TRƯỜNG ĐH HỒNG ĐỨC KHOA CNTT&TT - - BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Đề tài: “Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính” SVTH : Bùi Hữu Giáp Lớp Đại học tin – K15 : MSV : Thanh Hóa, 11/2013 1261030003 TRƯỜNG ĐH HỒNG ĐỨC KHOA CNTT&TT - - BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Đề tài: “Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính” SVTH : Bùi Hữu Giáp Lớp : Đại học tin – K15 MSV : 1261030003 GVHD : Lê Thị Đình Thanh Hóa, 11/2013 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường, em học hỏi tiếp thu nhiều kiến thức chuyên ngành nhằm nâng cao vốn hiểu biết hành trang quí báu giúp chúng em vững bước vào đời Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giảng dạy chúng em suốt thời gian qua, khoa Công Nghệ Thông Tin truyền thông tất quý thầy cô trường Đại học Hồng Đức Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Lê Thị Đình - người tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực đề tài Tuy nhiên, dù cố gắng thời gian có hạn nên tiểu luận em khó tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn đểbài tiểu luận em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Thanh Hóa, 11/2013 Sinh viên thực Bùi Hữu Giáp MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ ĐƯỢC SỬ DỤNG ii PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Mục tiêu đề tài 1.2.2 Nhiệm vụ đề tài 1.3 Khách thể, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Khách thể nghiên cứu 1.3.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Các phương pháp nghiên cứu PHẦN II: NỘI DUNG 2.1 Khái niệm Bus 2.2 Lịch sử phát triển 1.2.1 Thế hệ 1.2.2 Thế hệ thứ hai 2.2.1 Thế hệ thứ ba 2.3 Chức thông số Bus 2.4 Hệ thống Bus máy tính 2.4.1 Bus vi xử lí Bus vi xử lí (Back Side Bus - BSB) 2.4.2 Bus hệ thống (Font Side Bus - FSB) 2.4.3 Bus vào (Bus mở rộng) 2.5 Cơ chế hoạt động 2.5.1 Nghi thức Bus (Bus protocol) 2.5.2 Bus Driver Bus Receiver 2.5.3 Trọng tài Bus (Bus arbitration) 5.3.1 Xử lí ngắt 11 2.6 Phân loại Bus 12 2.6.1 Bus đồng (Synchronous Bus) 12 2.6.2 Bus không đồng (Asynchronous Bus) 15 2.7 Một số cấu trúc Bus số chuẩn Bus mở rộng 17 2.7.1 Bus PC/XT 17 2.7.2 Bus ISA (Industry Standard Architecture) 17 2.7.3 Bus EISA (Extended ISA) 18 2.7.4 Bus MCA (Micro Channel Architecture) 18 2.7.5 Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) 19 2.7.6 Bus VL (VESA local Bus) 19 2.7.7 Bus nối tiếp đa USB (Universal Serial Bus) 19 2.7.8 Bus FireWire 20 PHẦN III: KẾT LUẬN 22 3.1 Đánh giá 22 3.2 Đề xuất 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 i CÁC HÌNH VẼ ĐƯỢC SỬ DỤNG Hình 1.Cách bố trí chipset điển hình Hình Back side Bus Hình Bus hệ thống Hình Trọng tài Bus tập trung có mức, mắc nối tiếp Hình 5.Trọng tài Bus tập trung mức mắc nối tiếp Hình Trọng tài Bus không tập trung MultiBus 10 Hình Bus PC/XT 17 Hình 8.Bus ISA 18 Hình Bus EISA 18 Hình 10 Bus MCA 18 Hình 11 Bus PCI 19 Hình 12.Bus VL 19 Hình 13 Bus nối tiếp đa USB 19 Hình 14 Bus FireWire 21 ii Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Ngày nay, máy tính điện tử trở thành vật dụng thiếu lĩnh vực đời sống, mang lại hiệu to lớn thời gian, nhân lực tiền bạc cho người Mỗi máy tính tạo nên từ nhiều thành phần, thiết bị linh kiện khác nhau, hoạt động với nguyên lí tinh vi phức tạp; có phối hợp nhịp nhàng, hoạt động ăn khớp thành phần để tạo nên thể thống Một thành phần quan trọng thường quan tâm biết