Οργάνωση και Αρχιτεκτονική υπολογιστών ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (Ι/Ο)

Transcript

1 Λειτουργία Υπολογιστών μέρος 2 Οργάνωση και Αρχιτεκτονική υπολογιστών Καθηγητής Ευριπίδης Γλαβάς eglavas@teiep.gr Ώρες συνεργασίας: Δευτέρα και Τετάρτη μετά την διάλεξη William Stallings Computer Organization and Architecture ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (Ι/Ο) Η αρχιτεκτονική Ι/Ο του Η/Υ αποτελεί τη διασύνδεσή του με τον έξω κόσμο Γιατί δεν συνδέονται τα περιφερειακά απευθείας στο δίαυλο του συστήματος: Η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων είναι συχνά πολύ μικρότερη απ αυτή της μνήμης και του επεξεργαστή. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία περιφερειακών με διαφόρους τρόπους λειτουργίας. Μη πρακτική η ενσωμάτωση στον επεξεργαστή των λογικών κυκλωμάτων για τον έλεγχο όλων των περιφερειακών. Τα περιφερειακά συχνά χρησιμοποιούν διαφορετικές μορφές δεδομένων και μήκη λέξεων Επιπλέον, ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ορισμένων περιφερειακών συσκευών είναι μεγαλύτερος από εκείνο της μνήμης ή του επεξεργαστή. Επομένως θα υπάρξει μία ανισορροπία που αν δεν την διαχειριστούμε σωστά, θα οδηγήσει σε όχι καλή απόδοση. 1

2 Δομή Διασύνδεσης Δίαυλοι Όλες οι υπομονάδες πρέπει να διασυνδέονται μεταξύ τους. Δομή Διασύνδεσης: Το σύνολο των οδών διασύνδεσης που ενώνει τις διάφορες υπομονάδες μεταξύ τους. Ένας Δίαυλος (bus) είναι ένας διάδρομος επικοινωνίας ο οποίος συνδέει δύο ή περισσότερες συσκευές. Ένας δίαυλος αποτελείται από πολλές διαδρομές επικοινωνίας ή γραμμές. Κάθε γραμμή είναι σε θέση να μεταφέρει σήματα που αναπαριστούν το δυαδικό ψηφίο 1 ή το 0. Βασικό χαρακτηριστικό διαύλου: Πρόκειται για κοινόχρηστο μέσο μετάδοσης. Πολλές συσκευές συνδέονται πάνω σε έναν δίαυλο και ένα σήμα το οποίο μεταδίδεται από οποιαδήποτε συσκευή είναι διαθέσιμο προς λήψη από όλες τις άλλες συσκευές που συνδέονται στον δίαυλο. Αν δύο συσκευές μεταδίδουν κατά την ίδια περίοδο, τα σήματα τους θα επικαλυφθούν και θα αλλοιωθούν. Άρα μόνο μία συσκευή μεταδίδει δεδομένα κάθε t. Παραδείγματα μονάδων με τις απαραίτητες διασυνδέσεις Η θέση για την πράξη, καθορίζεται από μία διεύθυνση. Η μοναδική διεύθυνση, εκχωρείται σε μία θύρα (port), η οποία μας βοηθάει κατά την αναφορά σε κάθε ένα από τα ενδιάμεσα κυκλώματα, με μία εξωτερική συσκευή. Μια υπομονάδα μνήμης αποτελείται από Ν λέξεις ίδιου μήκους με μία μοναδική αριθμητική διεύθυνση (0,1,.,Ν-1) για κάθε λέξη. Μια λέξη δεδομένων μπορεί να αναγνωσθεί ή να εγγραφεί στην μνήμη καθορίζεται από τα σήματα ελέγχου Read, Write. Μια Υπομονάδα Ι/Ο είναι λειτουργικά παρόμοια με την μνήμη όσον αφορά το σύστημα του Η/Υ. Μπορεί να ελέγχει μία ή περισσότερες εξωτερικές συσκευές στην οποία εκχωρεί μία μοναδική διεύθυνση. 2 λειτουργίες: read, write Ο επεξεργαστής δέχεται (διαβάζει) εντολές και δεδομένα, εξάγει και εγγράφει δεδομένα, χρησιμοποιεί σήματα ελέγχου για τον έλεγχο όλης της λειτουργίας του συστήματος και δέχεται σήματα διακοπής 2

3 Με το πέρασμα των χρόνων, έχει δοκιμαστεί ένα πλήθος από δομές διασύνδεσης. Οι πιο δημοφιλής, με διαφορά είναι: 1. Η δομή διαύλου και οι διάφορες δομές πολλαπλών διαύλων και 2. Οι δομές διασύνδεσης από σημείο σε σημείο(point to point), με μετάδοση δεδομένων σε μορφή πακέτων. Οι πρώτοι προσωπικοί υπολογιστές είχαν έναν και μοναδικό εξωτερικό δίαυλο τον δίαυλο συστήματος (system bus). Αποτελούνταν από 50 έως 100 χάλκινους αγωγούς χαραγμένους στην μητρική πλάκα. - Γραμμές ελέγχου - Γραμμές Διευθύνσεων - Γραμμές Δεδομένων Δίαυλος Πιθανόν να υπάρχουν και γραμμές διανομής ισχύος, οι οποίες παρέχουν ρεύμα στις συνδεδεμένες συσκευές. Το εύρος του διαύλου δεδομένων είναι καθοριστικής σημασίας για την απόδοση του συστήματος. Το εύρος του διαύλου διευθύνσεων καθορίζει τη μέγιστη δυνατή ποσότητα μνήμης του συστήματος. Οι γραμμές ελέγχου μεταδίδουν πληροφορίες ελέγχου του διαύλου και των συνδεδεμένων συσκευών και πληροφορίες χρονισμού. 3

