Hệ thống bus nào nối CPU với bộ nhớ chính
|
Đây là ví dụ điển hình về một loại bus được sử dụng trong các hệ thống thương mại, nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vi xử lý dựa trên chip 8088. Hầu hết họ PC, kể cả các máy tương thích đều sử dụng bus này. Chính bus IBM PC tạo nên cơ sở cho bus IBM PC/AT và nhiều loại bus khác. Bus này có 62 đường dây, trong đó có 20 đường địa chỉ, 8 đường số liệu và các đường tín hiệu khác. .... Được liệt kê trong bảng 5.1 Về mặt vật lý, bus IBM PC được thiết kế ngay trên bo mạch chính và có khoảng gần chục đầu nối dạng khe cắm (slot) để cắm các card mở rộng, trên mỗi khe cắm có 62 chân được chia thành hai hàng.
Tín hiệu đồng hồ OSC và CLK Các máy IBM PC đầu tiên sử dụng các phần tử dao động thạch anh, ở tần số 14,31818 MHz, tần số này được chọn phải thoả mãn việc tạo ra tín hiệu đồng bộ màu hệ NTSC. Tần số này cao hơn so với chuẩn 8088 (tần số cực đại là 5 MHz), do đó nó được chia ba thành 4,77MHz. Tần số 4,77 MHz được dùng làm đồng hồ chính để xác định chu kỳ bus. Tín hiệu tần số 4,77 MHz cũng có trên bus IBM PC và ký hiệu là CLK. Tín hiệu này không cân xứng như tín hiệu đông hồ 14,31818 MHz mà trong một chu kỳ bao gồm 2/3 thời gian ở mức thấp và 1/3 thời gian ở mức cao. Tín hiệu RESET Tín hiệu RESET trên bus do chip 8284A tạo ra. Để RESET CPU, các mạch điện bên ngoài gửi tín hiệu tới 8284A, nó sẽ đặt tín hiệu reset lên mức tchs cực, buộc CPU và các thiết bị I/O khở tạo lại. Các đường địa chỉ và dữ liệu CPU không nối trực tiếp với các đường địa chỉ và đương số liệu của bus, mà thông qua các chip khác. Các đường địa chỉ được chốt bằng cách dùng 3 chip 74LS373, mỗi chip là một bộ 8 thanh ghi chốt, tuy nhiên chỉ sử dụng 20 trong số 24 đường có thể. Các đường dữ liệu sẽ được lấy mẫu (đọc nhanh giá trị) hoặc cung cấp giá trị trong những thời gian xác định, như trong sườn dương của một tín hiệu đồng hồ nào đó, vì vậy không cần chốt. Các đường dữ liệu của bus được điều khiển bởi bus transceiver (chip 74LS245). Chân DIR xác định hướng của tín hiệu là đi đến hay đi ra từ CPU. Lý do chính của việc nối các chân của MPU với bên ngoài thông qua các bộ đệm chính là vì nó được chế tạo theo công nghệ MOS, CPU không có khả năng cung cấp đủ dòng để điều khiển tất cả các phần tử nối với bus. Các chip làm bộ đệm dùng công nghệ TTL có khả năng cung cấp đủ dòng cho cả các thiết bị nối với bus. Ngoài ra còn lý do khác là, khi có một thiết bị nào đó khác CPU muốn trở thành bus master (như DMAC), CPU cần phải thả nổi các bus. Phương pháp đơn giản nhất được áp dụng là thiết bị đó phải phát tín hiệu AEN (Address ENable) để đảo tín hiệu cho phép đưa ra trên các thanh ghi chốt và transceiver, làm cho các bus được thả nổi. Tín hiệu ALE (Address Latch Enable) Tín hiệu ALE được đặt mức tích cực khi CPU đang điều khiển các đường tín hiệu địa chỉ, cho phép các chip 74LS373 biết khi nào cần chốt địa chỉ lại. Tín hiệu này củ bus cũng cho bộ nhớ và các chip I/O biết khi nào các tín hiệu trên bus địa chỉ là hợp lệ. Các đường tín hiệu MEMR ¯ size 12{ {overline { ital "MEMR"}} } {} , MEMW ¯ size 12{ {overline { ital "MEMW"}} } {} , IOR ¯ size 12{ {overline { ital "IOR"}} } {} , IOW ¯ size 12{ {overline { ital "IOW"}} } {} Để điều khiển việc đọc/ ghi vào