đến máy tính hệ thống Bus Bus đóng vai trị cầu nối, đảm bảo giao tiếp, liên lạc giữ thành phần máy tính với Cũng giống hệ thống mạch máu thể người vận chuyển máu khắp thể, Bus giúp truyền tín hiệu khối CPU với nhau, CPU với thành phần bên máy tính, thành phần bên máy tính với nhau, thiết bị ngoại vi với CPU thiết bị ngoại vi với thành phần bên khác máy tính Để mang lại cho bạn hiểu biết sâu hệ thống Bus máy tính, hiểu tầm quan trọng hệ thống Bus máy tính mà tơi định lựa chọn đề tài “Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính” Để hiểu nắm vững hệ thống Bus máy tính, mời bạn tìm hiểu phần nội dung đề tài 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Mục tiêu đề tài Đề tài nghiên cứu vấn đề liên quan đến hệ thống Bus máy tính - hệ thống phụ chuyển liệu thành phần bên máy tính, máy tính với thiết bị ngoại vi Đề tài cung cấp cho bạn kiến thức sâu hệ thống Bus bao gồm: khái niệm, thông số Bus, chế hoạt động, phân loại… -1 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính 1.2.2 Nhiệm vụ đề tài - Hiểu nắm vững lịch sử phát triển hệ thống Bus máy tính - Hiểu nắm vững chức thông số Bus - Hiểu nắm vững chế hoạt động Bus - Hiểu nắm vững cách phân loại Bus - Hiểu nắm vững số cấu trúc chuẩn Bus mở rộng 1.3 Khách thể, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Khách thể nghiên cứu Mang lại cho tất người có thêm hiểu biết hệ thống Bus máy tính, hiểu tầm quan trọng hệ thống Bus máy tính 1.3.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Hệ thống Bus máy tính thuộc phịng thực hành trường đại học Hồng Đức 1.4 Các phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập tài liệu từ báo khoa học, trang web tin học số ebook đề tài nghiên cứu, giáo trình tài liệu học tập khác - Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu: từ tài liệu thu thập, tiến hành tìm hiểu, phân tích tồng hợp nội dung liên quan đến đề tài - Phương pháp chun gia: q trình nghiên cứu có góp ý, điều chinh từ giáo viên hướng dẫn - Phương pháp phân tích tổng hợp kinh nghiệm: sau trình tìm hiểu đúc kết kinh nghiệm, tiến hành tổng hợp hoàn thiện đề tài -2 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính PHẦN II: NỘI DUNG 2.1 Khái niệm Bus Mục đích Bus lưu thơng, vận chuyển tín hiệu, liệu Trong máy tính, người ta coi Bus kênh, tuyến - đường dẫn nội để truyền tín hiệu Vi xử lý phận khác, thiết bị thiết bị khác hệ thống máy tính Nói tóm lại, Bus tập hợp đường kết nối để vận chuyển thông tin từ thành phần đến thành phần khác hệ thống, hệ thống nói đến hệ thống máy tính 2.2 Lịch sử phát triển 1.2.1 Thế hệ Trong máy tính Bus bó dây gắn vào nhớ máy tính thiết bị ngoại vi Anecdotally gọi "thân số", chúng đặt tên theo Bus cung cấp điện, Busbar Hầu ln ln có Bus cho nhớ, nhiều Bus riêng biệt cho thiết bị ngoại vi Chúng truy cập cách hướng dẫn riêng biệt, với định thời giao thức hoàn toàn khác Một biến chứng việc sử dụng ngắt Các chương trình máy tính thực việc nhập/xuất cách chờ đợi vòng lặp thiết bị ngoại vi sẵn sàng Đây lãng phí thời gian cho chương trình có nhiệm vụ khác để làm Ngồi ra, chương trình cố gắng thực nhiệm vụ khác, q nhiều thời gian cho chương trình để kiểm tra lần nữa, dẫn đến liệu Kỹ sư bố trí cho thiết bị ngoại vi làm gián đoạn CPU Các ngắt phải ưu tiên, CPU thực thi mã cho thiết bị ngoại vi thời điểm, số thiết bị quan trọng thời gian thiết bị khác khác Hệ thống cao cấp giới thiệu ý tưởng điều khiển kênh, mà