4 ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Παρέχουν το μονοπάτι για τη διακίνηση των δεδομένων ανάμεσα στις μονάδες του υποσυστήματος. Αυτές οι γραμμές συνολικά, καλούνται δίαυλος δεδομένων (Data Bus).O δίαυλος αυτός, είναι δυνατόν να αποτελείται από 32,64,128 ή και περισσότερες ξεχωριστές γραμμές,το πλήθος των οποίων αναφέρεται και ως εύρος του διαύλου δεδομένων. Κάθε γραμμή μεταφέρει μόνο 1 bit σε κάθε χρονική στιγμή,επομένως αν γνωρίζουμε το πλήθος των γραμμών,μπορούμε να προσδιορίσουμε και πόσα bits είναι δυνατόν να μεταφέρονται κάθε χρονική στιγμή. ΓΡΑΜΜΕΣ ΔΙΕΥΘΥΝΣΕΩΝ Χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν την πηγή ή τον προορισμό των δεδομένων τα οποία βρίσκονται στον δίαυλο δεδομένων αλλά και για την διευθυνσιοδότηση των θυρών Ι/Ο.Τυπικά τα πιο σημαντικά bits χρησιμοποιούνται για την επιλογή μίας μονάδας πάνω στον δίαυλο ενώ τα λιγότερο σημαντικά bits χρησιμοποιούνται για την επιλογή μίας θέσης μνήμης ή θύρας I/O,εντός της μονάδας. ΓΡΑΜΜΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν την προσπέλαση προς τα δεδομένα καθώς και την χρήση των δεδομένων αλλά και των γραμμών διεύθυνσης. Επειδή οι γραμμές δεδομένων και διεύθυνσης μοιράζονται ανάμεσα σε όλα τα στοιχεία, θα πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος ελέγχου της χρήσης τους. Τα σήματα ελέγχου μεταδίδουν τόσο πληροφορίες εντολών όσο και πληροφορίες χρονισμού,ανάμεσα στις μονάδες του συστήματος. Τα σήματα χρονισμού δείχνουν την εγκυρότητα των δεδομένων και των πληροφοριών διεύθυνσης. Τα σήματα εντολών προσδιορίζουν τις λειτουργίες οι οποίες πρόκειται να εκτελεστούν. Τα συστήματα υπολογιστών περιέχουν ένα αριθμό διαφορετικών διαύλων, οι οποίοι διατάσσονται με μία ιεραρχία Τοπικός δίαυλος Ενδιάμεση Μνήμη Τοπικός ελεγκτής Ι/Ο Τυπική παραδοσιακή δομή ISA με cache Δίαυλος συστήματος Δίαυλος επέκτασης 4

5 SCSI: Small Computer System Interface. Είναι ένας τύπος διαύλου που χρησιμοποιείται για την υποστήριξη τοπικών οδηγών δίσκου και άλλων περιφερειακών Μία σειριακή θύρα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη ενός εκτυπωτή ή ενός σαρωτή εικόνας(scanner). Τα περισσότερα συστήματα υπολογιστών χρησιμοποιούν πολλαπλούς διαύλους, Οι οποίοι γενικά διατάσσονται σύμφωνα με μία ιεραρχία. Προκειμένου το σύστημα να υποστηρίξει μία μεγάλη ποικιλία συσκευών I/O και ταυτόχρονα να απομονώσει την κυκλοφορία δεδομένων από τη μνήμη στον επεξεργαστή από την ανταλλαγή δεδομένων I/O, είναι δυνατό να συνδεθούν ελεγκτές I/O απευθείας στον δίαυλο του συστήματος, και μπορούμε να έχουμε παραπάνω από έναν. Αυτή η αρχιτεκτονική διαύλου είναι αρκετά αποδοτική, αλλά αρχίζει να παρουσιάζει αδυναμία καθώς οι συσκευές I/O γίνονται όλο και πιο αποδοτικές. Σε απόκριση αυτών των απαιτήσεων, μία κοινή προσέγγιση από την βιομηχανία είναι η κατασκευή ενός διαύλου υψηλής ταχύτητας ο οποίος είναι στενά συνδεδεμένος με το υπόλοιπο σύστημα και απαιτεί μόνο μία γέφυρα μεταξύ του διαύλου του επεξεργαστή και του διαύλου υψηλής ταχύτητας. 5

