Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών 2014-15 Διασύνδεση Εισόδου-Εξόδου (συσκευές και ) http://www.ionio.gr/~mistral/tp/comparch/ Μ.Στεφανιδάκης Διασυνδετικοί : Αναλαμβάνουν την μεταφορά των δεδομένων σε ένα υπολογιστικό σύστημα Διασυνδετικοί Δίαυλοι η νέα τάση: [2011] και το σύστημα γραφικών μέσα στον επεξεργαστή! οθόνη σύστημα γραφικών Δίαυλοι συσκευών διασυνδετικός δίαυλος Δίαυλος γραφικών έως 8GB/s USB έως 5Gbit/s CPU core L1 L2 north bridge south bridge έως 500ΜB/s... CPU core L1 L2 > 90GB/s κρυφή (3 ου επιπέδου, L3) Δίαυλος έως 21 GB/s (dual-channel) SATA 600ΜB/s P-bus, host bus, front-side bus, interconnection ring bus... DRAM δίσκοι Δίαυλοι συσκευών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 2 Μεταφορά δεδομένων Τι διασυνδέει ένας δίαυλος; Ποιο θα μπορούσε να είναι το ζητούμενο από έναν διασυνδετικό δίαυλο εκτός της απόδοσης; Σε ένα υπολογιστικό σύστημα Μεταφορά δεδομένων επεξεργασίας Μεταξύ, κύριας και συσκευών Απόδοση των διαύλων Σημαντική παράμετρος για τη συνολική απόδοση του υπολογιστή Χαρακτηριστικά διαύλων Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διαύλων Με διαφορετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά Ανάλογα με τον ρόλο του καθενός διαύλου Σε ένα υπολογιστικό σύστημα τα διασυνδεόμενα μέρη (και ιδίως οι συσκευές ) έχουν τελείως διαφορετικές ανάγκες δεδομένων Η μεταφορά των δεδομένων μέσα σε έναν υπολογιστή επιτυγχάνεται ηλεκτρικά μέσω αγωγών χαλκού. Νέες φωτονικές τεχνολογίες υπόσχονται πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες (>10Gbps ανά αγωγό) Μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα π.χ. -κρυφή Μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα επιτυγχάνεται η μέγιστη ταχύτητα των δεδομένων, μέσω αγωγών μετάλλου τυπωμένων στην επιφάνεια πυριτίου Πάνω στο ίδιο τυπωμένο κύκλωμα π.χ μεταξύ κύριας και ελεγκτή Αγωγοί σχεδιασμένοι με ακρίβεια πάνω στο τυπωμένο κύκλωμα Μεταξύ τυπωμένων κυκλωμάτων π.χ η διασύνδεση με τις μονάδες δίσκου Διασύνδεση μέσω εύκαμπτων καλωδίων σε αποστάσεις της τάξης του ενός μέτρου Μεταξύ υπολογιστικών συστημάτων π.χ η (τοπική) διασύνδεση της κάρτας δικτύου Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 3 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 4
Βασικά χαρακτηριστικά διαύλων Παράλληλοι αποστολέας δίαυλος παραλήπτης αποστολέας 1 1010..01 1011..00 παραλήπτης Μεταφορά δεδομένων: η γενική εικόνα n εύρος διαύλου = n bits Πόσα bits μεταφέρονται ταυτόχρονα; Πότε ο παραλήπτης θα διαβάσει την είσοδο; Ποια η τοπολογία του διαύλου; Πώς οργανώνεται η μεταφορά; Ο ρυθμός δεδομένων μετριέται πάντοτε σε μονάδες με βάση το 10: ρυθμός 1Μb/s = 10 6 b/s Πολλαπλασιασμός των bits που μεταφέρονται ταυτόχρονα Συχνά ο ρυθμός μετριέται σε μεταφορές/s (T/s) Π.