chủ yếu máy tính nhỏ dành riêng cho bàn giao đầu vào đầu Bus IBM giới thiệu chúng IBM 709 năm 1958, chúng trở thành -3 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính tính phổ biến tảng họ Các nhà cung cấp hiệu suất cao khác Control Data Corporation thực thiết kế tương tự Nhìn chung, điều khiển kênh làm để chạy tất hoạt động Bus nội bộ, di chuyển liệu CPU biết đến bận rộn nơi khác có thể, sử dụng ngắt cần thiết Điều giảm tải CPU nhiều, cung cấp hiệu suất hệ thống tổng thể tốt 1.2.2 Thế hệ thứ hai Các hệ thống Bus hệ thứ hai loại Bus NuBus mang đến số vấn đề Các hệ thống tách máy tính làm "bên", bên CPU nhớ, bên lại hệ thống thiết bị khác Bus điều khiển nhận liệu từ bên CPU chuyển đến bên nơi chứa thiết bị ngoại vi, chuyển gánh nặng giao thức truyền thông tin từ CPU Điều cho phép bên chứa CPU nhớ tách riêng biệt với thiết bị Bus Các thiết bị Bus liên lạc với mà không can thiệp CPU 2.2.1 Thế hệ thứ ba Các Bus Thế hệ thứ ba lên thị trường vào khoảng năm 2001, bao gồm HyperTransport InfiniBand Các Bus có khuynh hướng linh hoạt điều kiện kết nối vật lý, cho phép chúng dùng Bus nội (Bus trong) kết nối nhiều máy tính với Điều dẫn đến vấn đề phức tạp Bus đáp ứng phục vụ yêu cầu khác nhau, với nhiều công việc hệ thống liên quan đến thiết kế phần mềm, trái ngược với phần cứng Tóm lại, Bus hệ thứ ba giống mạng máy tính khái niệm Bus nguyên thủy, với giao thức cao nhu cầu so với hệ thống ban đầu, cho phép nhiều thiết bị sử dụng Bus thời điểm Các Bus Wishbone (Bus máy tính) phát triển phần cứng mã mở nhằm nỗ lực loại bỏ hạn chế mặt pháp lý sáng chế từ việc chế tạo máy tính 2.3 Chức thơng số Bus -4 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Một hoạt động chức máy tính truyền số liệu (data transfer) Sự hoạt động máy tính vi xử lí điều khiển Bộ vi xử lí chíp hỗ trợ khác đến lượt thường xuyên phải truyền số liệu phận ngồi chúng với Vì có nhiều phận, khối riêng rẽ thân chip đường truyền số liệu đa dạng, nên cách hợp lí ta khơng thể thực đường nối phận, khối đôi với mà ta nối chung tất lối vào khối riêng rẻ với lên hệ thống đường dẫn chung; hệ thống gọi Bus Các phận, khối nối lên Bus phải thỏa mãn số yêu cầu có khả cắt nối trở lại theo lệnh điều khiển Lúc output cắt khỏi Bus, trạng thái trở kháng cao (High impedance – Hi-Z) Quy tắc nghiêm ngặt truyền số liệu thời điểm, có output cấp số liệu Bus Do thời điểm, output thường phải đồng thời cấp số liệu cho nhiều input, cần phải có khả phát (source) mức logic cao nuốt vào (sink) mức logic thấp, dòng điện lên tới vài chục mA cấp cho input đó, đóng vai trị tải output Các thơng số Bus bao gồm: - Trở kháng Bus (KΩ): điện trở Bus Thường Bus có điện trở khoảng vài KΩ thỏa mãn yêu cầu output - Dung kháng Bus (pF): đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở tăng tốc độ biến thiên mức điện áp Bus Dung kháng Bus gây khó khăn cho thiết bị output, dung kháng xem thơng số đặc trưng Bus - Độ rộng Bus (Bit): Là số bit liệu tối truyền qua Bus chu kỳ liệu Bus Hay số bit liệu tối đa lần truyền - Tốc độ Bus (MHz): Là tốc độ truyền liệu tối đa Bus - Chu kỳ liệu xung nhịp: Là số chu kỳ xung clock cần thiết để truyền chu kỳ liệu -5 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Nếu có số thiết bị mức ưu tiên khác yêu cầu, trọng tài Bus phát tín hiệu cho phép u cầu có mức ưu tiên cao Trong số thiết bị có mức ưu tiên, thiết bị gần trọng tài Bus có quyền ưu tiên cao Một số trọng tài