6 Τα συστήματα υπολογιστών περιέχουν ένα αριθμό διαφορετικών διαύλων, οι οποίοι διατάσσονται με μία ιεραρχία 6

7 Τύποι Διαύλων Οι γραμμές Διαύλων μπορούν να διακριθούν σε δύο τύπους τις Αφοσιωμένες και τις Πολυπλεγμένες Αφοσιωμένος Δίαυλος Ξεχωριστές γραμμές για δεδομένα και διευθύνσεις. Μια αφοσιωμένη γραμμή διαύλου είναι μόνιμα εκχωρημένη είτε σε μία λειτουργία (δεδομένα και διευθύνσεις) είτε σε ένα φυσικό σύνολο υπομονάδων του υπολογιστή. Πολυπλεγμένος Δίαυλος (πολύπλεξη χρόνο) Δεδομένα και διευθύνσεις μεταδίδονται από τις ίδιες γραμμές. Γραμμή ελέγχου που προσδιορίζει εάν οι πληροφορίες στις γραμμές είναι διευθύνσεις ή δεδομένα. Πλεονεκτήματα: λιγότερες γραμμές οκονομία χώρου και ίσως και κόστους Μειονεκτήματα: απαιτούνται πολύπλοκα κυκλώματα πιθανή μείωση επιδόσεων Η φυσική αφοσίωση αναφέρεται στην χρήση πολλαπλών διαύλων, καθένας από τους οποίους συνδέεται μόνο με ένα υποσύνολο των υπομονάδων. Τυπικό παράδειγμα αποτελεί η χρήση του διαύλου I/O για την διασύνδεση όλων των υπομονάδων I/O. Αυτός ο δίαυλος συνδέεται κατόπιν με τον κύριο δίαυλο μέσω κάποιου είδους υποομάδας διασύνδεσης I/O. Έτσι έχουμε μεγαλύτερη απόδοση μετάδοσης(λόγω μικρότερης συμφόρησης του διαύλου) αλλά αυξημένο κόστος του συστήματος. Διατησία Διαύλου: Επειδή μόνο μία μονάδα μπορεί να εκπέμψει δεδομένα μέσω του διαύλου είναι απαραίτητη μία μέθοδο διαιτησίας. Μπορούμε να ταξινομήσουμε τις διάφορες μορφές διατησίας ως κεντρικές και ως κατανεμημένες Παραχώρηση Διαύλου Διαιτητής Αίτηση διαύλου Η παραχώρηση του διαύλου Μπορεί να διαδοθεί ή όχι κατά μήκος της αλυσίδας Συσκευές εισόδου εξόδου Διαιτητής Αίτηση διαύλου επιπέδου 1 Αίτηση διαύλου επιπέδου 2 Παραχώρηση επιπ. 2 Παραχώρηση Διαύλου επιπέδου1 Κεντρικός διαιτητής διαύλου με αλυσιδωτή σύνδεση ενός (a) και δύο επιπέδων (b) 7

8 Σε μία διάταξη με κεντρική διαιτησία, μία συσκευή, που ονομάζεται ελεγκτής διαύλου(buss controller ή arbiter) είναι υπεύθυνη για την εκχώρηση χρόνου ελέγχου του διαύλου στις υπομονάδες. Η συσκευή αυτή μπορεί να είναι μία ξεχωριστή υπομονάδα, ή να είναι μέρος του επεξεργαστή. Στην κατανεμημένη διευθέτηση, δεν υπάρχει κεντρικός ελεγκτής. Αντίθετα, κάθε υπομονάδα περιέχει λογικά κυκλώματα ελέγχου πρόσβασης και οι υπομονάδες ενεργούν μαζί για να μοιράζονται τον δίαυλο. Και με τις δύο μεθόδους διαιτησίας, ο σκοπός είναι να οριστεί μία συσκευή, είτε ο επεξεργαστής είτε μία υπομονάδα I/O,ως «αφέντης» του διαύλου. Ο «αφέντης» μπορεί να αρχίσει τότε μία μεταφορά δεδομένων(π.χ. ανάγνωση ή εγγραφή) μαζί με κάποια άλλη συσκευή, η οποία ενεργεί ως «δευτερεύουσα» (slave) για αυτή την συγκεκριμένη ανταλλαγή δεδομένων. Αποκεντρωμένη διαιτησία διαύλου Αίτηση διαύλου Απασχολημένος Γραμμή Διαιτησίας Για να αποκτήσει τον δίαυλο μία συσκευή θα πρέπει το in στην γραμμή διαιτησίας να είναι θετικό 8