χ. 10MT/s για δίαυλο εύρους 64 bits 640Mb/s Πολύ υψηλοί ρυθμοί Αλλά και μεγάλος ηλεκτρονικός θόρυβος Απαιτείται ακριβής σχεδιασμός για να διατηρηθεί η ποιότητα του σήματος και ο συγχρονισμός στη μεταφορά δεδομένων Χρησιμοποιείται στα υψηλότερα επίπεδα της ιεραρχίας διαύλων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 5 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 6 Σειριακοί Χρονισμός αποστολέας 1011000 S 1011000 παραλήπτης D 1011000 CLK ADS# ADDR T1 T2 T1 T2 T1 T2 A1 A2 A3 WE# Οι λέξεις (words) μετατρέπονται σε σειρά από bits πριν την αποστολή - και αντίστροφα μετά την παραλαβή Serializer deserializer (SerDes) Γιατί χρησιμοποιούνται; Μεγαλύτερη ανοσία στον ηλεκτρονικό θόρυβο Δυνατότητα σε μεγαλύτερη απόσταση Μικρότερες διαστάσεις αγωγού Χρησιμοποιείται στα χαμηλότερα επίπεδα της ιεραρχίας διαύλων Οι σύγχρονοι χρησιμοποιούνται στα ανώτερα επίπεδα της ιεραρχίας: π.χ. στο σχήμα φαίνεται η λειτουργία ενός τυπικού διαύλου της DQ D1 D2 Q3 Πότε ο αποστολέας θα στείλει τα στις εξόδους; Πότε ο παραλήπτης θα δειγματοληπτήσει τις εισόδους; Γραμμή ρολογιού (clock) Στις ανερχόμενες ή/και κατερχόμενες ακμές Σύγχρονοι (synchronous) Αλλά: ευαισθησία στις παραμορφώσεις του clock Θόρυβος και κατανάλωση ενέργειας Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 7 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 8
Άλλα σχήματα χρονισμού Τοπολογίες Διαύλων Σειριακοί με ενσωμάτωση της χρονικής πληροφορίας στα χρησιμοποιούνται στα κατώτερα επίπεδα της ιεραρχίας (π.χ. o δίαυλος USB) DATA STROBE# READY# Ασύγχρονοι (χωρίς ρολόι) Σήματα συγχρονισμού Ανοσία σε παραμορφώσεις σημάτων Αλλά: αργότερη μεταφορά πολύπλοκη ανταλλαγή σημάτων Ενσωμάτωση ρολογιού στα Δεν υπάρχει ξεχωριστή γραμμή clock Αλλά ο παραλήπτης μπορεί να συμπεράνει για το ρολόι του αποστολέα αν το μεταδιδόμενο σήμα έχει ικανό αριθμό ακμών (εναλλαγές μεταξύ 0 και 1) Α Β Γ Δ Μοιραζόμενος δίαυλος Μοιραζόμενος δίαυλος Point-to-point Η παλαιότερη λύση Αναγκαία η διαιτησία για την κατοχή του διαύλου Κακή ποιότητα σημάτων χαμηλότερη ταχύτητα Point-to-point Διασύνδεση πάντα μεταξύ δύο σημείων Τμήματα συγκέντρωσης-ανταλλαγής δεδομένων Hubs ή switches Νεώτερες λύσεις για υψηλότερη ταχύτητα Β Α X Δ Γ Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 9 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 10 Οργάνωση Διεύθυνση Η φορά της ανάγνωσης και της εγγραφής ορίζεται κατά σύμβαση! master (initiator) master (initiator) ανάγνωσης εγγραφής ανάγνωσης εγγραφής χώρος διευθύνσεων Η μεταφορά ελέγχεται από τον master Ανάγνωση ή εγγραφή από/στον χώρο διευθύνσεων του slave Σε ποιον slave και σε ποιες λέξεις του slave γίνεται η μεταφορά Το διπλανό σχήμα υλοποιείται φυσικά (σε μοιραζόμενους διαύλους) ή λογικά (όταν ο δίαυλος είναι point-topoint) master (initiator) ανάγνωσης Η Η Επιλέγει slave Επιλέγει λέξεις μέσα στον χώρο διευθύνσεων του slave Κατανομή διευθύνσεων Είτε στατικά (στον σχεδιασμό) Είτε δυναμικά (στην αρχικοποίηση του συστήματος) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 11 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 12
