Tiểu luận kiến trúc máy tính: Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống bus trong máy tính

Mỗi chiếc máy tính đều được tạo nên từ rất nhiều thành phần, thiết bị và linh kiện khác nhau, hoạt động với những nguyên lí hết sức tinh vi và phức tạp; có sự phối hợp nhịp nhàng, hoạt đ

KHOA CNTT&TT - -

BÀI TIỂU LUẬN

HỌC PHẦN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Đề tài:

“Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống Bus trong máy tính”

Lớp : Đại học tin – K15

Thanh Hóa, 11/2013

KHOA CNTT&TT - -

BÀI TIỂU LUẬN

HỌC PHẦN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Đề tài:

“Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống Bus trong máy tính”

Lớp : Đại học tin – K15

Thanh Hóa, 11/2013

Trong quá trình học tập tại trường, em đã được học hỏi và tiếp thu nhiều kiến thức chuyên ngành nhằm nâng cao vốn hiểu biết và là hành trang quí báu giúp chúng

em vững bước vào đời Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô đã giảng dạy chúng em trong suốt thời gian qua, khoa Công Nghệ Thông Tin và truyền thông cũng như tất cả quý thầy cô trong trường Đại học Hồng Đức Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô Lê Thị Đình - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Tuy nhiên, dù rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên chắc rằng bài tiểu luận của em khó tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn đểbài tiểu luận của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thanh Hóa, 11/2013

Sinh viên thực hiện

Bùi Hữu Giáp

CÁC HÌNH VẼ ĐƯỢC SỬ DỤNG ii

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1

1.2.1 Mục tiêu đề tài 1

1.2.2 Nhiệm vụ đề tài 2

1.3 Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Khách thể nghiên cứu 2

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Các phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN II: NỘI DUNG 3

2.1 Khái niệm Bus 3

2.2 Lịch sử phát triển 3

1.2.1 Thế hệ đầu tiên 3

1.2.2 Thế hệ thứ hai 4

2.2.1 Thế hệ thứ ba 4

2.3 Chức năng và các thông số của Bus 4

2.4 Hệ thống Bus trong máy tính 6

2.4.1 Bus trong vi xử lí và Bus bộ vi xử lí (Back Side Bus - BSB) 6

2.4.2 Bus hệ thống (Font Side Bus - FSB) 7

2.4.3 Bus vào ra (Bus mở rộng) 7

2.5 Cơ chế hoạt động 7

2.5.1 Nghi thức Bus (Bus protocol) 7

2.5.2 Bus Driver và Bus Receiver 8

2.5.3 Trọng tài Bus (Bus arbitration) 8

5.3.1 Xử lí ngắt 11

2.6 Phân loại Bus 12

2.6.1 Bus đồng bộ (Synchronous Bus) 12

2.6.2 Bus không đồng bộ (Asynchronous Bus) 15

2.7 Một số cấu trúc Bus và một số chuẩn Bus mở rộng 17

2.7.1 Bus PC/XT 17

2.7.2 Bus ISA (Industry Standard Architecture) 17

2.7.3 Bus EISA (Extended ISA) 18

2.7.4 Bus MCA (Micro Channel Architecture) 18

2.7.5 Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) 19

2.7.6 Bus VL (VESA local Bus) 19

2.7.7 Bus nối tiếp đa năng USB (Universal Serial Bus) 19

2.7.8 Bus FireWire 20

PHẦN III: KẾT LUẬN 22

3.1 Đánh giá 22

3.2 Đề xuất 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Hình 1.Cách bố trí chipset điển hình 6

