Cấu trúc máy tính bài 4.6 14_Bus_MT pdf

tổ chức Bus Máy tính
1. Giới thiệu



.

a). Thiết bị chủ bus
Hệ thống bus gồm: Bus địa chỉ, Bus dữ liệu và Bus điều khiển.
Nhiều thiết bị nối ghép và trao đổi dữ liệu qua hệ thống bus.
Thiết bị chủ (master) là thiết bị khởi đầu và điều khiển việc trao
đổi thông tin còn thiết bị đáp lại gọi là thiết bị tớ (slave).
ở các máy tính 80x86, CPU là ví dụ về thiết bị chủ, còn bộ nhớ, ổ
đĩa... là các thiết bị tớ.
Để trao đổi thông tin: đầu tiên cần chuyển địa chỉ để phân biệt
thiết bị, sau đó gửi tín hiệu ghi hoặc đọc để xác định hành động.


b. Phân loại Bus
• System Bus (bus hệ thống) - nối kết từ bộ xử lý
đến bộ nhớ chính, bộ đệm cấp 2 (cache level 2) –
bus chính (main bus), bus bộ xử lý (processor bus)
hoặc bus cục bộ (local bus
• I/O Bus (bus ngoại vi) - nối kết thiết bị ngoại vi
với bộ xử lý thông qua cầu chipset. - bus mở rộng
(expansion bus), bus ngoại vi (external bus) và bus
chủ (host bus).


• Trong kiến trúc Dual Independent Bus (DIB
- hai tuyến bus độc lập), bus hệ thống dùng

chung được tách thành:
- Frontside Bus (FSB - tuyến bus trước)
-Backside Bus (BSB - tuyến bus sau


c). Phân phối BUS
Thiết bị chủ có thể truy cập đợc các bus toàn cục, bao gồm
bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển.
Khi có nhiều thiết bị chủ có yêu cầu sử dụng bus thì bus
phải đợc phân phối theo một cách thức nhất định.
Không có bus nào phục vụ hai thiết bị chủ cùng một lúc.
Để thiết bị chủ truy nhập đợc bus, đầu tiên nó phải có tín
hiệu yêu cầu bộ phân phối bus trung tâm
Đợi nhận đợc tín hiệu trả lời.
Có 2 nguyên tắc phục vụ:
- Nguyên tắc u tiên
- Nguyên tắc đến trớc - phục vụ trớc.


d). Giao thức bus (bus protocol)
Giao thức bus là các tiêu chuẩn về tín hiệu và định thời phối
hợp hoạt động giữa các bộ phận khác nhau của hệ thống khi
tiến hành trao đổi dữ liệu.
Có hai giao thức bus chính là:
Giao thức đồng bộ
Các bus đợc đồng bộ với một tần số trung tâm - đó là tần số
của hƯ thèng. ë m¸y IBM, CPU truy nhËp bé nhí sử dụng
giao thức đồng bộ vì bộ nhớ không thể sai lệch với các tiêu
chuẩn định thời của bộ tạo giao động đồng hồ trung tâm.
Giao thức không đồng bộ

Đợc định thời riêng và có thể không hoạt động theo tần số
đồng hồ trung tâm. Trao đổi dữ liệu giữa máy tính và máy in là
ví dụ về giao thức không đồng bộ.


e). Dải thông của bus (bus bandwidth)
Tốc độ mà bus có thể truyền dữ liệu từ thiết bị chủ
tới thiết bị tớ gọi là dải thông hay độ rộng dải của
bus (bandwidth) hoặc năng suất truyền của bus
(throughput). Đơn vị đo là MB/sec.
Dải thông phụ thuộc vào tần số truyền, độ rộng
bus và giao thức bus. Tần số đồng hồ càng cao thì
dải thông càng lớn


Ví dụ:
Tính dải thông của bus PCI với đờng d ữ liệu 32 bit cho 2 trờng
hợp :
a) Phơng pháp chuyển đơn.
b) Phơng pháp chuyển từng khối.
Giải:
PCI làm việc ở tần số 33 MHz.
a) Phơng pháp chuyển đơn, mỗi lần chuyển 32 bit cần 2 nhịp đồng
hồ. Nh vậy độ rộng dải:
4byte/2T=4byte*f/2=2*33MHz=66MB/S
b) ở chế độ chuyển khối 2-1-1-1, để chuyển 4 khối 32 bit d ữ liệu cần
5 chu kỳ đồng hồ. Nh vậy:
Dải thông của bus = 4x4byte/5T=16byte*f/5 = 16byte*33 MHz/5=106
MB/s

