Phân tích kiến trúc của PCI bus

Khái niệm bus: - Bus là một tập hợp các đường truyền kết nối của máy tính lại với nhau, cácbus có thể thực hiện vận chuyển thông tin đồng thới áp dụng với bus địa chỉ vàbus dữ liệu - Phâ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-o0o -BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

− Đề tài nghiên cứu : Phân tích kiến trúc của PCI Bus Express

− Nhóm thực hiện : Nhóm 8-Lớp Kỹ thuật phần mềm 2 - K6

Mục Lục:

I Khái niệm Bus

II Tìm hiểu lịch sử phát triển của PCI

1.Lịch sử phát triển

2 Các kiểu Bus PCI

3 Đặc điểm

4 Ưu điểm chính của PCI

5 Đặc tính cơ bản của PCI

6 Hoạt động

7 Nhược điểm

III PCI Express Kiến Trúc Tổng Quan

IV Tìm hiểu Bus PCI Express

1 Vấn đề băng thông

2 Phân biệt PCI Express, AGP và PCI

3 Một số câu hỏi được nhiều người quan tâm về PCI Express

V Kiến trúc PCI Express

1 Lớp vật lý (Physical)

2 Lớp liên kết (Link)

3 Lớp Truyền/Nhận ( Transaction)

4 Các lớp phần mềm.

PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC PCI BUS EXPRESS

I Khái niệm bus:

- Bus là một tập hợp các đường truyền kết nối của máy tính lại với nhau, cácbus có thể thực hiện vận chuyển thông tin đồng thới (áp dụng với bus địa chỉ vàbus dữ liệu)

- Phân loại :

+ Bus địa chỉ: Thực hiện vận chuyển địa chỉ từ CPU đến modun nhớ

+ Bus dữ liệu : Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ tới CPU và vận chuyển dữ liệu giữacác thành phần thiết bị

+ Bus điều khiển : Vận chuyển các tín hiệu điều khiển: Đọc , Ghi

II Tìm hiểu lịch sử phát triển của PCI

PCI ( Peripheral Component Interconnect) trong khoa học máy tính là một

chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến một bo mạch chủ thông quachíp cầu nam

1.Lịch sử phát triển

PCI được Intel phát triển để thay thế các bus cổ điển ISA và EISA vàonhững năm 1992 Sự phát triển của bus PCI đã thay đổi qua nhiều phiên bản, cóthể kể đến như sau:

• PCI phiên bản 1.0: ra đời vào năm 1992 bao gồm hai loại: loại chuẩn (32 bit)

và loại đặc biệt (64 bit)

• PCI phiên bản 2.0: ra đời năm 1993

• PCI phiên bản 2.1: ra đời năm 1995

• PCI phiên bản 2.2: ra đời tháng 1 năm 1999

• PCI-X 1.0 ra đời tháng 9 năm 1999

• mini-PCI ra đời tháng 11 năm 1999

PCI phiên bản 2.3 ra đời tháng 3 năm 2002

• PCI-X phiên bản 2.0 ra đời tháng 7 năm 2002

• PCI Express phiên bản 1.0 ra đời tháng 7 năm 2002 và ít lâu sau là 1.1

• PCI Express phiên bản 2.0 ra đời 15 tháng 1 năm 2007

• PCI Express phiên bản 3.0 sẽ ra mắt khoảng năm 2010

2.Các kiểu bus PCI

PCI với bus 33,33 Mhz, độ rộng 32 bit là bus PCI thông dụng nhất cho đếnthời điểm năm 2007 dùng cho các bo mạch mở rộng (bo mạch âm thanh, bo mạchmạng, bo mạch modem gắn trong Tuy nhiên có một số bus PCI khác như sau:

• PCI 66 Mhz: Độ rộng bus: 32 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 266 Mbps

• PCI 64 bit: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 33 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 266 Mbps

• PCI 64 Mhz/66 bit: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệuchuyển trong một xung nhịp: 1; Băng thông: 533 Mbps

• PCI-X 64: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 66 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 533 Mbps

• PCI-X 133: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 1; Băng thông: 1066 Mbps

• PCI-X 266: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 2; Băng thông: 2132 Mbps

• PCI-X 533: Độ rộng bus: 64 bit; Tốc độ bus: 133 Mhz; Dữ liệu chuyển trongmột xung nhịp: 4; Băng thông: 4266 Mbps

Những bus PCI 66 Mhz hoặc 64 bit theo liệt kê trên không thông dụng trongcác máy tính cá nhân, chúng thường chỉ xuất hiện trên các máy chủ hoặc máy trạm