Bus có đường dây thứ ba nối tới thiết bị để thiết bị xác nhận việc nhận tín hiệu cho phép chiếm dụng Bus, gọi đường dây biên nhận acknowledgement (ACK) Ngay sau thiết bị phát tín hiệu tích cực đường dây ACK, trọng Bus đảo tín hiệu đường dây đường dây yêu cầu Bus cho phép dùng Bus thành mức khơng tích cực Kết thiết bị khác đòi hỏi chiếm dụng Bus thiết bị dùng Bus Khi kết thúc phiên làm việc thời, Bus master lựa chọn Cách làm việc làm tăng hiệu sử dụng Bus, cần thêm đường truyền tín hiệu ACK cấu trúc thiết bị phức tạp Các chip Motorola sử dụng Bus loại 5.3.2 Trọng tài Bus không tập trung Trong chế trọng tài Bus không tập trung, không cần sử dụng đơn vị riêng làm trọng tài Bus, nhờ giảm giá thành phần cứng Trong số loại máy tính khác nhau, người ta sử dụng vài kiểu trọng tài Bus theo chế Trọng tài Bus khơng tập trong multiBus Hình 6.Trọng tài Bus không tập trung MultiBus -10 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Trong MultiBus, người ta cho phép lựa chọn chế trọng tài Bus không tập trung không tập trung, chế trọng tài Bus không tập trung thực theo sơ đồ hình Trọng tài Bus khơng tập trung MultiBus Người ta sử dụng đường dây, không phụ thuộc vào số lượng thiết bị nối với Bus Bao gồm: + Yêu cầu chiếm dụng Bus (Bus request) + Trạng thái Bus (Bus Busy), Bus master đặt mức tích cực + Trọng tài Bus, mắc nối tiếp qua thiết bị Khi khơng có thiết bị u cầu chiếm Bus, đường dây trọng tài Bus truyền mức tích cực tới tất thiết bị Khi đơn vị muốn chiếm dụng Bus, kiểm tra Bus có rỗi khơng kiểm tra đầu vào đường trọng tài Bus, thấy có điện áp IN = 5V xin Bus cách đưa tín hiệu u cầu Bus (Request) xố tín hiệu OUT, tức đặt OUT = 0V Do thiết bị ưu tiên thấp không xin Bus Lúc trở thành Bus master 5.3.1 Xử lí ngắt Một chức quan trọng Bus xử lý ngắt Khi CPU lệnh cho thiết bị máy tính thực việc đọc, ghi hay xử lý tin, thường chờ đợi tín hiệu ngắt thiết bị I/O phát hồn thành cơng việc CPU yêu cầu Khi nhận tín hiệu ngắt, CPU đáp ứng ngay, việc nhận liệu thiết bị I/O chuyển về, việc tiếp tục gửi liệu tới thiết bị I/O CPU sử dụng Bus cho thao tác khác Như ngắt phát tín hiệu u cầu Bus Vì có nhiều thiết bị ngoại vi phát tín hiệu ngắt, cần có chế trọng tài giống Bus thông thường Giải pháp thường dùng gán mức độ ưu tiên cho thiết bị sử dụng trọng tài tập trung để trao quyền ưu tiên cho thiết bị sử dụng trongh tài tập trung để trao quyền ưu tiên cho thiết bị quan trọng thường xuyên sử dụng -11 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính 2.6 Phân loại Bus Người ta thường phân loại Bus theo ba cách: - Theo tổ chức phần cứng: phần loại dựa tổ chức phần cứng mà Bus làm việc Nói chung Bus có tổ chức phần cứng khác khơng tương thích với - Theo loại tín hiệu truyền Bus: tùy thuộc vào tín hiệu truyền Bus tín hiệu địa chỉ, liệu hay tín hiệu điều khiển mà người ta phân loại Bus tương ứng Bus địa chỉ, Bus liệu Bus điều khiển - Theo giao thức truyền thông: tùy thuộc vào Bus hoạt động có cần xung đồng (Bus clocking) hay không mà người ta phân Bus đồng (cần có xung đồng hoạt động được) Bus khơng đồng (có thể hoạt động mà khơng cần có xung đồng bộ) Để phối hợp hoạt động phận khác hệ thống, Bus phải tuân theo loạt tiêu chuẩn tín hiệu định thời Thuật ngữ Giao thức Bus muốn đề cập tới tiêu chuẩn Có hai giao thức Bus là: đồng khơng địng 2.6.1 Bus đồng (Synchronous Bus) Bus đồng có đường dây điều khiển bơ dao động thạch anh, tín hiệu đường dây có dạng