Φάσεις Πληροφορία Λόγω των φάσεων, η χρήσιμη πληροφορία είναι (max)) το 70% της μεταδιδόμενης! Σπάνια επιτυγχάνονται οι ρυθμοί (peak rates) που αναφέρονται στις προδιαγραφές! Σε κάθε μεταφορά σε έναν δίαυλο Ορισμένες (ή όλες) από τις εξής φάσεις: Διαιτησία (arbitration)( Σε μοιραζόμενους διαύλους, απόκτηση του διαύλου Αίτηση (request)( Αποστολή ς, κατεύθυνσης (read/write), μήκους μεταφερόμενων δεδομένων (σε bytes) Απόκριση (response)( Κατάσταση (ολοκλήρωση, αποτυχία, επανάληψη, αναμονή) Δεδομένα (data)( Τα μεταφερόμενα (όταν υπάρχουν) Διεύθυνση εντολές/κατάσταση Παράλληλοι Συνήθως χρησιμοποιούνται ξεχωριστές γραμμές ανά είδος πληροφορίας Συχνά κάποιες πληροφορίες είναι χρονικά πολυπλεγμένες για οικονομία στο πλήθος αγωγών Π.χ. - Σειριακοί Τα πακέτα δεδομένων που ανταλλάσσονται περιέχουν και τα 3 είδη πληροφορίας Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 13 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 14 Παράδειγμα διαύλου : Cell MP Διασύνδεση συσκευών Παράδειγμα διασυνδετικοί peak transfer rate >200GB/s επεξεργαστικά στοιχεία διαιτησία διαύλων Διασύνδεση Κατηγορίες συσκευών ανάλογα με την διασύνδεσή τους στο σύστημα 1. Καθορισμός από τη σχεδίαση του συστήματος Βασικά μέρη συστήματος (στη μητρική πλακέτα) Το BIOS γνωρίζει ήδη για τις συσκευές αυτές 2. Προσθήκη κατά τη σύνθεση του συστήματος Κάρτες επέκτασης Αναγνώριση κατά την εκκίνηση του συστήματος 3. Προσθήκη κατά τη λειτουργία του συστήματος Συσκευές που συνδέονται εξωτερικά στο σύστημα Αναγνώριση κατά τη λειτουργία του συστήματος (hot-plug)( επεξεργαστικά στοιχεία [IEEE Micro, May-June 2006] Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 15 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 16
Οι πρώτες μορφές διασύνδεσης Ο ρόλος ενός ελεγκτή Διασύνδεση Διασύνδεση στον δίαυλο του συστήματος μέσω ενός ελεγκτή (I/O controller ή adapter) Η βλέπει απευθείας τον ελεγκτή Ο αναλαμβάνει την επικοινωνία με την πολύ αργότερη Διασύνδεση Πώς επικοινωνεί η με τον ελεγκτή για την υλοποίηση των λειτουργιών αυτών; Αποστολή εντολών προς τη Μετάφραση των αιτήσεων της Μόνο εντολές load-store φτάνουν στον ελεγκτή από την! Λήψη ένδειξης κατάστασης ς Δυνατότητα ελέγχου πορείας μιας αίτησης Οι αιτήσεις ολοκληρώνονται πολύ αργά σε σχέση με την ταχύτητα επεξεργασίας της! Ειδοποίηση της Μετά την ολοκλήρωση αίτησης Μηχανισμός interrupts Παροχή δεδομένων από Προς την ή αυτόνομα προς τη Μηχανισμός DMA Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 17 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 18 Πώς βλέπει η έναν ελεγκτή Χώροι διευθύνσεων για Διασύνδεση Μοντέλο καταχωρητών του ελεγκτή Οι καταχωρητές βρίσκονται στον χώρο διευθύνσεων του συστήματος Η γράφει τις αιτήσεις που πρόκειται να εκτελεστούν Η γράφει ή διαβάζει προς/από τη Η διαβάζει την κατάσταση της ς δίαυλος διασύνδεσης ελεγκτή ( καταχωρητές ) cmd cmd cmd data data data status status Διασύνδεση Memory-mapped I/O: ενιαίος χώρος και διαχείριση των διευθύνσεων συστήματος Isolated I/O Isolated I/O: εύκολος διαχωρισμός εντολών αν πρέπει να γίνεται μόνο από το ΛΣ store load συστήματος ελεγκτή ελεγκτή memory-mapped I/O load store in out E/E ελεγκτή ελεγκτή isolated I/O Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 19 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 20