Hình 2 Back side Bus 6

Hình 3 Bus hệ thống 7

Hình 4 Trọng tài Bus tập trung có một mức, mắc nối tiếp 9

Hình 5.Trọng tài Bus tập trung 1 mức mắc nối tiếp 9

Hình 6 Trọng tài Bus không tập trung trong MultiBus 10

Hình 7 Bus PC/XT 17

Hình 8.Bus ISA 18

Hình 9 Bus EISA 18

Hình 10 Bus MCA 18

Hình 11 Bus PCI 19

Hình 12.Bus VL 19

Hình 13 Bus nối tiếp đa năng USB 19

Hình 14 Bus FireWire 21

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay, máy tính điện tử đã trở thành một vật dụng không thể thiếu trong mọi lĩnh vực đời sống, mang lại hiệu quả to lớn về thời gian, nhân lực và tiền bạc cho con người Mỗi chiếc máy tính đều được tạo nên từ rất nhiều thành phần, thiết bị và linh kiện khác nhau, hoạt động với những nguyên lí hết sức tinh

vi và phức tạp; có sự phối hợp nhịp nhàng, hoạt động ăn khớp giữa các thành phần để tạo nên một thể thống nhất

Một thành phần cũng rất quan trọng nhưng thường ít được quan tâm và biết đến nhất trong chiếc máy tính đó chính là hệ thống Bus Bus đóng vai trò là cầu nối, đảm bảo sự giao tiếp, liên lạc giữ các thành phần trong máy tính với nhau Cũng giống như hệ thống mạch máu trong cơ thể con người vận chuyển máu đi khắp cơ thể, Bus giúp truyền tín hiệu giữa các khối trong CPU với nhau, giữa CPU với các thành phần bên trong của máy tính, giữa các thành phần bên trong của máy tính với nhau, giữa các thiết bị ngoại vi với CPU và giữa các thiết bị ngoại vi với các thành phần bên trong khác của máy tính

Để mang lại cho các bạn những hiểu biết sâu hơn về hệ thống Bus trong máy tính, cũng như hiểu được tầm quan trọng của hệ thống Bus đối với chiếc

máy tính mà tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống

Bus trong máy vi tính” Để hiểu và nắm vững hơn về hệ thống Bus trong máy

tính, mời các bạn tìm hiểu phần nội dung đề tài

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu đề tài

Đề tài sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan đến hệ thống Bus trong máy tính

- hệ thống phụ chuyển dữ liệu giữa các thành phần bên trong máy tính, hoặc giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi Đề tài sẽ cung cấp cho các bạn những kiến thức sâu hơn về hệ thống Bus bao gồm: khái niệm, các thông số của Bus,

cơ chế hoạt động, phân loại…

1.2.2 Nhiệm vụ đề tài

- Hiểu và nắm vững lịch sử phát triển hệ thống Bus trong máy tính

- Hiểu và nắm vững chức năng và thông số của Bus

- Hiểu và nắm vững cơ chế hoạt động của Bus

- Hiểu và nắm vững cách phân loại Bus

- Hiểu và nắm vững một số cấu trúc và chuẩn Bus mở rộng

1.3 Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Khách thể nghiên cứu

Mang lại cho tất cả mọi người có thêm hiểu biết về hệ thống Bus trong máy tính, cũng như hiểu được tầm quan trọng của hệ thống Bus đối với chiếc máy tính

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống Bus trong máy tính thuộc phòng thực hành của trường đại học Hồng Đức

1.4 Các phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập tài liệu từ những bài báo khoa học, các trang web tin học và một số ebook về đề tài nghiên cứu, giáo trình và các tài liệu học tập khác

- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: từ những tài liệu đã thu thập, tiến hành tìm hiểu, phân tích và tồng hợp nội dung liên quan đến đề tài

- Phương pháp chuyên gia: trong quá trình nghiên cứu có sự góp ý, điều chinh từ giáo viên hướng dẫn

- Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm: sau quá trình tìm hiểu

và đúc kết kinh nghiệm, tiến hành tổng hợp và hoàn thiện đề tài

PHẦN II: NỘI DUNG

2.1 Khái niệm Bus

Mục đích chính của Bus là lưu thông, vận chuyển tín hiệu, dữ liệu Trong máy tính, người ta coi Bus như kênh, tuyến - đường dẫn nội bộ để truyền tín hiệu giữa bộ Vi xử lý và các bộ phận khác, hoặc thiết bị này và các thiết bị khác trong hệ thống máy tính