sóng vng, với tần số thường nằm khoảng 5MHz - 50 MHz Mọi hoạt động Bus xảy số nguyên lần chu kỳ gọi chu kỳ Bus Giản đồ thời gian Bus đồng với tần số đồng hồ 4MHz, chu kỳ Bus 250nS - T1 bắt đầu sườn lên tín hiệu đồng hồ , phần thời gian T1, MPU đặt địa byte cần đọc lên Bus địa Sau tín hiệu địa thiết lập giá trị mới, MPU đặt tín hiệu Tín hiệu cịn tín hiệu tích cực (memory request, truy cập nhớ) thiết bị I/O; (Read) chọn Read -12 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính - T2 thời gian cần thiết để nhớ giải mã địa đưa liệu lên Bus liệu - T3 sườn xung xuống T3, MPU nhận liệu Bus liệu, chứa vào ghi bên MPU chốt liệu Sau MPU đảo tín hiệu Như kết thúc thao tác đọc, chu kỳ máy MPU thực thao tác khác - TAD : theo giản đồ thời gian, TAD≤110ns, thông số nhà sản xuất đảm bảo, MPU đưa tín hiệu địa khơng chậm 110ns tính từ thời điểm sườn lên T1 - TDS : Giá trị nhỏ 50ns, thông số cho phép liệu đưa ổn định Bus liệu 50ns trước thời điểm sườn xuống T3 Yêu cầu thời gian đảm bảo cho MPU đọc liệu liệu tin cậy Khoảng thời gian bắt buộc TAD TDS nói lên rằng, trường hợp xấu nhất, nhớ có 250 + 250+ 125 - 110 - 50 = 465ns tính từ thời điểm có tín hiệu địa đưa liệu Bus địa Nếu nhớ khơng đáp ứng đủ nhanh, cần phải phát tín hiệu xin chờ trước sườn xuống T2 Thao tác đưa thêm vào trạng thái chờ (wait state), nhớ đưa liệu ổn định, đảo tín hiệu thành WAIT - TML: Đảm bảo tín hiệu địa thiết lập trước tín hiệu 60ns Khoảng thời gian quan trọng tín hiệu điều khiển tạo tín hiệu chọn chip CS, số chip nhớ địi hỏi phải nhận tín hiệu địa trước tín hiệu chọn chip Như chọn chip nhớ với thời gian thiết lập 75ns - TM, TRL: Các giá trị bắt buộc đại lượng có ý nghĩa hai tín hiệu tích cực khoảng thời gian 85ns tính từ thời điểm xuống xung đồng hồ T1 Trong trường hợp xấu nhất, chip nhớ có 250 + 250 - 85- 50 = 365ns sau hai tín hiệu tích cực để đưa liệu -13 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Bus Sự bắt buộc thời gian bổ sung thêm bắt buộc thời gian với tín hiệu đồng hồ - TMH, TRH: Hai đại lượng cho biết cần có thời gian để tín hiệu đảo sau liệu MPU đọc vào - TDH: Cho biết nhớ cần phải lưu liệu Bus sau tín hiệu đảo Block Transfer, truyền tải khối liệu Ngoài chu kỳ đọc/ghi, số Bus đồng hỗ trợ truyền liệu theo khối Khi thao tác đọc/ghi bắt đầu, Bus master báo cho slave biết có byte cần truyền đi, sau slave liên tục đưa chu kỳ byte, đủ số byte thông báo Như vậy, đọc liệu theo khối, n byte liệu cần n+2 chu kỳ, thay cho 3n chu kỳ trước Cách khác làm cho Bus truyền liệu nhanh làm cho chu kỳ ngắn lại Trong ví dụ trên, byte truyền 750ns, Bus có dải thơng 1.33MBs Nếu xung đồng hồ 8MHz, thời gian chu kỳ nửa, giải thông 2.67MBs Tuy việc giảm chu kỳ Bus dẫn đến khó khăn mặt kỹ thuật, bit tín hiệu truyền đường dây khác Bus khơng phải ln có vận tốc, dẫn đến hiệu ứng, gọi Bus skew Khi nghiên cứu Bus cần phải quan tâm đến vấn đề tín hiệu tích cực nên mức thấp hay mức cao Điều tuỳ thuộc vào người thiết kế Bus xác định mức thuận lợi Ký Tham số Min Max TAD Thời gian trễ tín hiệu địa 110 TML Thời gian địa ổn định trước tín hiệu TM Thời gian trễ hiệu 60 so với sườn xuống tín 85 so với sườn xuống tín hiệu 85 hiệu đồng hồ T1 TRL Thời gian trễ -14 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính đồng hồ T1 TDS Thời gian thiết lập liệu trước sườn xuống tín 50 hiệu đồng hồ T3 TMH Thời gian trễ so với sườn xuống tín 85 so với sườn xuống tín hiệu 85 hiệu đồng