Khe cắm mở rộng PCI 33Mhz, 32 bit màu trắng (bên phải) loại thông dụngthường thấy trên các máy tính cá nhân

Hình minh hoạ vị trí bus PCI trong bo mạch chủ

3.Đặc điểm

Chuẩn PCI (Peripheral Component Interface) đầu tiên do Intel phát triển làVersion 1.0 kết hợp với kiểu PCI Local bus 2.0 do SIG (Special Interest Group)giới thiệu vào tháng 5 năm 1993

Được chọn làm chuẩn giao tiếp của hầu hết card thiết bị ngoại vi

Đáp ứng được yêu cầu về chuẩn bus tốc độ cao

Ngay sau khi ra đời chuẩn PCI đã thống trị khe giao tiếp của các phần mởrộng máy tính như card hình, card tiếng, card mạng, ổ cứng Khe PCI chiếm vị tríchủ đạo trên các bo mạch chủ thời đó

Bo mạch chủ với 9 khe PCI

Ban đầu tốc độ xung nhịp đồng hồ cho Bus PCI là 33MHz , về sau nâng lên66MHz đối với PCI 2.1 , với tốc độ lí thuyết là 266MBps - gấp 33 lần so với ISABus Nó có thể thiết lập cấu hình 32-bit hoặc 64-bit Với 64-bit chạy với tốc độxung nhịp 66MHz - giữa năm 1999 - tăng băng thông về mặt lí thuyết tới524MBps PCI có kích thước nhỏ hơn so với ISA, Bus mastering PCI giảm thờigian trễ và kết qủa làm tăng tốc độ của hệ thống

4.Ưu điểm chính của PCI

• có thể truyền tốc độ 133MBytes với 32bit hoặc 266 MBytes/s với 64bit

 Configurability:

• hệ thống bus độc lập với processor

• cho phép định cấu hình tự động dễ dàng cho người sử dụng

 Multiple Master:

• bất kỳ thiết bị nào cũng có thể là chủ bus

• hỗ trợ cơ chế DMA

 Reliability:

• có tính Hot plug và Hot swap: khả năng thay đổi module mà khônglàm ảnh hưởng tới hoạt động của hệ điều hành

5.Đặc tính cơ bản của PCI:

 là cầu nối giữa bộ vi xử lý và bus mở rộng

 Khả năng giao tiếp tối đa 256 thiết bị

 là bus 32 bit với tốc độ 133MBytes/s

 có khả năng mở rộng 64 bit với tốc độ 266MBytes/s

 làm việc với hệ thống đa xử lý

 hỗ trợ nguồn 5V và 3.3V

 truyền dữ liệu liên tục với chiều dài bất kỳ

 tần số làm việc trong khoảng 0 đến 33MHz

 tín hiệu địa chỉ và dữ liệu được dồn kênh

 hỗ trợ ISA, EISA, MCA

 định cấu hình qua phần mềm và thanh ghi

 Đặc tính độc lập với bộ vi xử lý

6.Hoạt động

Bus PCI là bus của I486 trong đó dữ liệu và địa chỉ được gửi đi theo cách thứcdồn kênh, các đường địa chỉ và dữ liệu được dồn chung trên các đường của PCI.Cách này tiết kiệm được số chân PCI nhưng lại hạn chế tốc độ vì phải cần 2 xungclock cho một quá trình truyền dữ liệu ( 1 cho địa chỉ và 1 cho dữ liệu) Việc nốigiữa CPU, bộ nhớ chính, và bus PCI được thực hiện bằng cầu PCI, qua đó bus PCI

sẽ phục vụ cho tất cả các đơn vị của các bus PCI Tối đa là 10 thiết bị được nối tớibus PCI, trong đó cầu PCI được coi là một Chu kỳ bus của PCI đạt gần bằng tôc

độ chu kỳ bus của I486 Nó có thể hoạt động với độ rộng 32 bit dữ liệu và tốc độ33Mhz ( có thể đạt 64 bits với tốc độ 66MHz) Một điểm mạnh của PCI là dữ liệuđược truyền tải theo kiểu cụm, trong đó địa chỉ chỉ được truyền đi 1 lần, sau đó nó

sẽ được hiểu ngầm bằng cách cho các đơn vị phát hoặc thu đếm lên trong mỗi xungclock Do đó, bus PCI hầu như được lấp đầy bởi dữ liệu Tốc độ truyền tối đa trongkiều cụm có thể lên đến 120MBps

