I Bus. G. Casale 26 Aprile Politecnico di Milano DEI- Dipartimento di Elettronica ad Informazione

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1 Politecnico di Milano DEI- Dipartimento di Elettronica ad Informazione I Bus casale@elet.polimi.it 26 Aprile 2004 Corso di Impianti di Elaborazione A.A. 2003/04 prof. G.Serazzi

2 Sommario Introduzione Caratteristiche dei bus Caratteristiche della motherboard Panoramica dei principali bus in commercio Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 2

3 Introduzione Un bus è un canale di comunicazione condiviso dalle componenti di un PC I componenti di un computer (processore, cache, memoria, schede video, dischi,...) comunicano tra loro mediante uno o più bus I bus più importanti sono implementati fisicamente sulla scheda madre (motherboard) Le prestazioni dei bus e della motherboard impattano in maniera determinante sulle prestazioni dell intero sistema Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 3

4 Motivazioni dell introduzione dei bus Costi contenuti un singolo insieme di fili collega più periferiche i produttori realizzano solo l interfaccia verso il bus di sistema Versatilità per l utente finale nuovi dispositivi possono essere aggiunti facilmente Standardizzazione le periferiche possono essere spostate tra computer Possibilità di realizzare dispositivi compatti semplifica la rete di interconnessione tra periferiche Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 4

5 Problemi associati all uso dei bus Esistono però degli svantaggi... Difficile prevedere l evoluzione del mercato e dunque pianificare architetture di bus che scalino nel tempo Possono diventare il collo di bottiglia dell I/O Serve protocollo per I/O tra schede con velocità diverse Vincoli su massima lunghezza fisica del bus Vincoli sul massimo numero di periferiche collegate Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 5

6 Gerarchia tradizionale dei bus Bus Processore - Memoria Bus Cache Cache L2 CPU RAM CORE, FPU,... Cache L1 Bus di Espansione Controller Bus Processore SCSI Ethernet Scheda video Modem Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 6

7 Evoluzione dei bus: sistemi a bus singolo Bus Processor Memory I/O Devices Vantaggi: semplicità e costo contenuto Svantaggi: lento, e il bus diventa il collo di bottiglia Esempi: IBM PC - AT Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 7

8 Evoluzione dei bus: sistemi a due bus Processor Bus Adaptor Processor - Memory Bus Bus Adaptor Bus Adaptor Memory I/O Bus I/O Bus I/O Bus I bus di I/O sono distinti dal bus Processore-Memoria bus processore-memoria: principalmente per il traffico tra memoria e processore bus di I/O: forniscono slot di espansione Esempi: Apple Macintosh-II (NuBus + SCSI) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 8

9 Evoluzione dei bus: backplane bus Processor Backplane Bus Bus Adaptor Processor - Memory Bus Bus Adaptor Bus Adaptor I/O Bus I/O Bus Memory Il bus di backplane collega i bus di I/O assorbendo la comunicazione tra periferiche Esempi: Router CISCO/NORTEL/... Impianti di Elaborazione - A.A 2003/2003 9

10 Tecniche per l aumento del throughput Separare le linee indirizzi dalle linee dati è possibile trasmettere indirizzo e dato in un unico ciclo aumentano i costi perché sono necessarie più linee Aumentare la larghezza del bus ad ogni trasferimento possono essere trasmessi più bit aumentano i costi perché sono necessarie più linee Trasferimenti a blocchi si deve trasferire un solo indirizzo all inizio del trasferimento problema: il trasferimento di un blocco non può essere interrotto aumentano i costi perché aumenta la complessità Aumentare la frequenza di funzionamento Aumentano le interferenze (e dunque gli errori) tra fili dello stesso cavo Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

11 Tecniche avanzate Bus Mastering Il trasferimento dei dati I bus moderni prevedono che il trasferimento dei dati avvenga dopo l invio di segnali di controllo (es. read o write) e degli indirizzi di I/O su linee dedicate Ogni periferica che accede al bus deve assumere un ruolo: Il master è il dispositivo che solleva i segnali di controllo e avvia l operazione di trasferimento Lo slave è il dispositivo che risponde alla richiesta inviando o ricevendo i dati DMA E una forma di bus mastering limitata all I/O della memoria Un processore DMA è dedicato al coordinamento dell I/O tra dischi e memoria Sostituisce il Programmable I/O (PIO) che prevede che sia la CPU ad effettuare il coordinamento fl DMA diminuisce il carico della CPU First Party DMA (o bus mastering DMA) un dispositivo può eseguire operazioni complesse senza l intervento della CPU (es. servire una richiesta da un file system distribuito) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

