Bussysteme im PC gras@aon.at 18.09.2018.

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1 Bussysteme im PC

2 Bussysteme im PC Was ist ein Bus? Bussysteme im PC
ISA PCI Cardbus (PCMCIA) AGP Prozessorbusse Bussysteme außerhalb des PCs USB FireWire

3 Bus kontra Punkt zu Punkt-Verbindung
Auf dem PC befinden sich viele Komponenten die miteinander verbunden werden müssen. Man hat sich aufgrund der hohen Anzahl der Verbindungen für eine gemeinsame Verbindung entschieden die alle Komponenten miteinander verbindet (Bus)

4 Woraus besteht ein Bus? Datenleitungen erledigen den Transport der Daten Adressleitungen codieren die Adresse „Haltestelle“ Steuerleitungen Steuern die Bus-Operationen (Lesen, Schreiben) Busmaster gibt Operation und Adresse vor Ablauf Lesen: Prozessor legt die Adresse auf den Adressbus Prozessor legt den Lesebefehl auf den Steuerbus Baugruppe registriert ihre Adresse und den Lesebefehl und legt die Daten auf den Datenbus Prozessor liest die Daten vom Datenbus Prozessor nimmt die Steuerinformationen vom Steuerbus Nächster Lese oder Schreibzyklus beginnt

5 Wie leistungsfähig ist ein Bus?
Bustakt gibt an wie oft Daten transportiert werden Datenbusbreite gibt an wie viele Bits bei einem Taktzyklus transportiert werden können Adressbusbreite bestimmt wie viele verschiedene Adressen codiert werden können (2Anzahl der Adressleitungen) Beipiel: 16 Adressleitungen – 64k Adressraum 20 Adressleitungen – 1M Adressraum 24 Adressleitungen – 16M Adressraum 32 Adressleitungen - 4G Adressraum 40 Adressleitungen – 1T Adressrraum

6 Bussystem Beispiel PC-AT
Steuerleitungen (Control) Datenleitungen Adress-leitungen

7 Langsame Bausteine brauchen mehrere Buszyklen
ISA-Bus 8.33MHz Bustakt 16 Datenleitungen 24 Adressleitungen

8 ISA Datenleitungen Interrupt-Requests (15x) Strom-versorgung
Adressleitungen Steuerleitungen (Read Write) DMA-Steuerleitungen (7x)

9 ISA-Bus Langsam (16,6 MByte/s)
Prozessor hängt direkt (über Puffer) am Bus langsame Bausteine brauchen wait-cycles und bremsen nicht nur den Bus sondern auch den Prozessor Busmaster ist die meiste Zeit der Prozessor. Aternativ dazu kann der DMA-Controller die Busmasterfunktion übernehmen

10 PCI Peripheral Component Interconnect 32 Bit Bus (Option 64Bit)
33MHz Takt (Option 66MHz) Jedes am Bus angeschlossene Device kann die Busmaster-Funktion übernehmen

11 PCI Signale zum Steuern des Datenflusses
32 Leitungen für Daten und Adressen gemeinsam 4 Interrupt -Leitungen Wer wird Busmaster? (Arbitation)

12 PCI Burst-Mode (schreiben)
Negative Flanke am FRAME-Signal startet einen Bus-Transfer PCI Burst-Mode (schreiben) Danach folgen Daten #Initiator-Ready und #Target-Ready können den Bus bei Bedarf bremsen Zuerst wird die Adresse geschickt (gleichzeitig auf C/BE der Transaktionstyp) Das Target bestätigt mit Dev-Sel das es bereit ist

13 PCI-Burst Mode (lesen)
Beim Lesen muss das Target die Daten senden nachdem es vom Initiator die Adresse bekommen hat Immer wenn sich die Senderichtung am Bus ändert wird ein sog. Turnarround-Zyklus eingelegt in dem keiner etwas sendet

14 PCI-Burst Mode Effizient für die Übertragung von Datenblöcken
ein Zyklus Adresse viele Zyklen Daten Weniger Leitungen (Adresse + Daten gemeinsam) Maximale Transferrate (theoretisch) 4Byte x 33MHZ = 132 Mbyte/s

15 PCI-Kommandos

16 PCI: Wer wird Busmaster ?

17 PCI: IRQ

18 PCI-Konfiguration PCI_Karten sollten vom PC automatisch konfiguriert werden. PCI-Karten können sich Interrupts teilen (Interrupt sharing) Jede PCI-Karte enthält einen „Configuration Space“ aus dem der PC Daten über die PCI-Karte ausgelesen kann, sowie Einstellungen auf der PCI-Karte vornehmen kann.

19 PCI-Varianten Busbreite Takt Spannung 32Bit (Standard)
64Bit (für Server) Takt 33MHz (Standard) 66MHz (für Server) 133MHz (PCI-X) 2x od. 4x 133MHz (PCI-X2.0) Spannung 5V (Standard) 3,3V 1,5V (PCI-X2.0)

20 Cardbus Ermöglicht Erweiterung von Notebooks
Angelehnt an PCI-Standard (32Bit,33Mhz) Kartenformat (so groß wie Scheckkarte) von PCMCIA definiert (Personal Computer Memory Card International Association)

21 AGP Accellerated Gaphics Port
Eigentlich kein Bus sondern nur ein Slot für 3D-Grafikkarten Ähnlich 66MHz PCI aber schneller 1x wie 66MHz PCI 2x 2x Daten Pro Takt 4x 4x Datenübertragung ProTakt Der AGP-Stecker darf nicht herausrutschen da es sonst zu Kurzschlüssen kommen kann (Achtung beim Transport!)