bộ nhớ hoặc các thiết bị vào/ra. Nhờ các tín hiệu này, bus cung cấp hai thông gian địa chỉ riêng biệt, một cho MEM và một cho I/O. Bộ nhớ sẽ không phản ứng khi thấy tín hiệu IOR¯ size 12{ {overline { ital "IOR"}} } {}, IOW¯ size 12{ {overline { ital "IOW"}} } {} ở mức tích cực. CPU sử dụng các tín hiệu S0¯ size 12{ {overline {S0}} } {}- S2¯ size 12{ {overline {S2}} } {} đưa vào chip điều khiển bus 8288 để tạo ra các tín hiệu MEMR¯ size 12{ {overline { ital "MEMR"}} } {}, MEMW¯ size 12{ {overline { ital "MEMW"}} } {}, IOR¯ size 12{ {overline { ital "IOR"}} } {}, IOW¯ size 12{ {overline { ital "IOW"}} } {}cùng với tín hiệu ALE. Chip điều khiển bus cũng nhận tín hiệu điều khiển ANE từ bus, tín hiệu này do một thiết bị muốn trở thành bus master đưa ra, khi nhận được tín hiệu ANE, chip điều khiển bus sẽ phát tín hiệu điều khiển các chip chốt địa chỉ nà chip bus transceiver thả nổi bus. Tín hiệu IOCHCHK ¯ size 12{ {overline { ital "IOCHCHK"}} } {} (I/O CHanel CHeck) Tín hiệu này sẽ tích cực khi có lỗi chẵn /lẻ bị phát hiện trên bus. Tín hiệu này sẽ tác động mmọt ngắt NMI. Tín hiệu IOCHRDY (I/O CHanel ReaDY) Tín hiệu này do bộ nhớ đưa ra khi tốc độ hoạt động của nó thấp, yêu cầu CPU cho thêm một số chu kỳ để đợi, bằng cách chèn wait states vào các chu kỳ đọc/ghi bộ nhớ. Các tín hiệu IRQ2-IRQ7. Là các tín hiệu do các thiết bị ngoại vi đưa ra, đưa đến chip điều khiển ngắt 8259A. Khi có tín hiệu gửi đến chip điều khiển ngắt, nó sẽ kiểm soát các tín hiệu này và đưa ra một tín hiệu yêu cầu ngắt tới CPU và đặt số hiệu vectơ ngắt lên đường dữ liệu khi CPU cần đến. IRQ0 thường được mạch đồng hồ và IRQ1 được bàn phím sử dụng. Các tín hiệu liên quan đến DMA Các tín hiệu còn lại nói chung liên quan đến hoạt động DMA, chẳng hạn khi CPU yêu cầu ổ đĩa đọc một khối dữ liệu, mạch điều khiển ổ đĩa sẽ chờ nhận được byte đầu tiên từ ổ đĩa đưa ra, sau đó phát ra một yêu cầu trở thành bus master để ghi byte đó vào bộ nhớ. Chip 8237A được INTEL thiết kế nhằm quản lý các nghi thức bus và thực hiện DMA trong đó có việc taưng địa chỉ bộ nhớ và giảm con đếm sau khi truyền mỗi byte. Việc này nó thực hiện thay cho các thiết bị I/O, giúp giảm giá thành của chúng. Về căn bản, chip 8237A là một CPU nhỏ, có các chương trình được ghi sẵn bên trong. Khi 8088 muốn bắt đầu hoạt động DMA đối với một thiết bị ngoại vi nào đó, nó nạp số hiệu vào thiết bị, địa chỉ ô nhớ, số byte, hướng truyền và các thông tin khác vào các thanh ghi bên trong 8237A. Khi chip điều khiển đã sẵn sàng đọc hoặc ghi byte đầu tiên, nó đặt mức tích cực lên một trong các đường DRQ của bus để đưa vào chip 8237A. Khi nhận được tín hiệu, 8237A đòi chiếm bus và sẵn sàng truyền một byte. Chip 8237A phát tín hiệu DACK¯ size 12{ {overline { ital "DACK"}} } {}tới chip điều khiển báo cho nó biết hãy ghi hoặc đọc byte của mình (trong thao tác đọc hoặc ghi tương ứng). Trong khoảng một chu kỳ này, chip 8237A điều khiển hoạt động của bus như một bus master. Chip 8237A có 4 kênh độc lập và có thể quản lý đồng thời 4 đường truyền. Tín hiệu T/C (Terminal/Count) Đường T/C được chip 8237A đặt mức tích cực khi con đếm byte (byte count) bàng 0, báo cho bộ điều khiển I/O biết rằng công việc yêu cầu đã hoàn tất, đã đến lúc báo hiệu cho 8258A gọi ngắt tới CPU.
