4.5 Bus standard

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La gestione dell'I/O

Architettura degli elaboratori - 1 - T. Vardanega 1

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4 La gestione dell’I/O Indice

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4.5 Bus standard

4.5 Bus standard Generalità

●

I bus sono linee di collegamento condivise tra unità che consentono loro di comunicare

– Costo contenuto

– Facile espansibilità (scalabilità) – Facile intercambiabilità

●

Ovvio collo di bottiglia a livello sistema – La banda passante di bus determinata dalla banda passante dell’unità più lenta tra quelli collegate

4.5 Bus standard Contenuto informativo

●

Il collegamento fisico tra unità connesse da un bus tipicamente include

● Linee per il trasferimento dati

→Dati, indirizzi, comandi

● Linee per il controllo del trasferimento dati

→Sincronizzazione, modalità (lettura/scrittura), ampiezza, tipo, ...

● Linee di servizio ad uso del sistema

→Segnale di clock, segnale di spegnimento, segnale di riattivazione, interruzione, richiesta di acquisizione del bus, ...

4.5 Bus standard Modalità di trasferimento - 1

●

Il trasferimento dati avviene in due fasi

● Il mittente (master di bus) emette l’indirizzo richiesto e specifica la relativa modalità di accesso

●Scrittura: emissione simultanea del dato verso il destinatario

●Lettura: acquisizione ritardata del dato emesso dal destinatario

●

Modalità di trasferimento

● Sincrona

●Mittente e destinatario procedono alla stessa velocità

● Asincrona

●Mittente e destinatario procedono a velocità diverse

4.5 Bus standard Modalità di trasferimento - 2

●

Bus asincrono

– In grado di operare flessibilmente con unità con banda passante e clock molto diversi

– Più facilmente adeguabile alle evoluzioni tecnologiche dell’I/O

– Protocolli di gestione più complessi

●Maggior onere di gestione

●

Bus sincroni

– Tutte le unità alimentate dallo stesso clock

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4.5 Bus standard Ampiezza di banda passante

●

Fattori determinanti

– Dimensione dell’unità di trasferimento

●Funzione della velocità fisica del canale (clock)

– Condivisione di canale per emissione di dati ed

indirizzi

●Consente riduzione delle linee fisiche necessarie

– Struttura informativa dell’unità di trasferimento

●Blocco dati con indirizzo iniziale e lunghezza

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4.5 Bus standard Tipologie di bus - 1

●

L’architettura di un elaboratore può prevedere due tipi di bus

– Bus interno per trasferimento dati tra memoria e CPU

●Elevata velocità per massimizzare la banda passante

●Lunghezza minima

●Tecnologia proprietaria (standard del produttore) – Bus esterno per collegamento con le unità di I/O

●Regolato da standard commerciali

●Maggiore lunghezza

●Velocità inferiore

●Banda passante dipende dalle caratteristiche delle unità connesse

4.5 Bus standard Tipologie di bus - 2

●

L’alternativa ovvia è quella di bus unico per ogni tipo di comunicazione tra CPU, memoria ed unità di I/O

– Consente una maggiore standardizzazione – Soluzione più economica ma generalmente più

lenta

– Non consente parallelismo tra comunicazioni indipendenti

– Soluzione adottata nei Personal Computer

4.5 Bus standard Architetture a bus multipli

CPU ^(*)'+-,'.^/⁰

123445768

279:;=< >?@ >?@

ACBD E

/+F)+*,G./0

ACBD E

/HIJLK,GM E/N/O,

P

O)+*Q'/,'RGSUTHGV

P HWYX

CPU ^(*)'+-,'.^/⁰

12344568

279:;=<

1?Z 1?Z

>?@ >?@ >?@ >?@

P

O)'+FQ'/,RWYTWYH

A[B=D E

/HIJ E)E/K0\,

4.5 Bus standard Architettura tipica

CPU

Cache Memoria Adattatore

di bus I/O I/O

Bus di memoria sincrono

Bus di I/O asincrono

4.5 Bus standard Modalità di accesso

●

L’accesso al bus prevede

– Controllo da parte di una entità attiva (master) – Collaborazione di una entità passiva (slave)

●

L’architettura più semplice prevede la CPU come solo master

●

Quando più dispositivi possono fungere da master, occorrono tecniche di regolazione d’accesso

– Arbitraggio centralizzato

– Arbitraggio a rotazione (daisy chain) – Arbitraggio distribuito

4.5 Bus standard

Peripheral Component Interconnect (PCI)