Ανίχνευση ολοκλήρωσης αίτησης Ανίχνευση ολοκλήρωσης αίτησης Διασύνδεση από ανάγνωση καταχωρητή κατάστασης status Διασύνδεση από 1. Ασύγχρονη ειδοποίηση intr 2. ανάγνωση καταχωρητή διακοπής Το polling παρά την επιβάρυνση χρησιμοποιείται σε συστήματα ελέγχου, όπου ο έλεγχος πρέπει να γίνεται σε προκαθορισμένα διαστήματα Περιοδική ανάγνωση καταχωρητή κατάστασης Ολοκληρώθηκε η τρέχουσα αίτηση; Εμφανίστηκε κάποια αλλαγή κατάστασης στη ; Επαναληπτική διαδικασία polling Επιβάρυνση με άσκοπους κύκλους εκτέλεσης για μεγάλο διάστημα η κατάσταση θα παραμένει σταθερή περιμένοντας τη Παλαιότερα ο ειδοποιούσε την με ξεχωριστό σήμα διακοπής. Σήμερα αυτό υλοποιείται με ανταλλαγή μηνυμάτων μέσω του διαύλου διασύνδεσης Ασύγχρονη ειδοποίηση (interrupts)( Ο ειδοποιεί την για αλλαγή κατάστασης της ς Στο μεταξύ η μπορεί να εκτελεί άλλη διεργασία Η διακοπή θα προκαλέσει την εκτέλεση ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής (interrupt service routine ISR) Ενδεχομένως η θα χρειαστεί πρόσθετη πληροφορία από ελεγκτή σχετικά με την αιτία της διακοπής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 21 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 22 Μετακίνηση δεδομένων από/προς Direct Memory Access (DMA) Διασύνδεση από ανάγνωση bytes εγγραφή bytes Διασύνδεση από Καθορισμός ς και μήκους δεδομένων εγγραφή bytes Εάν η είναι κάρτα δικτύου 100Mbps Ethernet και δημιουργεί διακοπή για κάθε πακέτο με μέσο μήκος 256 bytes, πόσες φορές/sec θα ζητηθεί εξυπηρέτηση από την ; Μετά από διακοπή ή polling Η επαναληπτικά διαβάζει από τον ελεγκτή και τα γράφει στη και το αντίστροφο Σημαντική επιβάρυνση της όσο το μέγεθος των δεδομένων κάθε αίτησης αυξάνονται ο ρυθμός ολοκλήρωσης αιτήσεων αυξάνεται Όταν το σύστημα χρησιμοποιεί εικονική, θα πρέπει να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα ώστε κατά τη μεταφορά DMA τα να τοποθετηθούν στη σωστή φυσική Η απλά θέτει τις παραμέτρους της Ο διεκδικεί τον δίαυλο του συστήματος και μεταφέρει απευθείας προς/από τη Ή ξεχωριστός DMA Η μπορεί να εκτελεί άλλη διεργασία Σύγκρουση στη, αλλά ή έχει και την κρυφή! Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 23 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 24
Η εμφάνιση του περιφερειακού διαύλου Διασύνδεση από Δίαυλοι bridge (FSB) περιφερειακός δίαυλος (π.χ. PCI) Εμφάνιση της ιεραρχίας διασυνδετικών διαύλων, με διαφορετικούς ρυθμούς Οι συσκευές (περιφερειακές συσκευές) συνδέονται σε περιφερειακό δίαυλο Η βλέπει μόνο μια : peripheral bus bridge Μέσω της οποίας γίνεται η προσπέλαση των συσκευών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Διασύνδεση 25