12 La motherboard Supporto fisico su cui sono inseriscono i principali componenti del sistema (processore, memoria, schede di espansione, BIOS) Le linee guida per la disposizione ottimale dei componenti sulla scheda sono fornite dallo standard ATX Ogni motherboard contiene un chipset dedicato al coordinamento delle operazioni di I/O Si individuano due chip principali: il Northbridge e il Southbridge Il nuovo standard Intel Hub Architecture (IHA) prevede l abbandono di questa architettura nel prossimo futuro Inoltre le motherboard moderne integrano dispositivi quali schede di rete, schede audio e video Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

13 Architettura di una motherboard di ultima generazione CPU Front Side Bus (FSB) - (es.333/400mhz) RAM RAM RAM DDR266/333/400 NB AGP 2x/4x/8x Video Northbridge High speed link (es.533 Mb/s) BIOS, Periferiche, I/O,... SB Southbridge Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

14 Sottosistemi e periferiche collegati al SB SB Southbridge PS/2 USB 2.0 Super-I/O LPC BIOS PCI BlueTooth UART ATA/IDE Audio IR SATA Raid Modem Parallela Firewire Ethernet Floppy Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

15 Principali bus in commercio Bus legacy ISA, MCA, EISA, VESA Bus per schede di espansione interne PCI, AGP, PCI-Express Bus per I/O da disco IDE/ATA, SCSI Serial ATA Bus per periferiche esterne PCMCIA USB, Firewire (IEEE 1394) Bluetooth Bus di rete Ethernet (CSMA/CD), Token ring Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

16 Bus Legacy ISA (Industry Standard Architecture) (1981/86) 4.77Mhz -> 8Mhz, 8-16 bit, max 16MB RAM Sui PC attuali è mantenuta la compatibilità tramite LPC MCA (Microchannel Architecture) (1987) 8Mhz, 32 bit, DMA, Bus mastering, P&P (Compaq) EISA (Extendend ISA) 8Mhz, 32 bit, DMA, Bus mastering, P&P Vesa Local Bus (1992) 33Mhz, 32 bit, max 2 slot, solo per architettura 486 Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

17 Bus per schede di espansione interne PCI (Peripheral Component Interconnect) Introdotto nel 1991/92 da un consorzio capeggiato da Intel Originariamente era un local bus, ovvero un bus che lavora alla stessa velocità del processore Caratteristiche tecniche 32 bit a 33 MHz = 132 MB/s 64 bit a 33 MHz = 264 MB/s (specifica 2.1) 4/8 dispositivi DMA, Bus mastering, Plug&Play Non dipende come il Vesa Local Bus dal processore Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

18 Bus per schede di espansione interne AGP (Accelerated Graphics Port) Consente la connessione diretta tra scheda grafica e Northbridge L accesso alla RAM non dipende più dal Southbridge Double Transition Clocking (DTC) L I/O avviene sia sul fronte di salita che di discesa del clock Evoluzioni: 1X: 32 bit x 66 MHz = 264 MB/s 2x: 32 bit x 66 MHz x 2 (DTC) = 528 MB/s + sideband di 8 bit per l accodamento delle richieste dati 4x: 32 bit x 66 MHz x 2 (DTC) x 2 = 1 GB/s + sideband 8x: 32 bit x 66 MHz x 2 (DTC) x 4 = 2.1 GB/s + sideband Due modelli d esecuzione: DMA: si usa soltanto la memoria della scheda video DIME: si usa sia la memoria di sistema che quella locale con un unico spazio di indirizzamento Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

19 Bus per schede di espansione interne PCIx (PCI extended) Versione estesa del PCI proposta da IBM, HP e Compaq nel 1998 Retrocompatibile con il PCI Bus a 64 bit Specifica 1.0 con clock da 66 a 133 Mhz Throughput massimo teorico: 1 GByte/sec Specifiche 2.0 con clock da 266 a 533 MHz Throughput massimo teorico: 4.3 GByte/sec Dovrebbe essere la novità del 2004 Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

20 Bus per I/O da disco IDE/ATA (Integrated Drive Electronics) Introdotto nel 1989 da Control Data Corporation, Western Digital e Compaq Il nome ufficiale è ATA o ULTRA ATA nelle versioni più recenti 16 bit, MB/s DMA, Bus Mastering Un massimo di 4 dischi su due canali separati Primary: Master e Slave Secondary: Master e Slave Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

21 Bus per I/O da disco SerialATA Definito nel 2000 da aziende leader del mercato degli hard disk (IBM, Seagate, Quantum, Maxtor) SATA nasce per sostituire il vecchio ATA (Parallel ATA) SATA durerà un decennio (max throughput 6 Gb/s) Transfer rate: SATA 1x (2002): 150 MB/s SATA 2x (2004): 300 MB/s I segnali non sono bit che viaggiano in parallelo, ma sono inviati in modo seriale, ovvero un bit per volta non serve più modificare il cavo cavo di dimensioni ridotte richieste velocità di clock molto maggiori (ordine dei Ghz) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