9 Χρονισμός Διαύλου Σύγχρονος και Ασύγχρονος Δίαυλος Ένας σύγχρονος δίαυλος έχει μία γραμμή που οδηγείται από έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή. Το σήμα στην γραμμή αυτή είναι ένας τετραγωνικός παλμός. Ο δίαυλος ISA που υπάρχει σε όλα τα PC δουλεύει στα 8,33 MHz, ο δημοφιλής PCI δουλεύει στα 33 ή 66 ή 133 MHz. Ό ασύγχρονος δίαυλος δεν έχει κύριο ρολόι. Οι κύκλοι του διαύλου μπορούν να έχουν οποιοδήποτε μήκος χρειάζεται και δεν είναι απαραίτητο να είναι ίδιοι μεταξύ όλων των ζευγών συσκευών. Ο χρονισμός είναι ο τρόπος με τον οποίο τα γεγονότα συντονίζονται πάνω στον δίαυλο. Ο σύγχρονος δίαυλος καθορίζει την εμφάνιση των γεγονότων από ένα ρολόι ενώ στον ασύγχρονο δίαυλο η εμφάνιση ενός γεγονότος ακολουθεί και εξαρτάται από ένα προηγούμενο γεγονός. Διασύνδεση από σημείο σε σημείο Για πολλές δεκαετίες, η αρχιτεκτονική κοινόχρηστου διαύλου, ήταν η βασική διασύνδεση ανάμεσα στον επεξεργαστή και σε άλλα στοιχεία (μνήμη, Ε/Ε ) Σήμερα τα συστήματα βασίζονται σε διασύνδεση από σημείο σε σημείο Προβλήματα σε θέματα ηλεκτρισμού όσο αυξάνονταν η συχνότητα. Η διασύνδεση από σημείο σε σημείο έχει : 1) Μικρότερη επιβάρυνση 2) Μεγαλύτερο ρυθμό δεδομένων & 3) Καλύτερη επεκτασιμότητα 9

10 Διασύνδεση από σημείο σε σημείο QPI Quick path interconnect Ένας υπολογιστής με πολλαπλούς πυρήνες. Οι σύνδεσμοι με QPI απεικονίζονται με ζεύγη τόξων στο σχήμα σχηματίζουν μια δομή που επιτρέπει τη μετακίνηση των δεδομένων μέσα στο δίκτυο. Επίσης είναι δυνατή η υλοποίηση άμεσων συνδέσεων QPI ανάμεσα σε κάθε ζεύγος πυρήνων. Αν ο πυρήνας Α χρειάζεται να προσπελάσει τον ελεγκτή μνήμης του πυρήνα D στέλνει αίτηση μέσω του πυρήνα Β είτε μέσω του πυρήνα C, οι οποίοι θα πρέπει να προωθήσουν την αίτηση στον ελεγκτή μνήμης του D. Αυτή η διαδικασία μπορεί να γίνει και στα μεγαλύτερα συστήματα με 8 ή περισσότερους επεξεργαστές, μπορούν δηλαδή να υλοποιηθούν επεξεργαστές με 3 συνδέσμους και να δρομολογούν πακέτα χρησιμοποιώντας ενδιάμεσους επεξεργαστές. Επιπλέον η QPI χρησιμοποιείται για τη σύνδεση σε μία μονάδα Ε/Ε η οποία ονομάζεται κόμβος Ε/Ε (I/O Hub IOH), λειτουργεί ως μεταγωγέας και κατευθύνει πακέτα από και προς τις μονάδες Ε/Ε. 10

11 Διασύνδεση από σημείο σε σημείο QPI Quick path interconnect Πολλαπλές άμεσες συνδέσεις: Πολλά στοιχεία εντός του συστήματος έχουν κατά ζεύγη άμεσες συνδέσεις με άλλα στοιχεία. Δεν υπάρχει ανάγκη για διαιτησία Αρχιτεκτονική με πρωτόκολλα ανά επίπεδο: Όπως και στα δικτυακά περιβάλλοντα, οι διασυνδέσεις σε επίπεδο επεξεργαστή χρησιμοποιούν μία αρχιτεκτονική με πρωτόκολλα ανά επίπεδα παρά απλά σήματα ελέγχου Μετάδοση δεδομένων σε μορφή πακέτων: Τα δεδομένα δεν αποστέλλονται ως ακατέργαστη ροή bits, αλλά σε μορφή πακέτων, όπου κάθε πακέτο περιέχει επικεφαλίδες ελέγχου και κώδικες ελέγχου σφαλμάτων Η διασύνδεση από σημείο σε σημείο, αντικατέστησε την αρχιτεκτονική κοινόχρηστου διαύλου. Η βασική αιτία αυτής της αλλαγής ήταν οι περιορισμοί στα θέματα ηλεκτρισμού που υπήρχαν όταν αυξανόταν η συχνότητα των σύγχρονων διαύλων. Επιπλέον με την είσοδο των πολυπύρηνων chip,παρατηρήθηκε ότι η χρήση του συνηθισμένου κοινόχρηστου διαύλου στο ίδιο chip δυσκόλευε σημαντικά την αύξηση του ρυθμού δεδομένων στον δίαυλο και την μείωση της επιβάρυνσης ώστε να συμβαδίζει με τους επεξεργαστές. 11