Nói tóm lại, Bus là tập hợp các đường kết nối để vận chuyển thông tin từ thành phần này đến thành phần khác trong 1 hệ thống, ở đây hệ thống được nói đến là hệ thống máy tính

2.2 Lịch sử phát triển

1.2.1 Thế hệ đầu tiên

Trong những máy tính đầu tiên Bus là bó dây gắn vào bộ nhớ máy tính và thiết bị ngoại vi Anecdotally gọi là "thân cây số", chúng được đặt tên theo các Bus cung cấp điện, hoặc các Busbar Hầu như luôn luôn có một Bus cho bộ nhớ,

và một hoặc nhiều Bus riêng biệt cho thiết bị ngoại vi Chúng được truy cập bằng cách hướng dẫn riêng biệt, với định thời và các giao thức hoàn toàn khác nhau

Một trong những biến chứng đầu tiên là việc sử dụng các ngắt Các chương trình máy tính đầu tiên thực hiện việc nhập/xuất bằng cách chờ đợi trong một vòng lặp cho đến khi các thiết bị ngoại vi sẵn sàng Đây là một sự lãng phí thời gian cho các chương trình có các nhiệm vụ khác để làm Ngoài ra, nếu chương trình đã cố gắng thực hiện những nhiệm vụ khác, nó có thể mất quá nhiều thời gian cho chương trình để kiểm tra một lần nữa, dẫn đến mất dữ liệu Kỹ sư do

đó bố trí cho các thiết bị ngoại vi làm gián đoạn các CPU Các ngắt phải được

ưu tiên, bởi vì CPU chỉ có thể thực thi mã cho một thiết bị ngoại vi tại một thời điểm, và một số thiết bị quan trọng thời gian hơn những thiết bị khác khác

Hệ thống cao cấp đã giới thiệu ý tưởng của bộ điều khiển kênh, mà chủ yếu

là máy tính nhỏ dành riêng cho bàn giao các đầu vào và đầu ra của một Bus IBM đã giới thiệu chúng trên IBM 709 năm 1958, và chúng đã trở thành một

tính năng phổ biến của các nền tảng của họ Các nhà cung cấp hiệu suất cao khác như Control Data Corporation thực hiện thiết kế tương tự Nhìn chung, các

bộ điều khiển kênh sẽ làm hết sức mình để chạy tất cả các hoạt động Bus trong nội bộ, di chuyển dữ liệu khi CPU đã được biết đến là bận rộn ở những nơi khác nếu có thể, và chỉ sử dụng ngắt khi cần thiết Điều này giảm tải CPU đi rất nhiều, và cung cấp hiệu suất hệ thống tổng thể tốt hơn

1.2.2 Thế hệ thứ hai

Các hệ thống Bus thế hệ thứ hai như loại Bus NuBus mang đến một số vấn

đề Các hệ thống này tách máy tính làm 2 "bên", một bên là CPU và bộ nhớ, bên

còn lại là các hệ thống thiết bị khác nhau Bus điều khiển nhận dữ liệu từ một

bên CPU và chuyển đến bên kia nơi chứa các thiết bị ngoại vi, vì vậy chuyển gánh nặng giao thức truyền thông tin từ chính CPU Điều này cho phép bên chứa CPU và bộ nhớ tách riêng biệt với các thiết bị Bus Các thiết bị Bus có thể liên lạc với nhau mà không sự can thiệp của CPU

2.2.1 Thế hệ thứ ba

Các Bus Thế hệ thứ ba được nổi lên ở thị trường vào khoảng năm 2001, bao gồm HyperTransport và InfiniBand Các Bus này có khuynh hướng rất linh hoạt trong các điều kiện kết nối vật lý, cho phép chúng dùng như là các Bus nội (Bus trong) cũng như kết nối nhiều máy tính với nhau Điều này dẫn đến các vấn

