury, myszy.

Transmisja szeregowa i równoległa

Wymiana informacji pomiędzy komponentami komputera zależy między innymi od liczby przesyłanych bitów w odcinku czasu. Mogą one byd przesyłane szeregowo lub równolegle.

W transmisji szeregowej dane są wysyłane w sposób sekwencyjny w postaci jednego ciągu bitów (bit po bicie).

Transmisja równoległa polega na jednoczesnym wysyłaniu większej ilości bitów (w porcjach po 8,16,32,64 itd.). W odcinku czasu przesyłanych jest kilka bitów lub bajtów informacji

Odcinek czasu

Poszczególne bity

Kierunek transmisji

Poszczególne bityOdcinek

czasu

Kierunek transmisji

Transmisja szeregowa i równoległa

Przepływ bitów podczas

szeregowej transmisji

danych

Przepływ bitów podczas

równoległej transmisji

danych

Transmisja danych cyfrowych• Transmisja asynchroniczna: dane przesyłane są w

postaci pakietów, najczęściej po 8 bitów. Brakuje sygnału sterującego przepływem strumienia danych. W celu kontroli transmisji do każdego bajta danych dodawane są dwa lub trzy bity sterujące (np.: modem analogowy podłączony do portu szeregowego PC). Wady: nadmiarowośd wysyłanych informacji, przerwy na odczyt ustalonej wartości bitów

Bit startu

Bity danych

Bit stopu

Bit startu

Bit stopu

Bit stopu

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bit stopu

Bit startu

Bit startu

Transmisja danych cyfrowych

• Komunikacja synchroniczna: przepływ danych jest kontrolowany za pomocą sygnału sterującego. Impulsy taktujące pozwalają na utrzymanie stałego tempa przepływu bitów, dzięki czemu nie powstają przerwy w przesyłaniu informacji. (np.: USB i PCI-Express)

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Bity danych

Sygnał sterujący

Metody transmisji

• Simplex – dane mogą byd wysyłane tylko w jednym kierunku. Nadajnik nadaje, odbiornik odbiera (port LPT)

• Half-duplex – podczas gdy jedna strona transmisji przesyła informacje, druga może je tylko odbierad. Po odebraniu informacji druga strona może zacząd przesyład dane do pierwszej (krótkofalówka)

• Full duplex – pozwala na jednoczesne wysyłanie i odbieranie danych (telefon)

ISAISA (ang. Industry Standard Architecture - standardowa architektura przemysłowa) to standard magistrali oraz łącza dla komputerów osobistych wprowadzony w roku 1984, jako rozszerzenie architektury IBM PC/XT do postaci szesnastobitowej. Służy do przyłączania kart rozszerzeo do płyty głównej.

Złącza ISA na płycie głównej

starszego typu

Pod koniec lat 90 dwudziestego

wieku znaczenie tej architektury

zaczęło maleć, a jej funkcje

przejmował standard PCI.

Typowe parametry złączy ISA

szyna danych 16-bitowa lub 8-bitowa

szyna adresowa 24-bitowa

brak sygnałów związanych z DMA

sygnały sterujące: MEMR, MEMW, IRQ1, IRQ7, IRQ7, IRQ9, IRQ12, IRQ14, IRQ15, CLK, OSC

teoretyczna szybkośd 8 MB/s (efektywna w granicach od 1,6 MB/s do 1,8 MB/s )

szyna danych 8-bitowaszerokość szyny: 8 bit

kompatybilna z : 8 bit ISA

ilość kontaktów: 62

Vcc : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V

Zegar : 4.77 MHz

szyna danych 16-bitowaszerokość szyny: 16 bit

kompatybilna z: 8 bit ISA, 16 bit ISA

ilość kontaktów: 98

Vcc : +5 V, -5 V, +12 V, -12 V

Zegar : 8.33 MHz

16 bitowe złącze ISA kart rozszerzeń

EISA

EISA (z ang. Extended Industry Standard

Architecture - Rozszerzona Standardowa

Architektura Przemysłowa) - magistrala danych

zaprojektowana specjalnie dla 32-bitowych

komputerów 80386. Aby zapewnić jej kompatybilność

z szyną ISA, taktowana jest zegarem 8,33 MHz.