12 Διασύνδεση από σημείο σε σημείο QPI Quick path interconnect Το κάτω σκιασμένο πλαίσιο μας αναπαριστά την ALU. Διασύνδεση από σημείο σε σημείο QPI Quick path interconnect Ουσιαστικά τα flit μεταδίδονται. Στα 80 bits έχουμε και έλεγχο bit,για εύρεση λαθών. Επίπεδο Πρωτοκόλλου: Το σύνολο των κανόνων υψηλού επιπέδου για την ανταλλαγή πακέτων δεδομενων Επίπεδο Δρομολόγησης: Παρέχει το πλαίσιο που ορίζει την κατεύθυνση μέσα στη δομή Επίπεδο Σύνδεσης: υπεύθυνο για την αξιόπιστη μεταφορά και έλεγχο ροής. Η μονάδα μεταφοράς το Flit 80 bits Φυσικό Επίπεδο: φυσικά καλώδια, κυκλώματα, πύλες. Η μονάδα μεταφοράς το Phit με 20 bits 12

13 Φυσική Διασύνδεση στην Intel QPI Διαφορική σηματοδότηση χαμηλής τάσης Στην Reception διαβάζει. Εκεί, έχω μία μικρή αντίσταση(r),άρα πτώση τάσης. Για τον λόγο αυτό, στέλνει ρεύμα αριστερόστροφα ή δεξιόστροφα. Το σχήμα απεικονίζει τη φυσική αρχιτεκτονική μιας θύρας QPI, η οποία αποτελείται από 84 διαφορετικούς συνδέσμους οι οποίοι είναι : Κάθε μονοπάτι δεδομένων περιέχει ένα ζεύγος καλωδίων που μεταφέρουν δεδομένα, ένα bit κάθε φορά. Αυτό το ζεύγος ονομάζεται γραμμή. Υπάρχουν 20 γραμμές δεδομένων σε κάθε κατεύθυνση (μετάδοση και λήψη) αλλά και μία γραμμή ρολογιού. Άρα η QPI έχει τη δυνατότητα παράλληλης μετάδοσης 20 bits σε κάθε κατεύθυνση. Η μονάδα 20 bit αναφέρεται ως phit. Οι τυπικές ταχύτητες του συνδέσμου σε αυτά τα προϊόντα προσφέρουν ταχύτητες 6.4 GT/s μεταδόσεις ανά δευτερόλεπτο. Με 20 bits ανά μετάδοση έχουμε 16 GB/s και επειδή η QPI χρησιμοποιεί δεσμευμένα αμφίδρομα ζεύγη, η συνολική ταχύτητα είναι 32 GB/s. Οι γραμμές κάθε κατεύθυνσης ομαδοποιούνται σε 4 τετράδες, 5 γραμμές ανά τετράδα. Όμως σε κάποιες εφαρμογές ο σύνδεσμος μπορεί να λειτουργήσει στο μισό ή στο ¼ του εύρους για να μειώνεται η κατανάλωση ισχύος ή να περιορίζονται τυχόν αποτυχίες. 13

14 Φυσικό Επίπεδο Ταχύτητα Η ταχύτητα υπολογίζεται ως έξης: 3.2 GHz 2 bits/hz (double data rate) 16(20) (data bits/qpi link width) 2 (unidirectional send and receive operating simultaneously) 8 (bits/byte)= 25.6 GB/s Διανομή πολλαπλών δρόμων 14

15 Η μορφή μετάδοσης σε κάθε γραμμή είναι γνωστή ως διαφορική σηματοδότηση ή εξισορροπημένη μετάδοση. Με την εξισορροπημένη μετάδοση τα σήματα μεταδίδονται σε μορφή ρεύματος το οποίο κινείται μεταξύ των αγωγών. Η δυαδική τιμή εξαρτάται από τη της τάσης. Η μια γραμμή σχετίζεται με το δυαδικό 1 και η άλλη με το δυαδικό 0. Ειδικότερα η τεχνική που χρησιμοποιείται από την QPI ονομάζεται διαφορική σηματοδότηση χαμηλής τάσης (low-voltage differential signaling (LVDS)). Σε μια τυπική υλοποίηση ο μεταδότης στέλνει ρεύμα στο ένα ή στο άλλο καλώδιο, αναλόγως με το λογικό επίπεδο που πρόκειται να σταλεί. Το ρεύμα διαπερνά μία αντίσταση στο άκρο λήψης και έπειτα επιστρέφει στην αντίθετη κατεύθυνση μέσα από το άλλο καλώδιο. Ο δέκτης αντιλαμβάνεται την πολικότητα της τάσης μέσα στην αντίσταση, ώστε να προσδιορίσει τη λογική τιμή. Μια άλλη λειτουργία που υλοποιείται στο φυσικό επίπεδο είναι η διαχείριση της μετάφρασης ανάμεσα flits 80-bit και στα phits 20-bits χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως διανομή πολλαπλών δρόμων. Τα flits μπορούν να θεωρηθούν ως μια ροή από bits η οποία διανέμεται μέσα από τις γραμμές εκ περιτροπής (το πρώτο bit στην πρώτη γραμμή το δεύτερο bit στην δεύτερη γραμμή κ.ο.κ.). Επίπεδο Σύνδεσης QPI Έλεγχος Ροής: Η οντότητα αποστολής δεν θα πλημυρίσει την οντότητα λήψης. Λειτουργεί με σύστημα πιστωτικών μονάδων Έλεγχος Σφαλμάτων: Κάθε flit 80 bit περιέχουν 8 bit κώδικα ελέγχου σφαλμάτων έλεγχος κυκλικού πλεονασμού CRC (cyclic redundany check) και 72bit ωφέλιμου μηνύματος Κατά την αρχικοποίηση, ένας αποστολέας λαμβάνει ένα σύνολο πιστωτικών μονάδων για να στείλει flits σε έναν παραλήπτη. Όταν ένα flit στέλνεται στον παραλήπτη, ο αποστολέας μειώνει τον μετρητή των μονάδων του, κατά 1. Όταν ελευθερωθεί ένας απομονωτής στην πλευρά του παραλήπτη, η μονάδα πίστωσης επιστρέφεται στον αποστολέα για αυτόν τον απομονωτή. Άρα, ο παραλήπτης ελέγχει τον ρυθμό δεδομένων με τον οποίο τα δεδομένα μεταδίδονται μέσα από έναν σύνδεσμο QPI. 15