đề phức tạp khi các Bus này đáp ứng và phục vụ các yêu cầu khác nhau, với nhiều công việc trong các hệ thống liên quan đến thiết kế phần mềm, trái ngược với phần cứng Tóm lại, các Bus thế hệ thứ ba giống như một mạng máy tính hơn là khái niệm Bus nguyên thủy, với một giao thức cao hơn nhu cầu so với các hệ thống ban đầu, trong khi cũng cho phép nhiều thiết bị sử dụng Bus cùng một thời điểm

Các Bus như Wishbone (Bus máy tính) được phát triển bởi các phần cứng

mã mở nhằm nỗ lực loại bỏ các hạn chế về mặt pháp lý cũng như các bằng sáng chế từ việc chế tạo máy tính

2.3 Chức năng và các thông số của Bus

Một trong những hoạt động và chức năng cơ bản của máy tính đó là truyền

số liệu (data transfer) Sự hoạt động của máy tính do bộ vi xử lí điều khiển Bộ

vi xử lí và các chíp hỗ trợ khác đến lượt mình cũng thường xuyên phải truyền số liệu giữa các bộ phận trong và ngoài chúng với nhau

Vì có rất nhiều bộ phận, khối riêng rẽ trong bản thân các chip và đường truyền số liệu rất đa dạng, nên một cách hợp lí ta không thể thực hiện các đường nối giữa các phận, khối từng đôi một với nhau mà ta nối chung tất cả các lối vào

ra của các khối riêng rẻ với nhau lên một hệ thống các đường dẫn chung; hệ thống này được gọi là Bus

Các bộ phận, khối được nối lên Bus phải thỏa mãn một số yêu cầu là có khả năng được cắt ra hoặc nối trở lại theo các lệnh điều khiển Lúc một output được cắt ra khỏi Bus, nó ở trạng thái trở kháng cao (High impedance – Hi-Z)

Quy tắc nghiêm ngặt của truyền số liệu là trong mỗi thời điểm, có một và chỉ một output được cấp số liệu trên Bus Do đó trong mỗi thời điểm, một output thường phải đồng thời cấp số liệu cho nhiều input, cho nên nó cần phải có khả năng phát ra (source) ở mức logic cao hoặc nuốt vào (sink) ở mức logic thấp, một dòng điện lên tới vài chục mA cấp cho các input đó, đóng vai trò tải của output

Các thông số của Bus bao gồm:

- Trở kháng của Bus (KΩ): là điện trở thuần của Bus Thường thì Bus có điện trở thuần khoảng vài KΩ là thỏa mãn yêu cầu của output

- Dung kháng của Bus (pF): là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở tăng tốc độ biến thiên của các mức điện áp trên Bus Dung kháng của Bus gây khó khăn cho các thiết bị output, do đó dung kháng được xem là thông số đặc trưng của Bus

- Độ rộng Bus (Bit): Là số bit dữ liệu tối có thể truyền qua Bus trong 1 chu

kỳ dữ liệu của Bus Hay là số bit dữ liệu tối đa trong 1 lần truyền

- Tốc độ của Bus (MHz): Là tốc độ truyền dữ liệu tối đa của Bus

- Chu kỳ dữ liệu xung nhịp: Là số chu kỳ xung clock cần thiết để truyền 1 chu kỳ dữ liệu

- Băng thông (MBps): Là số bit dữ liệu tối đa truyền trên một đơn vị thời gian (sec)

Băng thông [MB/s] =Tốc độ Bus [MHz] x Số byte trong một lần truyền tải

Chu kì dữ liệu theo xung nhịp2.4 Hệ thống Bus trong máy tính

Trong hệ thống Bus của

máy tính thì CPU là Bus mater

nắm quyền điều hành toàn bộ

hệ thống Bus Tuy nhiên, không

chỉ CPU nắm quyền điều hành

hệ thống Bus mà có lúc CPU

cũng phải nhường quyền điều

khiển Bus cho các chíp I/0

(Chipset)