2. Mét sè chuÈn bus
a). Bus PC/XT
Bus PC/XT cã khe cắm 62 chân,
bao gồm bus dữ liệu D0-D7, bus
địa chỉ A0-A19, các tính hiệu
điều khiển IOR, IOW, MEMR,
MEMW, và một số tín hiệu điều
khiển của board hệ thống và
ngoại vi nh DMA và bộ điều
khiển ngắt.

b). Bus ISA
Hình 1. Bus ISA

-GND
RESET DRV
+ 5V DC
IR09
-5V DC
DRQ2
-12V DC
OWS
+12V DC
GND
-SMEMW
-SMEMR
-IOW
-IOR
-DACK3

DRQ3
-DAC1
DRQ1
-REFRESH
CLK
IRQ7
IRQ6
IRQ5
IRQ4
IRQ3
-DACK2
T/C
BALE
+5V DC
OSC
GND

B1

A1

B10

A10

B20

A20

B31

A31

MEM CS16
-I/O CS16
IRQ10
IRQ11
IRQ12
IRQ15
IRQ14
-DACK0
DRQ0
-DACK5
DRQ5
-DACK6
DRQ6
-DACK7
DRQ7
=5V DC
MASTER
GND

D1

C1

D10

C10

D18

C1`8

-I/O CH CK
SD7
SD6
SD5
SD4
SD3
SD2
SD1
SD0
I/O CH RDY
AEN
SA19
SA18
SA17
SA16
SA15
SA14
SA13
SA12
SA11
SA10
SA9
SA8
SA7
SA6
SA5

SA4
SA3
SA2
SA1
SA0
SBHE
LA23
LA22
LA21
LA20
LA19
LA18
LA17
-MEMR
-MEMW
SD08
SD09
SD10
SD11
SD12
SD13
SD14
SD15


Bus ISA
 Giới thiệu:
 Bus ISA (Industrial Standard Architecture): được xây
dựng cho máy tính IBM – AT (bus AT), có nguồn gốc từ
bus XT của máy PC-8088 năm 1981.

 Năm 1984 bộ VXL 80286 ra đời, bus ISA được bổ xung
thêm 36 chân để phối hợp làm việc với bus dữ liệu 16 bit
và địa chỉ 24 bit.
 Bus ISA dùng giao tiếp 16bit, xung 8MHz (mức xung
chuẩn của bộ xử lý) và đạt tốc độ truyền dữ liệu trên lý
thuyết là 16MBps. Tốc độ thực tế bị giảm đi một nửa vì
cần dành 1 đường bus cho địa chỉ và một đường bus khác
cho dữ liệu 16bit.


 Các chân chủ yếu của khe cắm ISA
 A0-A19 (SA0-SA19): các chân địa chỉ của hệ thống
 AEN (Address Enable): ANE = 1 thì DMA điều khiển bus. ANE =
0 thì CPU điều khiển bus.
 ALE (Address Latch Enable): cho phép chốt địa chỉ.
 CLK (Clock): đồng hồ là tần số để đồng bộ thao tác ghi, đọc bộ
nhớ và IO.
 DO-D7 là bus dữ liệu 8 bit 2 chiều
 DRQ1, DRQ2, DRQ3, DACK1, DACK2, DACK3: Là các tín hiệu
yêu cầu và báo nhận DMA.
 IOCHCHK (I/O Channel Check).
 IOR, IOW ( IO Read, IO write)
 IRQ3-IRQ7, IRQ9 (Interrupt Request)
 OSC (Oscillator): Chân tạo tín hiệu dao động.
 REFRESH:


Một số hạn chế của bus ISA
1. Bus dữ liệu bị hạn chế ở 16 bit vì thế không thể phối
hợp đợc với bus dữ liệu 32 bit của các bộ vi xử lý

386/486/Pentium.
2. Bus địa chỉ 24 bit giới hạn khả năng truy nhập bộ
nhớ cực đại qua khe cắm mở rộng là 16 Mb. Vì vậy
không thể phối hợp đợc với bus địa chỉ 32 bit (không
gian địa chØ lµ 4 Gb) cđa 386/486 vµ Pentium.
3. Board mĐ có tối đa 8 khe cắm mở rộng ISA. Tần số
làm việc của khe cắm mở rộng bus ISA là 8 MHz.