16 QPI Επίπεδο Δρομολόγησης: Παρέχει το πλαίσιο που ορίζει την κατεύθυνση μέσα στη δομή. Ορίζονται πίνακες δρομολόγησης που περιγράφουν πιθανές διαδρομές ανάλογα με Την τοποθέτηση των συσκευών στην πλατφόρμα. Τον τρόπο διαμερισμού των πόρων του συστήματος Αποφυγή πόρων που έχουν καταρρεύση Σημαντικό για μεγάλα συστήματα Επίπεδο Πρωτοκόλλων: Μία κύρια λειτουργία αυτού του επιπέδου είναι το πρωτόκολλο συνοχής της κρυφής μνήμης PCI express Peripheral component interconnect Ο δίαυλος PCI παρουσίασε ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες υλοποιήσεις του λεωφορείου. Μεταξύ των πιο σημαντικών ήταν: η ανεξαρτησία από τον επεξεργαστή, του τοπικού δίιαύλου της CPU από το δίαυλο PCI η διαχείριση του διαύλου η πραγματική λειτουργία plug-and-play. Ο δίαυλος PCI αντικαταστάθηκε από τον PCI express μία διασύνδεση από σημείο σε σημείο Η όλη ανάπτυξη του PCI βασίζεται σε μια κοινοπραξία 900 εταιριών PCI-SIG (Special Interest group) 16

17 PCI express Τεχνική διασύνδεσης από σημείο σε σημείο (διπλή) Μια θύρα PCIe μπορεί να περιέχει 1, 4, 6, 16, 32 γραμμές Διαφορετικές αποδόσεις ανάλογα με τον αριθμό των γραμμών PCI express Peripheral component interconnect PCI Express link performance [30][31] PCI Express Εισήχθη Κωδικοποίηση Ρυθμός έκδοση γραμμής Μεταφοράς Απόδοση b/10b 2.5 GT/s 250 MB/s 0.50 GB/s 1.0 GB/s 2.0 GB/s 4.0 GB/s b/10b 5.0 GT/s 500 MB/s 1.0 GB/s 2.0 GB/s 4.0 GB/s 8.0 GB/s b/130b 8.0 GT/s MB/s 1.97 GB/s 3.94 GB/s 7.88 GB/s 15.8 GB/s b/130b 16.0 GT/s 1969 MB/s 3.94 GB/s 7.88 GB/s GB/s 31.5 GB/s expected in 5.0 [32][33] Q2 2019[34] 128b/130b 32.0 GT/s[ii] 3938 MB/s 7.88 GB/s 15.75GB/s GB/s 63.0 GB/s 17

18 Στον πίνακα της προηγούμενης διαφάνειας, μπορούμε να διακρίνουμε τις εκδόσεις της PCI express από το 2003 μέχρι και σήμερα. Οποιοσδήποτε αριθμός μετά την PCIe που βρίσκετε σε ένα προϊόν ή στη μητρική πλακέτα υποδεικνύει τον τελευταίο αριθμό έκδοσης της προδιαγραφής PCI Express που υποστηρίζεται. Δείτε πώς οι διάφορες εκδόσεις του PCI Express συγκρίνουν: Εύρος ζώνης (ανά λωρίδα) Εύρος ζώνης (ανά λωρίδα σε υποδοχή x16) PCI Express Gbit / s (250 MB / s) 32 Gbit / s (4000 MB / s) PCI Express Gbit / s (500 MB / s) 64 Gbit / s (8000 MB / s) PCI Express Gbit / s ( MB / s) Gbit / s (15754 MB / s) PCI Express Gbit / s (1969 MB / s) Gbit / s (31504 MB / s) Oι σημαντικές ενημερώσεις του προτύπου PCIe αύξησαν δραστικά το διαθέσιμο εύρος ζώνης κάθε φορά, αυξάνοντας σημαντικά το δυναμικό του. Οι βελτιώσεις έκδοσης έκαναν επίσης εντοπισμένα σφάλματα, πρόσθετα χαρακτηριστικά και βελτιωμένη διαχείριση ενέργειας, αλλά η αύξηση του εύρους ζώνης είναι η πιο σημαντική αλλαγή που σημειώνεται από έκδοση σε έκδοση. Επιπλέον ο δίαυλος PCIe είναι πλήρως διπλής κατεύθυνσης επικοινωνίας με ταχύτητα 1,25G Hz, η οποία θεωρητικά επιτρέπει ως μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων τα 250 MByte/s για κάθε πάροδο προς κάθε κατεύθυνση. Στην πραγματικότητα γίνονται εφικτές ταχύτητες των 240 MByte/s, όταν μεταφέρονται δεδομένα μεγάλης διάρκειας. Όταν χρησιμοποιείται μόνο μία πάροδος, τότε ο δίαυλος ονομάζεται PCIex1. Οι πάροδοι μπορούν να χρησιμοποιούνται και σε συνδυασμό, έτσι ώστε να αυξάνεται η ταχύτητα. PCIe x1 - χρησιμοποιεί μία πάροδο PCIe x4 - χρησιμοποιεί τέσσερις παρόδους PCIe x16 - χρησιμοποιεί δέκα έξι παρόδους PCIe x32 - χρησιμοποιεί τριάντα δύο παρόδους 18