Chipset có nhiệm vụ cho

phép hoặc không cho phép thiết

bị hay thành phần nào của hệ

thống sử dụng Bus để trao đổi

dữ liệu Trong một thời điểm

thì Bus chỉ được sử dụng để truyền dữ liệu duy nhất giữa 2 thành phần do chipset điều khiển

2.4.1 Bus trong vi xử lí và Bus bộ vi xử lí (Back Side Bus - BSB) Trong các bộ vi xử lí có một hệ thống các Bus

dùng để truyền số liệu, lệnh, các tín hiệu điều

khiển,…giữa các khối lệnh bên trong của nó, hệ

thống Bus này được gọi là Bus trong vi xử lí Các

đường Bus này được điều khiển bởi khối điều khiển

tùy thuộc vào nội dung lệnh được giải mã hoặc theo

các điều khiển ngắt bên ngoài đưa vào vi xử lí

Hình 1 Cách bố trí chipset điển hình

Hình 2.Back side Bus

Chúng hoạt động theo nhịp của một clock bên trong vi xử lí

Bus bộ vi xử lí là đường truyền giữa CPU và chipset, Bus này thường dùng

để truyền dữ liệu giữa CPU với Bus hệ thống chính hoặc giữa CPU với cache ngoài (thường là L2) BSB bao gồm Bus dữ liệu, Bus địa chỉ và Bus điều khiển, hoạt động ở tốc độ cơ sở của CPU chạy ngoại trú Vì mục đích của BSB để gửi

và nhận thông tin từ CPU với tốc độ nhanh nhất có thể, nên BSB hoạt động nhanh hơn bất cứ Bus nào khác trong hệ thống

2.4.2 Bus hệ thống (Font Side Bus - FSB)

Là hệ thống Bus trao đổi dữ liệu giữa vi sử lí

với bộ nhớ chính và các ổ đĩa Tuy nhiên các thiết

bị này thường là không được trao đổi trực tiếp với

bộ vi xử lý mà phải thông qua bộ nhớ đệm do sự

chệnh lệch tốc độ giữa các thiết bị này và bộ vi xử

lí là quá lớn Độ rộng Bus dữ liệu ở đây luôn bằng

độ rộng Bus của bộ vi xử lí

2.4.3 Bus vào ra (Bus mở rộng)

Các Bus này dùng để trao đổi với thiết bị ngoại vi, có tốc độ rất hạn chế Độ rộng Bus có thể thay đổi

Giao tiếp này có thể là song song hoặc nối tiếp

Riêng giao tiếp nối tiếp ta cần phải có bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp và nối tiếp sang song song

Các Bus này phải có các chuẩn nhất định

2.5 Cơ chế hoạt động

2.5.1 Nghi thức Bus (Bus protocol)

Khi thiết kế các bộ vi xử lý, có thể tuỳ ý lựa chọn loại Bus bên trong vi xử

lý, còn với các Bus liên hệ với bên ngoài cần phải xác định rõ các quy tắc làm việc cũng như các đặc điểm kỹ thuật về điện và cơ khí để người thiết kế Main Board có thể ghép nối vi xử lý với các thiết bị khác nói cách khác, các Bus này phải tuân theo một chuẩn nhất định Tập các quy tắc của chuẩn còn được gọi là nghi thức Bus (Bus protocol)

Hình 3 Bus hệ thống

2.5.2 Bus Driver và Bus Receiver

Nhiều thiết bị nối ghép và trao đổi thông tin với nhau qua các Bus điều khiển, Bus địa chỉ và Bus dữ liệu