Dość duża prędkość transmisji danych (33 MB/s) nie

jest tyle rezultatem częstotliwości taktowania, co

szerokości szyny. Magistrala EISA obsługuje

standard Plug&Play w przeciwieństwie do swojej

poprzedniczki - ISA.

Opis styków złącza EISA

Trzy sloty EISA

VESA Local Bus (VLB)VESA Local Bus, (ang. Video Electronics Standards Association Local Bus, VL

Bus, VLB) - 32-bitowa szyna danych opracowana przez VESA (Zrzeszenie do

spraw Standardów Elektroniki Wideo).

System Local Bus pojawił się na rynku PC po raz pierwszy w połowie 1992 roku

kiedy konsorcjum VESA ustaliło standardową specyfikację tej magistrali,

nazywaną VL Bus.

W przeciwieństwie do EISA Bus, VL Bus taktowana jest z zewnątrz z

częstotliwością zegara procesora. Karty współpracujące z magistralami ISA (8 lub 16 bit)

taktowane zegarem 8 MHz, nie mogły pracować z większymi częstotliwościami niż 10

MHz. Aby nie trzeba było takich kart wymieniać, projektanci płyt głównych z systemem

VESA Local Bus zaprojektowali swoje łącze tak, że stało się ono rozszerzeniem

standardowego 8/16-bitowego interfejsu ISA, taktowanego zegarem 8 MHz. Dzięki

takiemu rozwiązaniu VESA Local Bus jest w pełni kompatybilna ze starszymi kartami

rozszerzającymi ISA. Wedle definicji standardu VESA na płycie głównej każdego

komputera z magistralą Local Bus powinny znajdować się 3 gniazda dla jej kart

rozszerzających. Sloty szyn Local Bus zostały podobnie jak to miało miejsce przy

rozbudowie magistrali PC Bus do AT Bus, wydłużone. Dlatego też gniazda kart tego typu

są trzyczęściowe. Do dwuczęściowego rozszerzenia 16-bitowego dołączono kolejne

złącze dla kart 32-bitowych.

Złącze to wykorzystywane było głównie przez karty

graficzne, oraz kontrolery wejścia-wyjścia. W

mniejszej ilości przypadków, przez karty sieciowe.

Głównym konkurentem łącza VESA Local Bus,

było PCI, które w efekcie zastąpiło łącza VLB. Stało

się to dlatego że VLB było mocno zależne od

magistrali FSB stosowanego procesora (główne

sygnały sterujące, taktowanie zegara zgodne z

zegarem FSB), przez co zmiany w specyfikacji FSB

musiały pociągać zmiany w specyfikacji VLB. PCI

nie miało tych mankamentów, specyfikacja interfejsu

była niezależna od FSB.

VESA Local Bus

Płyta główna ze złączami VLB

Opis wyjśd magistrali

VESA Local Bus

Karty projektowane pod standard VESA mogły

pracować z prędkościami od 25 do 40 MHz, ale

mogły mieć już problemy przy 50 MHz. Karty

PCI, pracując w łączach o stałej częstotliwości,

nie miały tego problemu, w związku z tym można

je było montować w coraz szybszych płytach.

W efekcie, VESA Local Bus używana była

głównie w płytach przeznaczonych dla

procesorów klasy 486.

VESA Local Bus

PCI

PCI (ang. Peripheral Component Interconnect)

- magistrala komunikacyjna służąca do

przyłączania urządzeń do płyty głównej w

komputerach klasy PC.

