Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Hệ thống BUS - Hoàng Xuân Dậu

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Giảng viên: TS. Hoàng Xuân Dậu Điện thoại/E-mail: dau@ekabiz.vn Bộ môn: Khoa học máy tính - Khoa CNTT1 Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 2 năm học 2009-2010 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 2 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS NỘI DUNG 1. Giới thiệu hệ thống bus 2. Bus ISA 3. Bus EISA 4. Bus PCI 5. Bus AGP 6. Bus PCI Express 7. Câu hỏi ôn tập BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 3 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.1 Giới thiệu hệ thống bus  Bus là một hệ thống con (subsystem) có nhiệm vụ truyền dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính;  Một hệ thống bus thường bao gồm 3 thành phần:  Bus địa chỉ (Address bus - A Bus)  Bus dữ liệu (Data bus - D Bus)  Bus điều khiển (Control bus - C Bus)  Một số loại bus thông dụng:  ISA, EISA  PCI  AGP  PCI Express (hoặc PCIe)  USB BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 4 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.1 Giới thiệu hệ thống bus – Nguyên lý BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 5 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.1 Giới thiệu hệ thống bus – Hiện đại BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 6 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.2 Bus ISA  Bus ISA do IBM phát triển năm 1981  Băng thông: 8 bit (máy XT) hoặc 16 bit (máy AT)  Số thiết bị max có thể kết nối: 6  Xung nhịp hoạt động: 4, 6, 8MHz BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 7 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.2 Bus ISA BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 8 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.3 Bus EISA  EISA là một mở rộng của bus ISA ra đời vào năm 1988.  Băng thông: 32 bits  EISA tương thích với các thiết bị ISA 8 và 16 bit  Số lượng thiết bị: 1/khe cắm  Xung nhịp: 8.33MHz  Tốc độ truyền dữ liệu: 33MB/s BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 9 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.3 Bus EISA BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 10 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) do Intel phát triển năm 1993  Băng thông: 32 hoặc 64 bits  Tốc độ truyền dữ liệu:  133 MB/s (32bit, 33MHz)  266 MB/s (32bit, 66MHz hoặc 64bit, 33MHz)  533 MB/s (64bit, 66MHz) BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 11 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Bus PCI cục bộ BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 12 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – 32 bit và 64 bit BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 13 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Sơ đồ khối BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 14 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Các tín hiệu  Các tín hiệu khởi tạo một giao dịch:  REQ#: Initiator (bên khởi tạo) gửi tín hiệu yêu cầu bus  GNT#: Arbiter (bộ Tuỳ chọn) gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus  Các tín hiệu điều khiển một giao dịch :  FRAME#: Bắt đầu chu kỳ bus  IRDY#: Initiator sẵn sàng  DEVSEL#: Target xác nhận bắt đầu giao dịch  TRDY#: Target sẵn sàng  STOP#: Dừng giao dịch BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 15 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Các pha của giao dịch  Một giao dịch PCI (một phiên truyền dữ liệu trên bus PCI – transaction) thường gồm 3 giai đoạn:  Arbitration (pha tuỳ chọn): khởi tạo giao dịch  Address (pha địa chỉ): xác định địa chỉ bên tham gia giao dịch  Data (pha dữ liệu): truyền dữ liệu BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 16 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Pha Tuỳ Chọn  Thiết bị PCI (Initiator) gửi tín hiệu REQ# đến Arbiter yêu cầu sử dụng bus  Nếu bus rỗi, Arbiter gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# đến Initiator  Nếu bus bận, yêu cầu sử dụng bus được đưa vào hàng đợi  Tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bị Arbiter huỷ tại bất kỳ thời điểm nào  Thiết bị PCI được cấp tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bắt phiên truyền dữ liệu nếu bus rỗi. BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 17 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Pha Địa Chỉ  Thiết bị PCI (Initiator) có tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bắt đầu một giao dịch PCI bằng việc gửi tín hiệu FRAME# và gửi địa chỉ thiết bị đích cùng các lệnh liên quan (Read/Write)  Mỗi thiết bị PCI sẽ kiểm tra địa chỉ và lệnh kèm theo để xác định mình có phải là thiết bị đích hay không. Thiết bị đích (có địa chỉ trùng với địa chỉ gửi bởi Initiator) sẽ gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# đến Initiator.  Thiết bị đích phải gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# trong thời gian 3 chu kỳ đồng hồ. BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 18 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Pha Địa Chỉ BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 19 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.4 Bus PCI – Pha Dữ Liệu  Sau pha địa chỉ (khi tín hiệu DEVSEL# ở mức thấp) là một hoặc một số pha dữ liệu.  Kết thúc pha dữ liệu, thiết bị đích gửi tín hiệu STOP#. BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 20 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.5 Bus AGP  Bus AGP do Intel phát triển năm 1993  Băng thông: 32 bít  Tốc độ truyền dữ liệu:  1x: 66MHz, 266MB/s  2x: 133MHz, 533MB/s  4x: 266MHz, 1066MB/s  8x: 533MHz, 2133MB/s BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 21 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.5 Bus AGP BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 22 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.5 Bus AGP – AGP Card BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 23 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.6 Bus PCI Express  Bus PCI Express (còn gọi là PCIe) do Intel phát triển năm 2004.  Độ rộng bus theo bits: 1-32  Kiểu truyền thông: nối tiếp (điểm đến điểm)  Tốc độ truyền dữ liệu:  Một luồng (lane): • v1.x: 250 MB/s • v2.0: 500 MB/s • v3.0: 1 GB/s  Kênh 16 làn: • v1.x: 4 GB/s • v2.0: 8 GB/s • v3.0: 16 GB/s BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 24 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.6 Bus PCI Express – Khe Cắm BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 25 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.6 Bus PCI Express vs PCI Các thiết bị PCI chia sẻ một bus chung, nhưng mỗi thiết bị PCI Express có kênh truyền thông riêng thông qua bộ chuyển mạch Switch BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 26 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.6 Bus PCI Express – Kiến trúc  PCI Express được cấu trúc từ các liên kết nối tiếp điểm đến điểm;  Một cặp liên kết nối tiếp (theo 2 chiều ngược nhau) tạo thành một luồng (lane);  Các luồng được định tuyến qua một bộ chuyển mạch (crossbar switch) trên bảng mạch chính;  Các khe cắm PCI Express vật lý có thể chứa từ 1 đến 32 làn. BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 27 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.6 Bus PCI Express – Kiến trúc  PCI Express sử dụng giao thức truyền nối tiếp và tránh được vấn đề timing skew (lệch thời gian) – một trong các yếu tố làm giảm tốc độ:  Các loại bus song song (ISA, PCI, AGP) đòi hỏi tất cả các bit của một đơn vị dữ liệu phải đến đích tại một thời điểm;  Do vấn đề timing skew, các bít của một đơn vị dữ liệu có thể không đến đích đồng thời gây khó khăn cho việc khôi phục đơn vị dữ liệu;  Phương thức truyền nối tiếp không gặp phải vấn đề timing skew do giao thức này không đòi hỏi tất cả các bit của một đơn vị dữ liệu phải đến đích tại một thời điểm. BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1 Trang 28 CHƯƠNG 7 – HỆ THỐNG BUS 7.7 Câu hỏi ôn tập 1. Các thành phần của hệ thống bus và các loại bus 2. Nguyên lý làm việc của bus PCI 3. Nguyên lý làm việc của bus PCI Express.