19 Διάταξη που χρησιμοποιεί την τεχνική PCIe μεταγωγέας Chipset ή πολύπλοκη συσκευή ρίζας Παρατηρούμε οτι επάνω στο chipset συνδέονται ο μεταγωγέας (switch) ο οποίος με τη σειρά του είναι συνδεδεμένος με τις PCIe 1, PCIe 3, PCIe 4, PCIe 5. Οι PCIe6 και PCIe 7 απευθείας επάνω στο chipset. Τέλος το chipset ενώνεται με την μνήμη καθώς και τον επεξεργαστή Nvidia GeForce GTX 650 Ti, a PCI Express graphics card 19

20 Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων PCIe Επίπεδο συναλλαγής TLPs Επίπεδο σύνδεσης δεδομένων DLLPs Φυσικό επίπεδο Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων PCIe Συναλλαγής: Παράγει τα πακέτα δεδομένων για την μεταφορά, ΣΣ επίσης διαχειρίζεται τον έλεγχο ροής των δεδομένων Επίπεδο συναλλαγής TLPs Επίπεδο σύνδεσης δεδομένων DLLPs Φυσικό επίπεδο Συνδέσμου δεδομένων: Είναι υπεύθυνο για την αξιόπιστη μετάδοση Φυσικό: Καλώδια που μεταφέρουν το σήμα, κυκλώματα και λογικές πύλες 20

21 Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων PCIe Πάνω από το επίπεδο συναλλαγής βρίσκονται επίπεδα λογισμικού που παράγουν αιτήσεις ανάγνωσης και εγγραφής οι οποίες μεταφέρονται από το επίπεδο συναλλαγής στις συσκευές Ε/Ε Στα πρώτα δύο σχήματα που είδαμε προηγουμένως, παρατηρούμε την αρχιτεκτονική των πρωτοκόλλων PCIe. Το κατώτερο επίπεδο είναι το φυσικό,το οποίο ουσιαστικά αποτελείται απο καλώδια που μεταφέρουν το σήμα, κυκλώματα και λογικές πύλες. Το αμέσως επόμενο επίπεδο είναι το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Σκοπός του είναι να μεταφέρει τα δεδομένα στα ανώτερα επίπεδα απαλλαγμένα από τυχόν σφάλματα. Με βάσει το τρίτο σχήμα, μπορούμε να δούμε ότι πάνω από το επίπεδο συναλλαγής βρίσκονται επίπεδα λογισμικού που παράγουν αιτήσεις ανάγνωσης και εγγραφής οι οποίες μεταφέρονται από το επίπεδο συναλλαγής στις συσκευές Ε/Ε. Στο φυσικό επίπεδο πρέπει να σχολιαστεί η τεχνική του ανακατέματος η οποία είναι ιδιαίτερα βασική, διότι χάρη σε αυτήν μπορούν να αποφευχθούν τα συνεχόμενα μηδενικά και άσσοι. Μπορεί η PCIe να μην συγχρονίζεται μέσω μιας γραμμής ρολογιού, αλλά ο παραλήπτης και ο αποστολέας πρέπει να είναι πάντοτε συγχρονισμένοι προκείμενου να γίνει μεταφορά σήματος. 21