●

Bus di tipo ‘back plane’ con connessioni stampate su scheda (standard sviluppato da Intel)

– Ampiezza di parola: 32 bit (64 bit)

– Indirizzi e dati vengono emessi alternativamente – Consente più master con arbitraggio centralizzato – Trasferimenti sincroni a 33 MHz (66 MHz) – Banda passante: 132 MB/s (limite ideale a 32 bit) – Lunghezza massima: 0,5 m

– Max 32 unità collegate

– Numero linee fisiche parallele: 124 (o 188)

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4.5 Bus standard

Small Computer System Interface (SCSI)

●

Bus di I/O basato su cavi paralleli di connessione (standard ANSI con molte varianti)

• Ampiezza di parola: 8 o 16 bit (SCSI-1 - wide SCSI)

• Indirizzi e dati vengono emessi alternativamente

• Consente più master con arbitraggio centralizzato

• Trasferimenti sincroni a 5 MHz

• Trasferimenti asincroni fino a 10 MHz (fast SCSI)

• Banda passante: 5 – 160 MB/s (limite ideale)

• Lunghezza massima: 25 m

• Numero linee fisiche parallele: 50

4.5 Bus standard

VersaModule Eurocard (VME)

●

Bus di tipo ‘back plane’ con connessioni stampate su scheda

– Standard industriale sviluppato da Motorola ed altri – Ampiezza di parola: 16 –32–64 bit

– Indirizzi e dati vengono emessi alternativamente – Consente più master con arbitraggio daisy chain – Trasferimenti asincroni

– Banda passante: 13 –25 MB/s – Lunghezza massima: 0,5 m – Max 21 unità collegate

– Numero di linee fisiche parallele: 128

4.5 Bus standard

Integrated Drive Electronics (IDE)

●

Interfaccia di I/O (non bus) con connessioni stampate su scheda

– Per dispositivi di memoria secondaria con controllore integrato

– Ampiezza di parola: 16 bit – Indirizzi e dati su linee separate – Singolo master (la CPU) – Trasferimenti asincroni – Al più 2 unità collegate

– Modo di trasferimento programmato

●Programmed I/O, PIO (il trasferimento coinvolge la CPU)

●Determina l’ampiezza di parola e velocità del trasferimento

4.5 Bus standard

Industry Standard Architecture (ISA)

●

Bus di tipo ‘back plane’ con connessioni stampate su scheda

● Ampiezza di parola: 16 bit

● Indirizzi e dati su linee separate

● Singolo master

● Trasferimenti sincroni a 8,33 MHz

● Banda passante: 16.67 MB/s (limite ideale)

● Lunghezza massima: 18” (≈0,5 m)

● Numero di linee fisiche parallele: 98

● Soppiantato dal ‘plug-and-play ISA di Intel/Microsoft

] Il S/O controlla direttamente la configurazione assegnata alle unità connesse

4.5 Bus standard

Universal Serial Bus (USB)

●

Bus per connessione con dispositivi di I/O lenti

– P.es. mouse, tastiera

– Usa una connessione a 4 linee fisiche parallele

●Due delle quali usate per alimentazione di potenza – Singolo master con gestione a modalità polling

●Frequenza di poll: 1 ms.

– Banda passante: 1,5 MB/s (limite ideale)

– Tutte le unità connesse rispondono ad un unico gestore

●Le unità connesse possono essere rimosse ed altre aggiunte liberamente, senza bisogno di riconfigurare il S/O

4.5 Bus standard Basic I/O System (BIOS)

●

Il programma capace di comunicare con tutte le unità connesse

– Supporta comunicazioni primitive al livello dei controllori collegati

– è presente in ROM (non modificabile) od in una RAM speciale (permanente e modificabile)

– All’attivazione dell’elaboratore, il BIOS è la prima cosa che esegue

●Verifica di salute del sistema e delle unità collegate

●Caricamento del S/O e relativo trasferimento di controllo

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4.5 Bus standard

Esempio: architettura Intel Pentium

Memoria principale Adattatore

a bus PCI Cache

livello 2 Cache

livello 1 CPU

Adattatore a bus ISA

Disco con IDE Adattatore

a bus SCSI

Adattatore a bus USB Mouse Tastiera

Modem Stampante Connessioni libere

Bus di cache

Bus locale

Bus di memoria

PCI

SCSI

ISA

USB