III PCI Express Kiến trúc Tổng quan

Bus PCI đã phục vụ trong 10 năm qua và nó sẽ đóng một vai trò quan trọng trong vài năm tới Tuy nhiên, ngày hôm nay và cả ngày mai bộ vi xử và thiết bị I/O đòi hỏi khắt khe hơn, phải ngày càng cao hơn cả I/O băng thông và PCI 2,2 hay PCI-

X đã thực hiện trước đó.Thời gian tới các kỹ sư sẽ tạo ra 1 thế hệ PCI mới để làm một bus I/O tiêu chuẩn cho thế hệ nền tảng tương lai.Đã có một số lỗ lực để tạo ra

hệ thống bus băng thông cao hơn và điều này dẫn đến các nền tảng máy tính hỗ trợ một loạt các ứng dụng cụ thể với bus PCI mở rộng và thiết bị I/O như trong hình

Các bộ xử lý hệ thống bus càng tiếp tục mở rộng trong cả hai mặt: tần số và điện

áp ở cùng một tốc độ sẽ hoàn thiện trong tương lai gần Băng thông bộ nhớ tăng lên để bắt kịp với các bộ vi xử lý.Thật vậy như hình trên chipset thường được phânvùng như là một trung tâm bộ nhớ và I/O từ bus bộ nhớ thường xuyên thay đổi với mỗi thế hệ bộ vi xử lý.một trong những chức năng chính của chipset này là để cô lập các bus biến đổi từ bus I/O ổn định

Theo điều tra lâu dài năm 1990 cho thấy công nghệ PCI có dấu hiệu giảm nhiều song song với điều đó là sự giới hạn thực hiện thực tế của nó như: nó không thể dễ dàng mở rộng lên ở tần số hoặc xuống ở điện áp, đồng bộ tốc độ chuyển dữ liệu của nó bị giới hạn tín hiệu và các quy tắc tín hiệu định tuyến của công nghệ

FR4.Tất cả các phương pháp tiếp cận để thúc đẩy các giới hạn này để tạo ra một băng thông cao hơn nhưng kết quả chung của I/O bus đều dẫn đến việc chi phí lớn nhưng lại đạt hiệu suất ít Các giải pháp của máy tính để bàn như hình trên chỉ là một phần của vấn đề phân kỳ tiêu chuẩn bus I/O địa phương.Để thông dụng hơn PCI đã được sử dụng trong các úng dụng không dự kiến trước các phần mở rộng của PCI có thể được tìm thấy trong máy tính để bàn, điện thoại di động, và các thiết bị thông tin liên lạc

Phần mềm ứng dụng ngày nay đòi hỏi nhiều hơn nền tảng phần cứng đặc biệt các

hệ thống I/O con Truyền dữ liệu từ các nguồn video và âm thanh phổ biến trên máy tính để bàn và máy di động và không hỗ trợ cơ bản cho dữ liệu này trong PCI 2.2 hay PCI-X.Các ứng dụng như video theo yêu cầu hay phân phối lại âm thanh bịhạn chế thời gian thực trên máy chủ

Nền tảng hiện nay một máy tính ví dụ máy tính để bàn ở hình dưới phải đối phó với việc đồng thời chuyển giao dữ liệu ngày càng tăng.Nó không còn chấp nhận được để điều khiển tất cả dữ liệu cùng một lúc và quan trọng hơn để xử lý dữ liệu trực tiếp từ lúc đầu tiên đến cuối cũng sẽ vô dụng nếu không có dữ liệu

Dữ liệu cần phải được”dán mác” để hệ thống I/O có thể ưu tiên lưu lượng của nó trong suốt quá trình xử lí

Ứng dụng,chẳng hạn như: “ Gigabit Ethernet và Infini Band “ yêu cầu băng thông cao hơn I/O.Một thế hệ I/O bus thứ 3 phải bao gồm các tính năng bổ sung cùng với băng thông tăng lên

Truyền đồng thời nhiều dữ liệu

Danh sách dưới đây tóm tắt yêu cầu cho một I/O bus địa phương thế hệ thứ 3

• Hỗ trợ nhiều phân khúc thị trường và các ứng dụng đang nổi

+Thống nhất I/O kiến trúc cho máy để bàn,di động , Sever, nền tảng truyền thống, Máy trạm thiết bị nhúng

+Chi phí thấp khối lượng lớn

• Tổ chức PCI ở cấp độ hệ thống

+ Mô hình PCI tương thích phần mềm

• Khởi động hệ điều hành hiện tại mà không cần bất cứ sự thay đổi gì, PCI tương thích cấu hình và thiết bị điều khiển giao diện