22 Φυσικό Επίπεδο Η μεταφορά προς κάθε κατεύθυνση σε μία γραμμή, γίνεται μέσω διαφορικής σηματοδότησης σε ένα ζεύγος καλωδίων Η PCIe δεν συγχρονίζεται μέσω μιας γραμμής ρολογιού, είναι όμως απαραίτητο ο παραλήπτης να είναι συγχρονισμένος με τον αποστολέα Ο παραλήπτης συγχρονίζεται από τις ανάλλαγες από 0 σε 1 ή 1 σε 0 Για να περιοριστεί η πιθανότητα συνεχόμενων 1 ή 0 χρησιμοποιείται μια τεχνική ανακατέματος Επίσης από το επίπεδο συναλλαγής σε κάθε 128 bit προστίθενται δύο bit ως επικεφαλίδα συγχρονισμού (τιμή 10 για τμήματα δεδομένων, και τιμή 01 όταν τα bit αφορούν πληροφορίες του επιπέδου σύνδεσης) Διανομή πολλαπλών γραμμών PCIe B4 B0 Ροή byte B3 B0 B2 B0 B1 B0 B0 B4 B0 B5 B0 B6 B0 B0 B1 B0 B2 B0 128b /130b 128b /130b 128b /130b PCIe γραμμή 0 PCIe γραμμή 1 PCIe γραμμή 2 Tα bytes διανέμονται όχι μόνο σε μια γραμμή αλλά σε πολλές. Για παράδειγμα στη γραμμή PCIe 2 μεταφέρεται η ροή των bytes B2 και B6(ζυγοί αριθμοί). B7 B0 B3 B0 128b /130b PCIe γραμμή 4 22

23 Διαγράμματα Μετάδοσης και Λήψης PCIe 8b Ανακάτεμα Κωδικοποίηση 128b/130b 130b Παράλληλη σε σειριακή φόρτωση 1b Διαφορικός οδηγός αποστολέα D+ D- Κύκλωμα ανάκτησης ρολογιού D+ D- Διαφορικός Παραλήπτης 1b Κύκλωμα ανάκτησης δεδομένων 1b Σειριακή σε παράλληλη φόρτωση 130b Απόκωδικοποίηση 128b/130b 128b Αντιστροφή Ανακατέματος 8b Οι περισσότερες συναλλαγές χρησιμοποιούν μια τεχνική διαχωρισμού συναλλαγής, η οποία λειτουργεί ως εξής : Μια αίτηση στέλνεται από μια συσκευή αφετηρίας PCIe, η οποία στη συνέχεια αναμένει απόκριση και ονομάζεται πακέτο ολοκλήρωσης. Η ολοκλήρωση που ακολουθεί μια αίτηση ξεκινά από τη συσκευή, μόνο όταν έχει τα δεδομένα και βρίσκεται σε κατάσταση έτοιμη για αποστολή. Κάθε πακέτο έχει μοναδικό αναγνωριστικό, το οποίο επιτρέπει στα πακέτα ολοκλήρωσης να κατευθύνονται προς τη συσκευή εκκίνησης. Με την τεχνική διαχωρισμού συναλλαγής, η ολοκλήρωση διαχωρίζεται από την αίτηση, σε αντίθεση με την τυπική λειτουργία διαύλου όπου και τα δυο μέρη μιας συναλλαγής πρέπει να είναι διαθέσιμα να λάβουν και να χρησιμοποιήσουν το δίαυλο. Ανάμεσα στην αίτηση και την ολοκλήρωση άλλες κυκλοφορίες PCIe μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον σύνδεσμο. Τα μηνύματα του επιπέδου συναλλαγής και ορισμένες συναλλαγές εγγραφής είναι αναπάντητες επειδή δεν αναμένεται κάποια απόκριση. Η μορφή του πακέτου του επιπέδου συναλλαγής υποστηρίζει μια μορφή διευθυνσιοδότησης μνήμης 32-bit επεκτάσιμη σε 64-bit διευθυνσιοδότηση μνήμης. Τα πακέτα έχουν επίσης ορισμένες άλλες ιδιότητες όπως το no-snoop, relaxedordering και priority, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δρομολογηθούν τα πακέτα με βέλτιστο τρόπο μέσα από το σύστημα Ε/Ε. 23

24 Μορφή μονάδας πρωτοκόλλου δεδομένων PCIe 12 έως 16 bytes 0 έως 4096 bytes 2 bytes 4 bytes L 1 byte 1 byte H κεφαλίδα στο transaction layer μπορεί να περιέχει 12 έως 16 bytes ενώ τα δεδομένα κυμαίνονται από bytes. Μορφή μονάδας πρωτοκόλλου δεδομένων PCIe Συνένωση πακέτων στο επίπεδο συναλλαγής TLP : Επικεφαλίδα: περιγράφει τον τύπο του πακέτου, έχει πληροφορίες απαραίτητες για τον παραλήπτη, πληροφορίες δρομολόγησης Δεδομένα: μέχρι 4096 bytes, ορισμένα TLP δεν περιέχουν δεδομένα Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων DLLP προσθέτει δύο πακέτα στον πυρήνα του πακέτου TLP: Τον αριθμό πακέτου Αριθμό κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (CRC) 32 bit επιπέδου σύνδεσης (LCRC), για τον έλεγχο σφαλμάτων Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων μπορεί να στέλνει πακέτα (εκτός από τα πακέτα TLP): Ελέγχου ροής Διαχείριση ισχύος Πακέτα ACK και NAK Τα πακέτα σύνδεσης δεδομένων χρησιμοποιούνται σε κάθε ενδιάμεση συσκευή για έλεγχο 24

25 Βιβλιογραφία W. Stallings Οργάνωση &Αρχιτεκτονική Υπολογιστών A. S. Tanenbaum Η Αρχιτεκτονική των Υπολογιστών Μια δομημένη προσέγγιση 25