hồ T3 TRH Thời gian trễ đồng hồ T3 TDH Thời gian lưu trữ liệu từ lúc đảo tín hiệu Bảng 1.Giá trị số thông số thời gian 2.6.2 Bus không đồng (Asynchronous Bus) Bus không đồng không sử dụng xung đồng hồ định nhịp Chu kỳ kéo dài tuỳ ý khác cặp thiết bị trao đổi tin khác Làm việc với Bus đồng dễ dàng định thời cách gián đoạn, đặc điểm dẫn đến nhược điểm Thứ là: công việc tiến hành khoảng thời gian bội số nhịp đồng hồ Bus, thao tác CPU hay nhớ hồn thành 3,2 chu kỳ phải kéo dài thành chu kỳ Điều hạn chế lớn chọn chu kỳ Bus xây dựng nhớ, I/O Card cho Bus khó tận dụng được tiến công nghệ Chẳng hạn sau xây dựng Bus với định thời trên, công nghệ đưa chip CPU chip nhớ có thời gian chu kỳ 100ns (thay cho 250ns cũ), chúng phải chạy với tốc độ thấp CPU chip nhớ loại cũ, nghi thức Bus đòi hỏi chip nhớ phải đưa liệu ổn định liệu trước thời điểm ứng với sườn xuống T3 Nếu có nhiều thiết bị khác nối với Bus, có số thiết bị hoạt động nhanh thiết bị khác cần phải đặt Bus hoạt động phù hợp với thiết bị chậm -15 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Bus không đồng đời nhằm khắc phục nhược điểm Bus đồng Minh hoạ hoạt động Bus không đồng bộ, master yêu cầu đọc nhớ Trước hết master cần phát địa nhớ mà muốn truy cập, sau phát tín hiệu tích cực để báo muốn truy cập nhớ khơng phải cổng I/O Tín hiệu cần thiết nhớ cổng I/O dùng chung miền địa Tiếp theo master phải phát tín hiệu tích cực để bên slave biết master thực thao tác đọc thao tác ghi Các tín hiệu đưa sau tín hiệu định địa tuỳ thuộc vào tốc độ master Sau hai tín hiệu ổn định, master phát tín hiệu đặc biệt, (Master SYNchronization) mức tích cực để báo cho slave biết tín hiệu cần thiết sẵn sàng Bus, slave nhận lấy Khi slave nhận tín hiệu này, thực cơng việc với tốc độ nhanh (nhanh chóng đưa liệu nhớ yêu cầu lên Bus liệu) Khi (Slave SYNchronization) tích cực hồn thành, slave phát tín hiệu Khi master nhận tín hiệu tích cực, biết liệu slave sẵn sàng thực việc chốt liệu, sau đảo đường địa tín hiệu và Khi slave nhận đảo tín hiệu chu kỳ kết thúc đảo tín hiệu thành khơng tích cực, biết Bây Bus lại trở lại trạng thái ban đầu, tín hiệu khơng tích cực, tất sẵn sàng chờ Bus master Việc đưa lên mức tích cực dẫn đến việc truyền liệu Bus liệu đồng thời dẫn đến việc slave phát tín hiệu lượt mình, tín hiệu hiệu tích cực Đến lại gây đảo mức đường địa chỉ, Cuối đảo mức lại gây đảo mức tín kết thúc chu kỳ đọc Full handshake -16 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Tập tín hiệu phối hợp với gọi Full handshake, chủ yếu gồm có kiện sau: đặt lên mức tích cực đặt tích cực để đáp lại tín hiệu được đảo để đáp lại tín hiệu được đảo để đáp lại tín hiệu thành khơng tích cực Ta nhận thấy Full handshake quan hệ nhân quả, độc lập với thời gian Nếu cặp master-slave hoạt động chậm thời gian bị kéo dài cặp master-slave không bị ảnh hưởng Tuy ưu điểm Bus không đồng rõ ràng, thực tế phần lớn Bus sử dụng loại Bus đồng Lý hệ thống sử dụng Bus đồng dễ thiết kế CPU cần chuyển mức tín hiệu cần thiết sang trạng thái tích cực chip nhớ đáp ứng ngay, khơng cần tín hiệu phản hồi Chỉ cần chip chọn phù hợp hoạt động trôi chảy 2.7 Một số cấu trúc Bus số chuẩn Bus mở rộng 2.7.1 Bus PC/XT Là Bus đời phục vụ cho VXL 8086 sở máy tính PC XT - Hoạt động tần số 4,47 MHz - Độ rộng bit liệu bit - Băng thông tối đa 8,83MBps - Có 20 đường địa quản lý 1MB nhớ - Khe cắm có hàng chân gồm 62 tiếp điểm Hình 7.Bus PC/XT 2.7.2 Bus