1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology 5JJ20:Computerarchitectuur 2M200:Inleiding Computersystemen Sessie 4(2): Digitale logica niveau: “systeem-architectuur” cpu-chips en bussen

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology De “systeem-architectuur” Hier kijken we naar de computer als geheel: –De processor –Geheugen(s) –Invoer / uitvoer controllers –De “bus”-sen Complete computer op één chip mogelijk –“Microcomputer” is standaard onderdeel –“System on a chip” gespecialiseerd (vaak > 1 CPU)

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology De belangrijkste processor “pinnen” Fysieke elektrische contacten (8.. > 500 stuks) –Gegroepeerd naar functie –Vormen een of meer “bussen” voor communicatie Standaard “bus” bevat drie groepen pinnen –Adres: M pinnen adresseren 2 M geheugenlocaties “standaard” aantallen: 16, 20, 24, 32, 36, 42, 64 –Data: N pinnen parallel in/uit - hoe meer hoe beter “standaard” aantallen: 8, 16, 32, 64, 128 –Besturing: lezen / schrijven, beveiliging, timing ….

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Processor chip symbool Typische Micro- Processo r Adres Data Bus controle Interrupts Co- processor Bus arbitrage Status Reset  +5v Symbool voor “klok” Voedingsspanning (Vcc) is hier 5 volt Symbool voor referentie- spanning (0 volt = “GND”)

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Geheugenchips koppelen aan CPU Statische RAM’s en (EP/flash) ROM’s: simpel –Adres, data en controle pinnen “passen” direct –Timing van programmeren ROM’s: “oplosbaar” Dynamische RAM’s: niet zo simpel –Adres gesplitst (RAS/CAS): multiplexer nodig –Op tijd verversen van ladingen nodig –Controle pinnen “passen” (totaal) niet –Timing zeer kritisch voor hoogste snelheid –Gebruik “dynamisch RAM controller” standaard

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology “Partiële toegang” tot geheugen “Fysieke” bus-breedte: aantal data pinnen “Logische” breedte: aantal te lezen/schrijven bits –Adresseren per cel:1 of meer cellen lezen/schrijven –Bus soms breder dan CPU woord voor snelheid: per woord lezen/schrijven –Minder dan volle breedte:“partiële toegang” Lezen: CPU selecteert juiste bits uit bus-woord Schrijven: lezen-bits veranderen- terugschrijven ? –Beter: separaat schrijf-signaal per cel/woord !

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Een 64 kilobyte, 2 bytes per woord RAM CPU RAM (32 kilobyte) Adres Data 0..7 Schrijf Lees RAM (32 kilobyte) Adres Data 0..7 Schrijf Lees Adres bits Data bits 0..7 Data bits Lees Schrijf “oneven” Schrijf “even” Even adressen Oneven adressen Samen: adres bit 0 Even adressen Oneven adressen 32 kilowoorden !

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology CPU chip Bussen binnen én buiten de CPU Registers ALU Bus- controller Geheuge n “On-chip” bussen CPU bus PrinterSchijf Geheuge n bus I/O bus RAM control

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Meesters en slaven: wie is de baas ? Busgebruikers hebben verschillende “rollen” –Meester activeert bus toegang –Slaaf is passief en wacht op gebruik –Combinatie mogelijk, maar niet tegelijk ! MeesterSlaafVoorbeeld CPUGeheugenInstructies ophalen CPUI/OStatus lezen CPUCo-processorCommando schrijven I/OGeheugenDirect Memory Access (DMA) Co-processorCPUOperanden ophalen

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Fysieke problemen bij bussen Poorten op een chip zijn elektrisch “zwak” –Hebben problemen om andere kant chip te bereiken ! –Bussen buiten chip: lange lijnen (> 10 cm.) –Zenders (drivers) en ontvangers (receivers) nodig combinatie zend-ontvanger: “transceiver” –Zend-zijde meestal “tri-state” of “open collector” beide laten toe meer zenders op bus aan te sluiten Buslijnen niet even lang: signalen krijgen “skew” –Snelheid signalen op print: 10 cm. per nanoseconde !

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Synchrone bussen: met “klok” Timing van bus geregeld met flanken van klok –Voordeel: alles loopt precies “in de pas” –Nadeel: alles duurt veelvoud van klokperiode de “buscyclus” Data Adres WAIT READ Klok Timing diagram

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Asynchrone bussen: handen schudden “Handshake” signalen regelen timing zelf –Voordeel: alles duurt zolang het moet duren –Nadeel: klok-synchronisatie binnen CPU nodig Data Adres READY READ “Vier fasen handshake”

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Bus standaarden: er zijn er genoeg... “Systeembussen”: CPU naar I/O en geheugen –PC wereld een bende: ISA, EISA, Microchannel, PCI –Daarbuiten ook: VME, Nubus, Camac, Multibus ieder van deze in verschillende varianten I/O bussen: koppeling devices aan computer –SCSI, IDE, HPIB (laboratorium instrumentatie) Eén bit brede I/O bussen in opmars –Weinig draad en geen last van skew (dus toch snel) –USB, Firewire, I 2 C (binnen consumentenelektronica)

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology “Chip-set” Vele van deze in Pentium-klasse PC ISA-bus IDE- bus USB - bus SCSI - bus “Cache” bus lokal e bus Geheugen bus PCI- bus Niet bij stof !

1/1/ / faculty of Electrical Engineering eindhoven university of technology Standaarden: veranderlijk als het weer 8086 besturing 20 bit adres besturing 20 bit adres besturing 4 bit adres besturing 8 bit adres besturing 20 bit adres besturing 4 bit adres Bill Gates (1978): “640 kilobyte is genoeg !” 4 jaar later: “PC-AT” met 16 megabyte Weer 3 jaar later: “Windows past niet !” doe maar 4 gigabyte...