22 Bus per I/O da disco SerialATA (2) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

23 Bus per I/O da disco SerialATA (3) Caratteristiche evolute: Architettura point-to-point Ciascun dispositivo ha un cavo dedicato (no master-slave) Hot plug e supporto per gli array di dischi (RAID) Basso voltaggio Correzione degli errori avanzata (pacchetti di controllo) Gestione di richieste concorrenti tramite code Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

24 Bus per I/O da disco SCSI (Small Computer Systems Interface) Specifiche rilasciate da ANSI nel 1986 Evoluzione dello standard (in Mbyte/s): Interfaccia Max Transfer Rate Frequenza Bus (MHz) Larghezza di banda (bit) Numero Max Dis positivi Scsi Fast Scsi Fast/Wide Scsi UltraScsi Wide UltraScsi o 16 Ultra2 Scsi Wide Ultra2 Scsi Ultra160 Scsi Ultra320 Scsi Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

25 Bus per I/O da disco SCSI (Small Computer Systems Interface) (2) Dispositivi identificati da un ID (numerico) Controller intelligente: consente di accodare più richieste e ottimizza la coda in modo da minimiz zare i tempi di servizio. Non è sempre implementato, nonostante sia considerato il maggior vantaggio di SCSI rispetto ad ATA Indirizzamento logico: elimina i vincoli fisici imposti da un particolare sistema ai device (1024 cilindri del DOS) unica interfaccia per dispositivi eterogenei (HD, scanner, dischi magneto-ottici,...) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

26 Bus per periferiche esterne PCMCIA Permette l inserimento di schede di espansione nei PC portatili Tre formati di differente spessore Type I: 3.3 mm (espansioni di memoria) Type II: 5.0 mm Type III: 10.5 mm (vecchi hard disk) Bus master, DMA, P&P, hot-swap. Due modalità di funzionamento 16 bit, 33 MHz: 20 MB/s 32 bit, 33 MHz: MB/s Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

27 Bus per periferiche esterne USB (Universal Serial Bus) Introdotto nel 1996, P&P, hot-swap. Non è propriamente un bus, ma una serie di porte in cascata Massimo 127 dispositivi per host I dispositivi si dividono in tre categorie: } low-speed (1,5 Mbps) v. 1.1 full-speed (12 Mbps) v. 2.0 (retrocompatibile) high-speed (fino a 480 Mbps) Dispositivi USB sono di 2 tipi: Terminal Hub: multiplatori con una porta di downstream (verso il controller) ed una di upstream (altri hub/device) Max 7 livelli di concatenazione } Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

28 Bus per periferiche esterne USB (Universal Serial Bus) Arbitraggio del bus: protocollo di tipo token è sempre il controller ad iniziare la comunicazione invia ndo un token; se la periferica è pronta, risponde. Vantaggi non c è fase di arbitraggio possibilità di collegamenti hot-plug (perché c è un controller centralizzato) Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

29 Bus per periferiche esterne Firewire-IEEE 1394 Introdotto nel 1995 da Apple. Il bus è costituito da nodi (device) e bridge (hub) Max 16 nodi in cascata, max 63 dispositivi Su singolo cavo possono coesistere dispositivi a 100, 200 e 400 Mbps. Le future versioni (1394b) prevedono velocità fi no a 3200 Mbps Filosofia peer-to-peer: Ogni device può diventare resource manager per inizializzare un canale di comunicazione Esempio: è possibile trasferire dati da una telecamera a un videoregistratore senza passare da un PC Più computer possono condividere risorse messe a disposizione dallo stesso device senza richiedere configurazioni particolari Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

30 Bus per periferiche esterne Bluetooth Tecnologia wireless per connettere fra loro i vari dispositivi usati da un utente (PDA, cellulari, laptop, ) evitando l uso di cavi e di procedure di configurazione Sviluppato da un consorzio fondato nel 1998 da Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba. Fatica ad affermarsi come protocollo standard Supporta sia comunicazioni sincrone (voce) sia asincrone (dati) Velocità di trasmissione: circa 1 Mbps Tuttavia, il throughput netto può essere molto inferiore, a causa dei dati di controllo Due diverse portate trasmissive: Corto raggio: 10 m Lungo raggio: 100 m Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

31 Bus per periferiche esterne Bluetooth (2) La rete wireless è organizzata in piconet Una piconet è un insieme di device che condividono un canale trasmissivo Le piconet possono essere parzialmente sovrapposte Ogni piconet ha un master che può servire fino a 7 slave Due o più piconet, interconnesse da bridge node, costituiscono una scatternet (fino a 10 piconet) Un bridge node divide la sua attività in time sharing fra le piconet Impianti di Elaborazione - A.A 2003/

32 Bus per periferiche esterne Bluetooth (3) Scatternet Slave Master Slave Slave Master Slave Slave Bridge node Slave Slave Slave Piconet 1 Piconet 2 Piconet 3 Impianti di Elaborazione - A.A 2003/