• Tính năng nâng cao

+ Hiểu các loại dữ liệu khác nhau, quản lí năng lượng ,Chất lượng dịch vụ, Hot Plug hỗ trợ Hot Swap.Tính toàn vẹn dữ liệu xử lí lỗi.Mở rộng, Cơ chế

cơ sở cho phép nhúng và Truyền thông ứng dụng

• Không mục tiêu

+ kết nối mạch lạc cho bộ vi xử lí, bộ nhớ kết nối, cáp kết nối

Tiến bộ mới trong tốc độ cao, chân thấp, số lượng, công nghệ

point-to-point cung cấp một cách thay thế hấp dẫn để cải thiện băng thông lớn một

PCI Express đa thả, cấu trúc liên kết bus song song có chứa một cầu nối máy chủ

và một số thiết bị đầu cuối (các thiết bị I/O) như trong hình Nhiều điểm-điểm kết nối mở đầu một phần tử mới, việc chuyển đổi thành các cấu trúc liên kết hệ

thống I/O cũng được hiển thị trong hình dưới Chuyển đổi thay thế bus multi-drop

và được sử dụng để cung cấp các fan-out cho bus I/O.Một chuyển đổi có thể cung cấp peer-to-peer giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối khác nhau và lưu lượng truy cập này, nếu nó không liên quan đến việc chuyển bộ nhớ cache, mạch lạc, không cần phải được chuyển tiếp đến cầu nối máy chủ Chuyển đổi được thể hiện như một yếu tố hợp lý riêng biệt nhưng nó có thể được tích hợp vào một thành phần cầu nối máy chủ

Các tín hiệu số thấp, điểm-điểm kết nối có thể được xây dựng với kết nối và cáp PCI Express mechanicals sẽ cho phép các lớp mới của phân vùng hệ thống

("hộp biege nhàm chán" là không còn cần thiết)

Một chuyển đổi được thêm vào cấu trúc liên kết hệ thống

Các nền tảng sử dụng kiến trúc PCI Express tiêu biểu cho 2004, Nhiều bus tương

tự song song của nền tảng hiện nay được thay thế bởi giao tiếp PCI Express liên kết với một hoặc nhiều làn đường. Liên kết mỗi cá nhân là khả năng mở rộng bằng cách thêm nhiều tuyến đường để băng thông bổ sung có thể được áp dụng cho các liên kết mà nó cho là cần thiết - chẳng hạn như đồ họa trong nền tảng

máy tính để bàn và cầu bus (ví dụ như PCI Express, PCI-X) trong nền

tảng máy chủ.

PCI Express chuyển đổi cung cấp khả năng fanout và cho phép một loạt các kết nối cho các add – in, hiệu suấtcao của I/O Chuyển đổi là một yếu tố hợp lý có thể được thực hiện trong một thành phần này còn có một cầu nối máy chủ , hoặc nó

có thể được thực hiện như là một thành phần riêng biệt.

PCI sẽ cùng tồn tại trong nhiều nền tảng để hỗ trợ các ứng dụng băng thông hiện

nay thấp hơn cho đến khi một nhu cầu hấp dẫn, chẳng hạn như là một yếu tố hình thức mới,gây ra một sự chuyển đổi đầy đủ với một nền tảng dựa trên đầy

đủ PCI Express.

Các nền tảng máy chủ yêu cầu hiệu suất I / O và bao gồm kết nối băng thông cao PCI Express liên kết đến các khe cắm PCI-X , Gigabit Ethernet và

InfiniBand Hình dưới cho thấy PCI Express làm thế nào cung cấp nhiều lợi

thế cho các máy chủ, vì nó làm cho hệ thống máy tính để bàn Sự kết hợp của PCI Express "bên trong hộp" I/O, và các loại InfiniBand cho "bên ngoài hộp" I/O và kếtnối cụm, cho phép máy chủ để chuyển đổi từ bus song song chia sẻ "để nối tiếp tốc

độ cao liên kết nối ”

PCI Express-based Server/Workstation System

Các nền tảng mạng truyền thông có thể sử dụng nhiều thiết bị chuyển mạch kếtnối tăng lên và chất lượng dịch vụ (QOS) cho sự khác biệt của các loại hình giao thông khác nhau Nó cũng sẽ được hưởng lợi từ nhiều PCI Express liên kết có thể được xây dựng như một hệ thống I/O mô-đun

PCI Express-Truyền thông mạng dựa trên hệ thống

IV Tìm hiểu Bus PCI Express

Cách đây không lâu, PCI còn là chuẩn tốt nhất để máy tính giao tiếp với các card chức năng mở rộng (sound, modem ) qua các khe cắm trên mainboard Nay, một chuẩn mới ra đời để đáp ứng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu ngày một tăng, đó là chuẩn PCI Express.