22 AGP - Varianten 2 Spannungsvarianten (1.5V und 3.3V) Heise News-Ticker: Grafikkarten gefährden Intel-Mainboards AGP-Pro (bis 110W statt 25W) Vorsicht alle PCI Slots + AGP zusammen max. 110W!

23 AGP Speicheraufteilung
AGP ermöglicht es der Grafikkarte einen Teil des Hauptspeichers für Texturen zu verwenden Wie viel Speicher für die AGP-Karte maximal freigegeben wird kann man mit AGP Aperture-Size im BIOS einstellen

24 Der Backside-Bus verbindet Prozessor und L2 Cache (innerhalb des Prozessorgehäuses)
Prozessorbusse Der Frontside-Bus verbindet den Prozessor mit der „Außenwelt“ Der Speicherbus stellt die Verbindung Chipsatz-Speicher her

25 IDE-Schnittstelle

26 IDE An einem   IDE-Kanal können nach der   ATA-1-Spezifikation bis zu zwei Geräte betrieben werden. Kabel für die IDE-Schnittstelle besitzen daher meist zwei Laufwerksanschlüsse. Die Signale sind an jedem Stecker gleich und unterscheiden sich in ihrer Signallogik nicht. Ein Gerät lässt sich somit beliebig am Ende des Kabels oder am mittleren Stecker anschließen. Die Signalqualität ist allerdings höher, wenn die Festplatte mit dem Strangende verbunden ist. Das IDE-Kabel ist durch das Gerät sauber abgeschlossen und terminiert. Hängt das Gerät nicht am äußeren Anschluss, finden am Kabelende Reflexionen statt. Zusätzlich wirken die einzelnen Signaladern wie Antennen und fangen Störungen ein. Die Datenintegrität der ATA-Signale sinkt. Vor allem bei den schnellen   UltraDMA-Betriebsarten mit kurzen Zykluszeiten empfiehlt die ATA-Spezifikation dringend den Anschluss am Kabelende. Beim Betrieb von zwei Geräten pro Kanal wird zwischen einem   Master-Laufwerk und einem   Slave-Laufwerk unterschieden. Die Bezeichnung Master/Slave ist dabei irreführend, weil sich die beiden Laufwerke weder gegenseitig beeinflussen noch eines von dem anderen kontrolliert wird. In den ATA-Spezifikationen finden sich deshalb die Bezeichnungen Device 0 (Master) und Device 1 (Slave). [46 kByte]    Bild 4: Vorbildliche Kennzeichnung für die korrekte Jumper-Belegung. Zwei zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten sollen Kompatibilitätsproblemen vorbeugen. Die Ansteuerung von Master oder Slave erfolgt mit Bit 4 des Laufwerksregisters. Der Wert Null des Bits adressiert das Device 0, eine Eins steht für Device 1. Damit die angeschlossenen Laufwerke auf dieses Bit reagieren können, muss an den Geräten die Einstellung als Device 0 und 1 getroffen sein. Hierfür befinden sich an ATA-Laufwerken immer zwei Steckbrücken für die Konfiguration als Master oder Slave. Erfolgt zum Beispiel ein Lesebefehl an das Master-Laufwerk, wird in die Laufwerksregistern das Bit 4 mit dem Wert Null geschrieben. Die internen Laufwerkselektroniken vergleichen nun Bit 4 mit der eigenen Jumper-Einstellung. Das als Master konfigurierte Laufwerk übernimmt den Lesebefehl, das Slave-Laufwerk ignoriert die Anweisung. An welchen Stecker die Master- und Slave-Festplatte am Kabel angeschlossen ist, spielt keine Rolle und ist beliebig. Befindet sich nur eine Festplatte am IDE-Kanal, muss es immer als Device 0 (Master) konfiguriert sein. Ältere Festplatten haben für diese Betriebsart manchmal noch eine zusätzliche Single-Einstellung. Das Booten ist, besonders bei älteren BIOS-Versionen, nur vom primären Master möglich. Ein modernes BIOS bietet dagegen oft die Wahl, von welchem Device gestartet werden soll. Fast alle IDE-Festplatten besitzen zusätzlich eine Cable-Select-Einstellung (CSEL). Mit dieser Konfiguration soll das Laufwerk selbst erkennen, ob es Device 0 oder 1 ist. In den ATA-Spezifikationen ist ein eigenes CSEL-Signal an Pin 28 vorhanden. Um Festplatten im CSEL-Modus zu betreiben, ist ein spezielles Kabel erforderlich. Es führt das Signal von Pin 28 nur bis zum ersten Stecker, am zweiten Stecker ist Pin 28 offen. Die angeschlossenen Laufwerke stellen sich abhängig vom Signal am Pin 28 selbstständig als Master und Slave ein. Der Cable-Select-Modus war Bestandteil der Microsoft-PC97-Spezifikation und sollte ein Plug&Play bei IDE-Festplatten ermöglichen. Wegen den kaum verfügbaren Spezialkabeln hat sich der Cable-Select-Modus aber bis heute nicht etabliert. (cvi)