4. Do các ngắt (IRQs) có dạng kích phát sờn nên mỗi ngắt chỉ
có thể gán cho 1 thiết bị (chứ không gán cho nhiều thiết
bị đợc). ở các hệ thống tần số cao, ngắt bằng kích phát s
ờn có thể dẫn đến kích hoạt sai do xung nhọn hoặc tạp
nhiễu ở lối vào IRQ.
5. Vic cm thờm card ũi hỏi phải thay đổi các chuyển mạch
DIP và chân cắm rất phức tạp.
6. Các kênh DMA 16 bit nên tăng gánh nặng cho CPU.


c). Bus MCA
Các đặc tính chính
1. MCA có bus dữ liệu 32 bit, bus địa chỉ 32 bit và các tÝn hiƯu byte
cho phÐp më BE0, BE1, BE2 vµ BE3
2. MCA sử dụng các thanh ghi điều khiển bằng phần mềm để thay
thế các chân cắm và các chuyển mạch DIP để thiết lập cấu hình
cho card bổ sung.
3. MCA có tần số giới hạn ban đầu đến 10 MHz, song về lý thuyết
MCA có thể làm việc tới tần số 30 MHz.
- Nhờ có đờng đất và đờng Vcc xen vào từng 3 đờng tín hiệu.
- Hạn chế đợc nhiễu xuyên âm và hình thành lới bảo vệ bức xạ vô

tuyến.
- Nhờ sử dụng ASIC và công nghệ dán mặt nên kích thớc của card
MCA nhỏ, giảm thiểu đợc bề mặt tiếp xúc, làm giảm hiệu ứng điện
cảm và cho phép bus làm việc vớí tần số cao hơn nhiÒu.


d). Bus EISA (extended ISA)
 EISA - Bus ISA c¶i tiến là sản phẩm của các nhà sản xuất
máy tính tơng thích nhằm đáp lại kiến trúc vi kênh MCA của
IBM.
Bus EISA khắc phục nhiều hạn chế của ISA. Có các đờng
địa chỉ A24-A31 và các đờng dữ liệu D16-D31 để phối hợp
với 386/486/ Pentium.
Vẫn còn nhợc điểm quan trọng là tần số làm việc của
EISA chỉ dừng ë 8 MHz gièng nh bus XT vµ ISA. Së dĩ nh
vậy là do yêu cầu về tơng thích với bus AT. Trên thực tế bus
EISA là bản nâng cấp cña bus ISA.


Ví dụ:
Tính và so sánh dải thông lớn nhất cho 2 trờng hợp khe cắm
mở rộng:
a) ISA;

b) EISA

Giả sử EISA ở chế độ chuyền dữ liệu đơn.
Giải:
Độ rộng dải lớn nhất của bus ISA và EISA là 2 nhịp đồng hồ ở
mỗi chu trình nhớ. Do tần số ISE và EISA là 8 Mhz,vậy:

a) Độ rộng dải ISA=Số byte/thời gian=2byte/2T=byte*f=8MB/s
b) §é réng d¶i EISA=Sè byte/thêi gian=4byte/2T=2byte*f=16MB/s


Bảng 19.2. Dải thông của bus ISA, EISA,
và Vi kênh
ISA

EISA

Micro
Channel

Đờng dẫn dữ liệu
tối đa

16-bit

32-bit

32-bit

Tần số bus khe
cắm mở rộng (MHz)

8

8

10

Dải thông tối đa
(Mb/s)

8

16

20




Bảng 19.3. Yêu cầu dải thông của đồ hoạ và video thời gian thực

Đồ hoạ
Màu
(bits/pixels)

Tốc độ vẽ lại
(số cập nhật/s)

Độ rộng dải
(bytes/s)

8

10

2,9M

1024x768

16

10

15M

1280x1024

24

10

37,5M

Độ phân giải
(pixels)
640x480

Video thời gian thực
Kích thớc
khung (pixels)

Màu (bits/s)

Tốc độ khung
(khung/s)

160x120

8

15

(bytes/s)
288K

320x240

24

15

3,5M

640x480

24

30

26,3M

1024x768

24

30

67,5M

Độ rộng dải


e). VESA local bus
Các đặc điểm chính:
1. Bus VL phiên bản 1.0 là bus 32 bit. Phiên bản 2.0 có
bus 64 bit.
2. Bus VL có thể làm việc với tần số 33 MHz và tối đa
có 3 khe cắm mở rộng. Các khe cắm có thể đạt 40
MHz nếu số khe cắm giảm xuống còn 2 và 50 MHz
nếu số khe cắm là 1.
3. Không có chuẩn cấu hình tự động. Khác với chuẩn
EISA và MCA, cấu hình tự động không phải là một
phần của bus VL.