Khi một thiết bị muốn trao đổi thông tin với thiết bị khác, đầu tiên nó cần phải chuyển địa chỉ để phân biệt thiết bị bởi vì mỗi thiết bị bao giờ cũng có một địa chỉ duy nhất Đồng thời nó cũng gửi đi một tín hiệu ghi hoặc đọc để xác định hành động

Thiết bị chủ (master)là thiết bị khởi đầu và điều khiển việc trao đổi thông tin còn thiết bị đáp lại gọi là thiết bị tớ (slave), trong hệ thống thường thì CPU hoặc Chipset là master còn lại là slave

Các thiết bị master được nối với Bus thông qua một chip được gọi là Bus driver Về căn bản, Bus driver đóng vai trò là bộ khuếch đại tín hiệu số, đảm bảo cho tín hiệu được phát ra từ các thiết bị master đủ mạnh để truyền tới các thiết bị slave Tương tự, các thiết bị slave được nối với Bus thông qua một chip được gọi là Bus receiver Đối với một số thiết bị có thể khi thì đóng vai trò là master, khi thì đóng vai trò là slave, người ta sử dụng một chip kết hợp được gọi

là transceiver Chip này đóng vai trò ghép nối và thường là các thiết bị có ba trạng thái, có thể cho phép trạng thái thứ ba – hở mạch (thả nổi)

2.5.3 Trọng tài Bus (Bus arbitration)

Trong hệ thống máy tính không phải chỉ có CPU làm Bus master, thực tế các chip I/O cũng có lúc phải làm chủ Bus để có thể đọc hoặc ghi vào bộ nhớ và

để gọi ngắt; các bộ đồng xử lý cũng có thể làm chủ Bus Như vậy cần phải giải quyết vấn đề tranh chấp khi có từ hai thiết bị trở lên đồng thời muốn làm chủ Bus Để giải quyết vấn đề này cần có một cơ chế trọng tài để tránh sự xung đột

Cơ chế trọng tài có thể là tập trung hoặc không tập trung

5.3.1 Trọng tài Bus tập trung

Hình 4 là một ví dụ đơn giản về trọng tài Bus tập trung Ở đây, một trọng tài Bus duy nhất sẽ quyết định thiết bị nào được là chủ Bus tiếp theo Nhiều bộ

vi xử lí có đơn vị trọng tài Bus được thiết kế ngay trong chip, trong một số máy

Theo cơ chế này, trọng tài chỉ có thể biết là có yêu cầu chiếm dụng Bus hay không, chứ không biết có bao nhiêu đơn vị muốn chiếm Bus Khi trọng tài Bus nhận được một yêu cầu, nó sẽ phát ra một tín hiệu cho phép trên đường dây Bus grant (cho dùng Bus) Đường dây này nối qua tất cả các thiết bị vào/ ra theo kiểu nối tiếp

Khi thiết bị nằm gần trọng tài nhất nhận được tín hiệu cho phép, nó sẽ kiểm tra xem có phải chính nó đã phát yêu cầu chiếm Bus không? Nếu đúng thì nó sẽ chiếm lấy Bus và không truyền tiếp tín hiệu cho phép trên đường dây Nếu nó kiểm tra thấy không phải là yêu cầu của mình thì tiếp tục truyền tín hiệu cho phép tới thiết bị kế tiếp trên đường dây

Một số loại Bus có nhiều mức độ ưu tiên, với mỗi mức ưu tiên có một đường dây yêu cầu Bus và một đường dây cho chiếm Bus Hình 5 là một ví dụ

về Bus có hai mức (các Bus trong thực tế thường có 4, 8 hay 16 mức) Mỗi thiết

bị trong hệ thống máy tính nối với một trong các mức yêu cầu Bus, các thiết bị thường được sử dụng hơn được gắn với đường dây có mức ưu tiên cao hơn

Hình 4.Trọng tài Bus tập trung có một mức, mắc nối tiếp

Hình 5 Trọng tài Bus tập trung 1 mức mắc nối tiếp