27 IDE -Protokolle

28 IDE Ab Ultra-DMA 66 ist ein 80-poliges Flachbandkabel erforderlich

29 IDE

30 SCSI

31 SCSI Jedes Gerät hat eine ID ID 7 ist für den Controller reserviert
Der Bus muss abgeschlossen werden SCSI-Versionen: Pegel: Single Ended (unsymmetrisch) Differential (symmetrisch) Busbreite: 8 oder 16Bit Geschwindigkeit 5-100MByte/s

32 SCSI-Typen

33 Serial ATA 150MByte/s seriell (zukünftig doppelte und vierfache Bitrate geplant) Symmetrische Signalpegel +-250mV wie LVDS Punkt zu Punkt Verbindung

34 Serial ATA Ein Adernpaar für jede Richtung
Masseleitungen dazwischen schirmen die Datenleitungen

35 Serial ATA Voll Software-kompatibel zu ATA
Durch Adapter umsetzbar in ATA

36 USB Der USB ist angetreten um die Vielfalt der externen Verbindungen am PC zu vereinheitlichen Maus, Tastatur, Drucker, Scanner, Modem... Eine Schnittstelle für alle diese Verbindungen Nur 4 Leitungen sorgen beim Universal Serial Bus für die Verbindung 2 Leitungen für die Stromversorgung 2 Leitungen für die Daten

37 Im PC befindet sich der sog
Im PC befindet sich der sog. Root-Hub der die Busmaster-Funktion inne hat USB Obwohl man vom USB-Bus spricht ist die Verkabelung eigentlich nicht Busförmig sondern Baumförmig Nur der Signalfluss ist Busförmig (ein an einem Punkt eingespeistes Signal kommt bei allen an) An einen Hub können mehrere Geräte oder wieder ein Hub angeschlossen werden (max. 7 Hubs Hintereinander)

38 USB Um falsches Anstecken zu vermeiden ist der Rechnerseitige Stecker flach und der Geräteseitige Stecker quadratisch Hot Plugin heißt man kann USB-Geräte jederzeit an und abstecken Kabellänge maximal 5m Als Versorgung für Geräte ohne Netzanschluss stehen 5V zur Verfügung Der Hub muss mindestens 100mA bereitstellen. Bis zu 500mA können mit dem Hub ausgehandelt werden

39 Die Datenbits werden nacheinander (seriell) als Differenzspannung D+ D- übertragen.
USB Es werden Daten-Pakete gebildet deren Anfang und Ende gekennzeichnet sind

40 Ein Token-Paket wird vom PC an ein Gerät gesendet um dieses zur Antwort aufzufordern
USB Pakete Jedes Gerät hat eine 7- Bit-Adresse (maximal 127 Geräte am Bus) Das Gerät antwortet mit Datenpaketen Das Gerät kann aber auch mit einem Handshake-Paket Antworten z.B.: wenn es nichts zu senden hat

41 USB Geschwindigkeiten
Low speed (1,5 MBit/s) Full Speed (12 MBit/s) USB 2.0 zusätzlich High speed (480 MBit/s)

42 IEEE1394 Bus für Multimedia-Geräte (Camcorder, Digitalkamera, Settop-box, Digitaler Videorecorder, PC...) IEEE 1394a 100MBit/s; 200 Mbit/s; 400MBit/s IEEE 1394b 800MBit/s; (1,6GBit/s; 3,2GBit/s) Peer To Peer Protokoll (kein PC als Busmaster notwendig)

43 IEEE1394 Peer To Peer Netzwerk Datentransfer erfolgt zwischen den beteiligten Geräten direkt ohne einen PC zu belasten oder zu benötigen

44 IEEE1394 Kabel Bei der 4-Adrigen Ausführung sind die Stromversorgungs- adern weggelassen

45 Aufgabe Welche Erweiterungskarten können in PCI-Slots eingebaut werden?

46 Aufgabe Welche maximale Datenübertragungsrate in MByte/s erreichen:
ISA PCI PCI AGP 1x AGP 4x

47 Aufgaben PCI Suchen sie eine Netzwerkkarte für 32 Bit PCI aus
Suchen sie eine Netzwerkkarte für einen Server mit 64 bit PCI aus

48 Aufgaben PCI Zeichnen sie das Timing-Diagramm für einen PCI-Lesezugriff mit den Signalen Clk, Frame, AD, C/BE, Devsel, TRDY,IRDY (ohne Wartezyklen)

49 Aufgabe Recherchieren sie im Netz welchen Performanceunterschied AGP 4x gegenüber AGP 1x bringt

50 Aufgabe Suchen sie einen USB2.0 Hub aus Suchen sie eine IEEE1394 Schnittstellenkarte aus

51 Weiterführende Links