Po raz pierwszy została publicznie

zaprezentowana w czerwcu 1992 r. jako

rozwiązanie umożliwiające szybszą

komunikację pomiędzy procesorem i różnymi

kartami rozszerzeń (karta sterownika dysków

np. SCSI, sieciowa czy graficzna).

PCI - charakterystyka ogólna

W przeciwieństwie do innych magistrali, szyna

PCI stanowi kompleksowe rozwiązanie,

przyspieszające współpracę z dowolnym

urządzeniem zewnętrznym. Przy częstotliwości

taktowania 33 MHz i szerokości 32 bitów

magistrala PCI osiąga szybkość transmisji 132

MB/s. Szerokość szyny adresowej i danych

nowych procesorów 64 bitowych zmiany nie

wpływają na architekturę PCI a jedynie podwaja

się przepustowość do 264 MB/s.

PCI - charakterystyka ogólna

Karty dołączone do szyny PCI mogą się komunikowad nawet bez udziału mikroprocesora, dzięki czemu wzrasta efektywnośd jego użytkowania. Przy ładowaniu systemu procesor odczytuje zapisane w nich dane i rozpoznaje, jaka karta jest umieszczona w gnieździe. Instalacja i inicjacja karty następuje potem w pełni automatycznie.

W standardzie PCI zdefiniowano tzw. gniazdo wspólne (ang. shared slot). Jest to gniazdo, które może byd wykorzystane z kartami przystosowanymi do magistral ISA, EISA. Umożliwia to też produkcję kart jednocześnie przystosowanych do PCI i pozostałych, wyżej wymienionych magistral

PCI - charakterystyka ogólna

Bardzo istotną cechą architektury PCI jest jej skalowalnośd: w jednym i tym samym komputerze może byd równolegle lub szeregowo połączonych kilka magistral PCI. Nad koncepcją PCI Local Bus pracowało wielu znaczących producentów komputerów, z których każdy starał się aby sprzęt obecnie produkowany przez niego był z tym standardem zgodny.

PCI - charakterystyka ogólna

Kolejną istotną cechą PCI jest wysoka zgodnośd pomiędzy poszczególnymi wersjami PCI, jak i rozwiązao pochodnych (np. PCI X) przejawiająca się tym, że urządzenia mogą pracowad zarówno w starszych jak i nowszych gniazdach, pod warunkiem że są dopasowane napięciowo (warianty 3.3V i popularniejszy 5V). Zgodnośd ta nie jest jednak zachowana w stosunku co do PCI Express, która ma zastąpid w przyszłości obecne PCI oraz AGP.

Gniazda 32-

bitowej szyny

PCI

Wersje PCI

PCI 2.0 PCI 2.1 PCI 2.2 PCI 3.0

Rok wprowadzenia 1993 1994 1999 2002

Maksymalna szerokośd szyny danych

32 bity 64 bity 64 bity 64 bity

Maksymalna częstotliwośd taktowania

33 MHz 66 MHz 66 MHz 66 MHz

Maksymalna przepustowośd133

MB/s

533

MB/s

533

MB/s

533

MB/s

Napięcie 5 V 5 V 5 V /3,3 V 3,3 V

Wygląd gniazd i kart PCI

AGP

Accelerated Graphics Port (AGP, czasem

nazywany Advanced Graphics Port) to rodzaj

zmodyfikowanej magistrali PCI opracowanej przez

firmę Intel.

Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana

do szybkiego przesyłania dużych ilości danych

pomiędzy pamięcią operacyjną a kartą graficzną.

Niektórzy nie uważają jej za magistralę ponieważ

umożliwia połączenie jedynie dwóch elementów:

karty graficznej i chipsetu płyty głównej. Niektóre

płyty główne posiadają więcej niż jeden slot AGP.

Standardy AGP

Trybmagistrali

Częstotliwość (MHz)

Liczba operacji na

cykl zegarowy

Przepustowość

(MB/s)

AGP 1x 66 1 264

AGP 2x 66 2 528

AGP 4x 66 4 1056 (1GB/s)

AGP 8x 66 8 2112 (2GB/s)

Odmiany złącza magistrali AGP

W większości przypadków karty graficzne 1x / 2x są

kompatybilne, tak samo jak 4x / 8x.