ISA (Industry Standard Architecture) Đầu tiên, ISA bus 8bit (còn gọi PC bus) thiết kế cho mainboard máy tính XT/8088, với đặc tính sau: - Độ rộng bus liệu bit - Làm việc với tần số 4.77MHz (bằng tần số xung clock vi xử lý) -17 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính - Tốc độ truyền liệu CPU thiết bị ngoại vi lMBps - Khe mở rộng ISA gồm 62 chân (31 chân cạnh) gồm đưòng dây đất, đường dây nguồn, hai mươi đường dây địa chỉ, đường dây liệu (8bit), 10 đưịng dây tín hiệu ngắt 16 đường dây tín hiệu điều khiển Card mở rộng thiết kế tương thích Hình 8.Bus ISA gồm 62 chân Sau bus ISA cải tiến để phù hợp với yêu cầu máy tính AT/80286: - Độ rộng bus liệu 16 bit - Tần số làm việc: 8MHz - Tốc độ truyền dừ liệu: 5MBps - Khe cắm gồm hai đoạn tách rời nhau: đoạn 62 chân bus XT đoạn 36 chân nhằm cung cấp thêm 8bit cho bus liệu, đường dây tín hiệu ngắt, đơi u cầu báo nhận DMA, đường địa số đường điều khiển khác Như vậy, khe cắm gồm 98 chân, tương thích với bus XT cũ 2.7.3 Bus EISA (Extended ISA) Đây chuẩn mở rộng ISA - Hoạt động tần số 8,83 MHz - Độ rộng bit liệu 32 - Băng thông tối đa khoảng 33,32 MBps - Có 24 đường địa đường mở rộng đến 4GB nhớ Hình 9.Bus EISA EISA tương thích hồn tồn cho ISA 2.7.4 Bus MCA (Micro Channel Architecture) Chuẩn IBM cơng bố vào thang năm 1987, khơng tương thích với Bus ISA - Có thể hoạt động với 32 bit liệu - Tần số hoạt động 10 MHz - Băng thơng đạt 20 MBps Hình 10.Bus MCA -18 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính 2.7.5 Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) Là loại Bus có tốc độ tương đối cao phổ biến thay cho ISA EISA Và Bus cục bộ: - Hoạt động tần số 33 MHz, sau nâng cấp lên 66 MHz (phiên PCI 2.1) - Độ rộng bit liệu 32 64bit - Băng thông tối đa khoảng 66 MBps Hình 11.Bus PCI - Bus kết nối với Bus vi xử lí thơng qua chip cầu nối đặc biệt cầu PCI - Cho phép thiết kế tối đa cổng mở rộng Thơng thường có đến khe cắm mạch là: card hình, điều khiển ổ đĩa, cầu chuyển sang ISA mạch khác 2.7.6 Bus VL (VESA local Bus) Bus VL giống PCI Bus VL hoạt động tần số 50MHz băng thơng cực đại lên tới 107Mbps Về băng thông Bus VL PCI cao lý phụ thuộc xung nhịp vi xử lí nên tránh Hình 12 Bus VL tượng thắt cổ chai” 2.7.7 Bus nối tiếp đa USB (Universal Serial Bus) Là công nghệ phát triển nhanh chóng trở thành chuẩn giao tiếp ngoại vi thông dụng Là giao diện mạnh, đơn giản đễ sử dụng, kết nối 127 thiết bị theo kiểu nối tiếp Ở chuẩn USB 2.0: - Băng thông tối đa đạt 480Mbps, chuẩn USB thông dụng Hình 13.Bus nối tiếp đa USB -19 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính - Cáp USB gồm sợi nguồn (+5V & dây chung GND) cặp gồm sợi dây xoắn để mang liệu - Một Cable USB dài 5m, dùng USB Hub có cấp nguồn riêng biệt kéo dài 30m Và chuẩn USB 3.0: - Được mệnh danh “siêu tốc độ” với tốc độ nhanh gấp 10 lần chuẩn USB 2.0, đạt gần 5Ghz - Không giống với USB 2.0 liệu truyền hướng thời điểm xác định USB 3.0 lại có khả đọc ghi liệu đồng thời Để làm kiểu này, nhà sản xuất thêm kết nối (2 để truyền để nhận liệu) nâng tổng số kết nối lên (so với USB 2.0) - USB 3.0 thiết kế với hiệu suất cải thiện so với người tiền nhiệm Khi bắt đầu dòng điện tăng từ 500 tới 900 mA Điều giúp làm tăng tính ổn định, cho phép máy tính bạn USB hub kết nối tới nhiều thiết bị ngoại vi - Có khả tương thích ngược với chuẩn USB 2.0 Nếu buộc phải hoạt động với thiết bị 2.0 tốc độ truyền tải đạt tốc độ tối đa mà chuẩn 