Tuy chuẩn này hiện chủ yếu ứng dụng cho card đồhọa nhưng có lẽ chẳng bao lâu nữa nó cũng sẽ đượcdứng dụng cho nhiều thiết bị khác Vì vậy, mộtmainboard có hỗ trợ PCI Express hay không cũng làmột điều đáng được xem xét để cân nhắc khi mua sắm

Thời gian gần đây có lẽ bạn nghe nhắc nhiều tới cụm từ pci express, nhất là khitìm hiểu các thông số kỹ thuật của một số loại mainboard hoặc card đồ họa đờimới có thể ở thời điểm hiện tại và trong tương lai sắp tới thì vấn đề có hỗ trợ pciexpress hay không sẽ ảnh hưởng nhiều tới quyết định khi lựa chọn trang bị phầncứng cho máy tính của bạn Có hai lý do khiến bạn nên quan tâm đến PCI-Express:Thứ nhất, chuẩn PCI cũ xuất hiện từ những năm 90 đã quá lạc hậu, do đó khôngcòn đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn về băng thông và tốc độ của các thiết bịmới Thứ hai, chuẩn AGP cũng có số phận tương tự khi đã phát triển đến ngưỡng

và xuất hiện những dấu hiệu lạc hậu, đồng thời các nhà sản xuất ngày càng tỏ ra ưu

ái và dần thay thế AGP bằng một giao tiếp vượt trội hơn - PCI Express Do đó cóthể dự đoán về một sự soán ngôi trong lãnh vực card đồ họa, và người dùng sẽ làđối tượng hưởng lợi mặc dù sẽ không còn nhiều lựa chọn như trước

1.Vấn đề băng thông

Hiện thời, PCI Express được chia làm nhiều loại ứng với từng tốc độ truyền tải

dữ liệu khác nhau là: 1x, 2x, 4x, 8x, 12x, 16x (và cả 32x), tất cả đều có băng thông

lớn hơn nhiều so với chuẩn PCI cũ Trong đó loại 4x, 8x và 12x sử dụng trong thịtrường máy chủ, còn 1x, 2x và 16x thì sử dụng cho người dùng thông thường.Bảng bên cạnh so sánh các loại này với nhau và với các chuẩn truyền tải dữ liệukhác:

Lưu ý: vì PCI Express là công nghệ dựa trên nền tảng tương tự (serial) nên dữ

liệu có thể truyền tải qua bus theo hai hướng, do đó con số trong ngoặc vuông làbăng thông tổng cộng theo cả hai hướng

2.Phân biệt PCI Express, AGP và PCI:

Chuẩn PCI Express có thể ứng dụng trongnhiều thiết bị khác, tuy nhiên tại thời điểm này

nó được sử dụng chủ yếu trong các loại card đồhọa Trong hình minh họa ở trang sau, bạn sẽthấy hình ảnh cụ thể về ba thế hệ card đồ họa sửdụng các chuẩn PCI, AGP và PCI Express16x Do card đồ họa PCI loại cũ rất hiếm trênthị trường nên ta chỉ quan tâm so sánh giữa card AGP và PCI Express mà thôi.Như bạn thấy, card PCI Express có hàng chân cắm bắt đầu và kết thúc bằng nhữngmiếng nhựa nhỏ và sẽ không được cắm hoàn toàn vào khe cắm trên mainboard.Đây là đặc điểm nhận dạng nổi bật nhất giúp phân biệt giữa card PCI Express vàAGP Và theo đó, bạn tuyệt đối không thể cắm một card PCI Express vào khe AGP

và ngược lại Điểm khác biệt thứ hai giúp bạn phân biệt card PCI Express và AGP

là số lượng khe trên hàng chân cắm Trên card PCI Express bạn thấy chỉ có mộtkhe, trong khi đó trên card AGP và PCI loại cũ có tới 2 khe Các loại card PCIExpress 1x và 4x có một số điểm khác biệt nhưng chúng đều rất hiếm và gần nhưkhông tìm thấy trên thị trường hiện thời Loại PCI Express 1x có chân cắm gầngiống với các thiết bị sử dụng khe AMR đã rất cũ, tuy nhiên trên thị trường linhkiện hiện giờ không có một loại mainboard nào có cả hai loại khe cắm là AMR vàPCI Express cả