Lokalizacja złącza AGP na płycie głównej

PCI-Express

PCI-s (PCIe, PCI-E), znana również jako 3GlO (od

3rd Generation I/O), jest pionową magistralą służącą

do podłączania urządzeń do płyty głównej.

PCI-Express stanowi magistralę lokalną typu

szeregowego, łączącą dwa punkty (Point-to-Point).

Nie jest to więc magistrala w tradycyjnym rozumieniu i

nie jest rozwinięciem koncepcji "zwykłego" PCI. Taka

konstrukcja eliminuje konieczność dzielenia pasma

pomiędzy kilka urządzeń - każde urządzenie PCI-

Express jest połączone bezpośrednio z kontrolerem.

PCI-Express

Sygnał przekazywany jest za pomocą dwóch

linii, po jednej w każdym kierunku. Częstotliwość

taktowania wynosi 2,5GHz. Protokół transmisji

wprowadza dwa dodatkowe bity, do każdych ośmiu

bitów danych. Zatem przepustowość jednej linii

wynosi 250MB/s. W związku z tym, że urządzenia

mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu

kierunkach (full-duplex) to można ewentualnie

przyjąć, że w przypadku takiego wykorzystania

złącza, transfer może sięgać 500MB/s.

PCI-Express

Możliwe jest kilka wariantów tej

magistrali - z 1, 2, 4, 8, 12, 16, 24

lub 32 liniami (każda składająca

się z dwóch 2 pinowych części -

nadawczej i odbiorczej).

Wraz ze wzrostem liczby linii

wydłużeniu ulega gniazdo, jego

konstrukcja (poprzez wspólną

część początkową i jedynie

dodawanie na końcu nowych linii)

umożliwia włożenie wolniejszej

karty do szybszego gniazda (w

drugą stronę jest niemożliwe).

Gniazdo 1x ma 18 pinów

z każdej strony, gniazdo

4x - 32, gniazdo 8x - 49,

zaś gniazdo 16x - 82

piny z każdej strony.

Gniazda PCI-E 16x (niebieskie) 4x (czarne) i 1x (białe)

PCI-Express

Na płytach głównych gniazda 16x montuje się zwykle

w miejscu gniazda AGP na starszych płytach

(ponieważ większość chipsetów z kontrolerem PCI

Express nie zawierają kontrolera AGP, najczęściej

obecność PCI-E eliminuje możliwość użycia kart

graficznych ze złączem AGP, przykłady chipsetów

obsługujących zarówno AGP jak i PCI-E to: Via PT880

Pro dla procesorów Intela i ULI M1695 + ULI M1567

dla procesorów AMD), pod nim gniazda 8x, 4x i 1x,

najdalej zaś od procesora - gniazda PCI.

Specyfikacja określa też mniejsze rozmiarowo warianty kart:

miniExpress cards, ExpressCards (następca PCMCIA) oraz

AdvancedTCA (następca CompactPCI).

wariant PCIe przepustowośd (MB/s)

x1 250

x2 500

x4 1000

x8 2000

x16 v.1 4000

x16 v.2 8000

x16 v.3 16000

Zalety kart PCI-Express• skalowalność - w związku z niezależnością pasma,

w jednym slocie możemy jednocześnie wykorzystać

więcej dwukierunkowych złączy PCI Express, dzięki

czemu możemy zwielokrotnić przepustowość dla

pojedynczego urządzenia (karty). Ze względu na to,

w oznaczeniach nazw gniazd pojawiły się dodatkowe

wyróżniki cyfrowe. Uwzględniając urządzenia w pełni

wykorzystujące full-duplex można więc, dla takiego

gniazda mówić łącznej przepustowości 1GB/s.