f). Các đặc tính của bus cục bộ PCI
1. Tốc độ 33 MHz, 66MHz.
2. Dữ liệu 32 và 64 bit.
3. Hỗ trợ chế độ truyền dữ liệu dạng khối 2-1-1-1 đ
ợc các CPU nh 486 và Pentium áp dụng.
4. Hỗ trợ việc làm chủ bus, cho phép thực hiện đa
xử lý mµ víi bÊt kú bé vi xư lý nµo cũng đều có
thể trở thành thiết bị chủ và dành qun ®iỊu
khiĨn bus.

5. Tơng thích với ISA, EISA và MCA. Nhờ sử dụng
cầu nối bus, chuẩn đà hỗ trợ cho các bus tốc độ
chậm ISA, EISA và MCA
6. Bus cục bộ PCI độc lập so với bộ vi xử lý.
7. Hỗ trợ card më réng 5V vµ 3.3V vµ cho phÐp
chun dƠ dµng tõ hƯ thèng 5 V sang 3,3 V.
8. Cung cấp khả năng tạo cấu hình tự động. (PnP)
9. Có chân Vcc hoặc đất ở giữa từng 2 tín hiệu để
giảm nhiễu xuyên âm và bức xạ vô tuyến.
10. Tín hiệu ngắt kớch hot bng mức. Do đó hỗ trợ
việc chia sẻ ngắt.


80486.
Pentium
RISC CPU

Bé ®iỊu khiĨn
bé nhí
Bé nhí

Cache

Bé ®iỊu
khiĨn bus PCI

Bé ®iỊu
khiĨn SCSI

Đờng dữ liệu 32

bit /33 Mhz

Bộ điều khiển bus
mở rộng
(ISA/EISA/MCA)
Đờng dữ liệu
16 bit/8 Mhz

Multimedia

Đồ hoạ
tốc độ cao

Fastlan
Hình 19.9. Kiến trúc bus côc bé PCI

FAX

MODEM


Địa chỉ và
dữ liệu

Điều khiển
giao diện
Thông tin
về lỗi
Phân chia
(chỉ đối với

thiết bị chủ)

Các chân bắt buộc
AD[31-00]
CBE[3-0]
PAR
FRAME#
TRDY#
IRDY#
STOP#
DEVSEL#
IDSEL
PERR#
SERR#

Các chân tuỳ chọn
AD[63-32]
C/BE[7-4]#
PAR64#
REQ64#
ACK64#
LOCK64#
INTA#
INTB#
Thiết bị
INTC#
PCI
INTD#
SRQ#
SDONE#

REQ#
GNT#
CLK
RST#

Hệ thống

Hình 19.10. Bố trí chân PCI

TD1
TDO
TCK
TMS
TRST#

Mở rộng
64 bit
Điều khiển
giao diện
Ngắt

Cache hỗ trợ

JTAG


Bảng 19.4. So sánh dải thông của các bus ISA, EISA,
MCA, VL, và bus cục bộ PCI

ISA

EISA MCA

VL
Bus

PCI

PCI

Đờng dữ liệu (bit)

16

32

32

32

32

64

Tốc độ bus (MHz)

8

8,3

10

33

33

33

Độ rộng dải
(Mb/s)

8

16

20

66

66

133


Accelerated Graphic Port (AGP)
• AGP hiện có ba phiên bản: 1.0 (tương ứng AGP 1X, 2X),
2.0 (AGP 1X, 2X, 4X) và 3.0 (AGP 4X, 8X).

• AGP 3.0 :
o Truy xuất trực tiếp đến bộ nhớ hệ thống
o Sử dụng tín hiệu mới có điện áp thấp và ít bước chuyển
đổi.
o Sử dụng cơ chế địa chỉ cạnh (Side band addressing) để
nâng hiệu quả bus dữ liệu.
o Phân chia mức năng lượng để tối ưu chất lượng tín hiệu.
o Bộ đảo bus động (dynamic bus invertor) giảm nhiễu.
o Vận hành với chế độ đẳng thời cho phép truyền tốt dữ
liệu dạng video, âm thanh liên tục.


PCI-X
• PCI-X tăng gấp đơi tốc độ của PCI, hỗ trợ
một khe 64bit tần số 133MHz (đạt băng
thông 1GBps).
(PCI chạy tần số 33MHz và chỉ có một khe
tần số 66MHz )