Bus IBM PC/AT là bước phát triển tiếp theo của thế hệ bus IBM PC nhằm phát huy được những khả năng hơn hẳn của bộ VXL 80286 so với 8088 trước nó. Với bus địa chỉ 24 dây, có khả năng đánh địa chỉ cho 224 = 16MB bộ nhớ và có bus dữ liệu 16 bit. Với giải pháp mở rộng PC bus, bổ sung thêm vào các khe cắm cũ một đoạn khe cắm ngắn, trên đó có 36 dây tín hiệu, tăng thêm cho bus địa chỉ 4 dây, bus dữ liệu 8 dây, các đường yêu cầu ngắt, kênh DMA, ... . Nhờ vậy các card mở rộng trước đây vẫn dùng cho IBM PC có thể dùng cho IBM PC/AT. Ngoài việc mở rộng bus, tần số tín hiệu đồng hồ bus cũng được tăng từ 4,77 MHz ở PC bus thành 8MHz, nhờ đó tốc độ truyền thông trên bus cũng tăng lên nhiều. Năm 1991 tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa ra tiêu chuẩn quốc tế cho bus của máy AT, gọi là bus ISA (Industrial Standard Architecture) Các nhà sản xuất PC khác đã đưa ra một chuẩn khác, đó là bus EISA (Extended ISA), về căn bản bus này là sự mở rộng bus PC/AT thành 32 bit, giữ nguyên tính tương thích với các máy tính và các card mở rộng đã có. Ở thế hệ PS/2, thế hệ sau của IBM PC/AT một bus hoàn toàn mới được áp dụng, bus Micro chanel.
Vào đầu năm 1992, Intel đã thành lập nhóm công nghệ mới. Nhằm nghiên cứu cải thiện các đặc tính kỹ thuật và những hạn chế của các bus hiện có như: bus ISA, bus EISA. PCI (Peripheral Component Interconnect, liên kết các thành phần ngoại vi). Định chuẩn bus PCI đã được đưa ra vào tháng 6 năm 1992 và được cập nhật vào tháng 4 năm 1993, đã thiết kế lại bus PC truyền thống bằng cách bổ sung thêm một bus khác vào giữa CPU và bus I/O. Bus PCI thường được gọi là bus mezzanine vì nó bổ sung thêm một tầng khác vào cấu hình bus truyền thống. PCI bỏ qua bus I/O tiêu chuẩn, nó sử dụng bus hệ thống để tăng tốc độ đồng hồ bus lên và khai thác hết lợi thế của đường dẫn dữ liệu của CPU. Thông tin được truyền qua bus PCI ở 33MHz và độ rộng dữ liệu đầy đủ của CPU. Khi bus ấy được sử dụng để nối với CPU 32 bit, dải thông là 132 MBit/s, được tính theo công thức: 33MHz*32bit/8 = 132MBit/s. Khi bus ấy được sử dụng với những hệ thống bổ sung 64 bit, dải thông tăng gấp đôi, nghĩa là tốc đọ truyền dữ liệu đạt tới 264MBs. Lý do chíng mà bus PCI đã tăng tốc độ nhanh hơn các bus khác là nó có thể hoạt động đồng thời với bus vi xử lý. CPU có thể được xử lý dữ liệu trong các cache ngoại trú, trong khi bus PCI phải truyền thông tin liên tục giữa các thành phần khác của hệ thống, đây là ưu điểm thiết kế chính của bus PCI. Định chuẩn PCI có ba cấu hình, mỗi cấu hình được thiết kế cho một kiểu hệ thống riêng biệt với những quy định nguồn riêng. Định chuẩn 5V cho những hệ thống máy tính văn phòng, định chuẩn 3,3V cho các hệ thống máy tính xách tay và những định chuẩn chung cho những bo mẹ và các cạc hoạt động trong hai kiểu ấy.
Bus USB (Universal Serial Bus) là một công nghệ bus mới đầy triển vọng, nhanh chóng phổ biến trong những thế máy tính ngày nay. Chủ yếu USB là cáp cho phép nối lên tới 127 thiết bị bằng cách sử dụng chuỗi xích. Tuy nhiên nó truyền dữ liệu không nhanh bằng FireWire, ở tốc độ 12MBs nó có khả năng đáp ứng cho hầu hết các thiết bị ngoại vi. Định chuẩn USB được đưa ra vào năm 1996 do một hội đồng gồm những đại diện của các nhà sản xuất máy tính lớn như Compaq, Digital, IBM, NEC và Northen Telecom. Một ưu điểm nổi bật của USB là những thiết bị ngoại vi tự nhận dạng, một đặc trưng hết sức thuận lợi cho việc cài đặt, xác lập các thiết bị ngoại vi. Đặc trưng này hoàn toàn tương thích với những công nghệ PnP và cung cấp tiêu chuẩn công nghệ cho kết nối tương lai. Hơn nữa, những thiết bị USB có khả năng cắm nóng. |