•obsługa Plug and Play - złącze PCI-E nie dzieli

przepustowości przy zamontowaniu dwóch lub

większej ilości kart.

Magistrale AMR, ACR i CNR

AMR (Audio/Modem Riser) mało popularne rozwiązania Intel-a stosowane przez pewien czas dla tanich modemów i kart muzycznych. Powyższe magistrale umożliwiały przejęcie części pracy przez procesor, dzięki czemu cena tego typu kart mogła się bardzo obniżyd.

CNR (Communications nad Networking Riser) rozwiązania Intel-a zastępujące AMR do modemu, jart sieciowych i muzycznych. Obsługuje w pełni mechanizm Plug and Play.

ACR (Advanced Communications Riser) powstało z inicjatywy AMD, VIA, Ali i NVIDIA w odpowiedzi na CNR –jest to przesunięte i odwrócone o 180⁰ gniazdo PCI

Magistrale AMR, ACR i CNR

Złącze z interfejsem AMR

Złącze z interfejsem CNR

Złącze z interfejsem ACR

Magistrale I/O dla komputerów przenośnych

Nowy element zawsze możemy podłączyd do zewnętrznej magistrali USB (Universal Serial Bus – uniwersalna magistrala szeregowa). Rodzaj sprzętowego portu komunikacyjnego komputerów, zastępującego stare porty szeregowe i porty równoległe. Został opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC.

Nie zawsze jest to jednak najlepsze rozwiązanie – wystający z boku adapter łatwo można uszkodzid.

Lepsze rozwiązania omówione są poniżej

Magistrale I/O dla komputerów przenośnych

• Magistrala PC-Card (PCMCIA) – (Personal Computer Memory Card International Association - to międzynarodowe stowarzyszenie producentów kart pamięci dla komputerów osobistych. Celem organizacji jest wprowadzenie i rozwijanie międzynarodowego standardu kart rozszerzeo dla komputerów przenośnych). Pierwszym zastosowaniem była komunikacja z kartą pamięci wielkości karty kredytowej; obecnie umożliwia instalowanie dodatkowych kart rozszerzeo (m. in. modemy, karty sieciowe, karty TV) w bocznej ścianie komputera przenośnego. Istniały 3 typy kart o różnych grubościach (3,3, 5,0 i 10,5 mm).

• Karta typu I - karta o grubości 3,3 mm pełniąca funkcje karty pamięci SRAM lub Flash.• Karta typu II - karta o grubości 5,0 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeo (modem lub

karta sieciowa).• Karta typu III - karta o grubości 10,5 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeo (dysk twardy).

• ExpressCard – kolejna technologia opierająca się na standardach PCI-Express oraz USB. Udostępnia podobną funkcjonalnośd oraz technologie: hot-plug, Plug and Play. Nie wymaga specjalnego kontrolera tak jak to było przy PCMCIA. Zaprojektowano 2 profile dla kart rozszerzeo: ExpressCard34 (gniazdo dla urządzeo, w których ważna jest oszczędnośd zajmowanego miejsca) i ExpressCard54 (uniwersalne gniazdo dla większych urządzeo).

Karta PCMCIA

Zasoby systemoweNiezbędne do poprawnego funkcjonowania i komunikowania się kart rozszerzeo, wyróżniamy:

• kanały IRQ (przerwania) – numer przerwania (0-15) zarezerwowany dla komponentu, który potrzebuje bezpośredniego dostępu do procesora,

• adresy portów I/O – zakres adresów portów I/O o numerach 0-65535,

• kanały DMA – numer kanału bezpośredniego dostępu do pamięci operacyjnej – stosowane w celu odciążenia procesora od wymiany informacji między kartą a pamięcią RAM,

• adresy pamięci – zakres adresów pamięci zarezerwowany dla komponentu.

Zasoby systemowe

Wywołanie Menedżera urządzeo – wywołanie konsoli MMC: start → uruchom → devmgmt.msc