2.0 cho phép Và nhất, ngày 2/8/2013, tổ chức USB 3.0 Promoter Group phê duyệt đặc tả USB 3.1 với tốc độ trao đổi liệu lên đến 10 Gb/giây – gấp đơi chuẩn USB 3.0 trước USB 3.1 có khả tương thích ngược với chuẩn USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 trước 2.7.8 Bus FireWire Firewire hay gọi IEE-1394 Bus cho phép thiết bị ngoại vi trao đổi liệu với máy tính theo kiểu nối tiếp Băng thơng tối đa đạt 400Mbps, Bus nối tiếp nhanh sau USB 2.0 -20 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính Một Bus Firewire nối tối đa 63 thiết bị ngoại vi với Để kết nối với máy tình qua chuẩn IEEE-1394 cần phải có card mạng (NIC) cho máy có máy phải cần hub switch Hình 14 Bus FireWire -21 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính PHẦN III: KẾT LUẬN 3.1 Đánh giá Chiếc máy tính ngày có vô số cải tiến: thông minh hơn, nhỏ gọn hơn, tốc độ nhanh hơn, hiệu vượt trội hơn, tiết kiệm lượng hơn, Để đáp ứng yêu cầu đó, hệ thống Bus phải cải tiến không ngừng Hàng loạt chuẩn giao tiếp đời với kích thước nhỏ gọn hơn, tính tương thích cao hơn, tốc độ truyền tải tăng lên đáng kể, độ trễ độ cản trở hạn chế tối đa Việc nắm bắt cải tiến giúp dễ dàng việc lựa chọn thiết bị phần cứng phù hợp với chuẩn giao tiếp mà máy tính thân yêu hỗ trợ, từ giúp tận dụng tối đa tiến khoa học công nghệ đồng thời tiết kiệm chi phí mang lại hiệu sử dụng tối đa Dưới hướng dẫn Lê Thị Đình, tơi thực đề tài để mang tới cho bạn cách tiếp cận vấn đề “Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính” đơn giản hiệu Như nói trên, đề tài tơi tiêu biểu số nhiều cách thức tiếp cận vấn đề “Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính” thực có hiệu quả, mang lại hiểu biết sâu hơn, đồng thời giúp người có cách nhìn đắn vè vị trí vai trị hệ thống Bus máy tính Tuy có hạn hẹp mặt thời gian vả trình độ với đề tài này, tơi cố gắng để hoàn thành yêu cầu đặt ra, bao gồm: - Khái quát ba hệ phát triển hệ thống Bus máy tính - Trình bày chức thông số đặc trưng Bus - Phân biệt Bus vi sử lí, Bus sử lí, Bus hệ thống Bus mở rộng - Khái quát các chế hoạt động Bus - Phân loại Bus theo giao thức truyền thông -22 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính - Đưa thơng tin hình ảnh thực tế cấu trúc Bus mở rộng thông dụng 3.2 Đề xuất Đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho sinh viên ngành công nghệ thông tin học tập môn phần cứng máy tính như: Kiến trúc máy tính, bảo trì hệ thống,… -23 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy tính TÀI LIỆU THAM KHẢO - http://vi.wikipedia.org/wiki/Bus_(máy tính) - Ngơ Như Khoa, Giáo trình kiến trúc máy tính - Lê Thị Đình, Bài giảng kiến trúc máy tính – Đại học Hồng Đức -24 GVHD: Lê Thị Đình SVTH: Bùi Hữu Giáp ... bạn hiểu biết sâu hệ thống Bus máy tính, hiểu tầm quan trọng hệ thống Bus máy tính mà tơi định lựa chọn đề tài ? ?Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính? ?? Để hiểu nắm vững hệ thống Bus máy tính, ... cứu Mang lại cho tất người có thêm hiểu biết hệ thống Bus máy tính, hiểu tầm quan trọng hệ thống Bus máy tính 1.3.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Hệ thống Bus máy tính thuộc phịng thực hành trường... cận vấn đề ? ?Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính? ?? đơn giản hiệu Như nói trên, đề tài tiêu biểu số nhiều cách thức tiếp cận vấn đề ? ?Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống Bus máy vi tính? ?? thực có