Tổng quan các giao diện trong máy tính PC

32 bit được làm tăng gấp đôi độ rộng băng thông có tác động hồi tiếp và
chuyển tiếp phù hợp với những thiết bị ngoại vi theo chuẩn PCI.
Chuẩn của bus cục bộ PCI có tác dụng bảo vệ đối với những ứng dụng của
PCI cơ bản. Thanh ghi cấu hình được dụng riêng cho các thành phần điều
khiển PCI và card bổ sung. Một hệ thống phần mềm cấu hình tự động rất dễ
cho sử dụng bởi việc định cấu hình tự động được thực hiện tại thời điểm khởi
động hệ thống. Các dặc tính của bus cục bộ PCI là:
• Tốc độ 33MHz (phiên bản đầu).
• Đường dữ liệu 32 bit và 64 bit mở rộng.
• Hỗ trợ truyền dữ liệu dạng khối.
• Hỗ trợ việc làm chủ bus, cho phép thực hiện đa xử lý mà bất kì bộ xử lý
nào cũng có thể trở thành thiết bị chủ và nắm quyền điều khiển bus.
• Hỗ trợ card mở rộng 3.3V hoặc 5V, cho phép chuyển dễ dàng từ
hệ thống 5V sang 3.3V bằng việc sử dụng các lẫy điện áp.
• Có tính tương thích với các chuẩn cũ ISA, EISA…do sử dụng cầu nối
bus (PCI-to-PCI Bridge). Bus PCI độc lập với bộ vi xử lý, nó là bus
tầng dưới, không trực tiếp nối vào bus hệ thống, giữa bộ vi xử lý và bus
PCI là thiết bị điều khiển PCI- một vi mạch có nhiệm vụ đồng bộ các
tín hiệu hệ thống và tín hiệu bus, làm cho chúng hiểu nhau.
• Cung cấp khả năng tạo cấu hình tự động, người dùng không
cần đặt lại chuyển mạch DIP hoặc chân cắm và lựa chọn ngắt, phần
mềm đặt cấu hình sẽ tự động chọn các địa chỉ và các ngắt chưa sử
dụng để tránh xung đột.
• Trên slot PCI giữa hai chân tín hiệu thường có chân Vcc hoặc
Gnd để ghim nhiễu xuyên âm và bức xạ vô tuyến;
• Thực hiện các ngắt mức khởi phát và hỗ trợ việc chia sẻ ngắt.
8
Ở sơ đồ trên ta thấy bộ vi xử lý, cache, bộ nhớ được nối tới bus PCI qua
một cầu PCI, nó cho phép bộ vi xử lý truy cập trực tiếp tới các thiết bị
truyền theo chuẩn PCI khác như bộ nhớ, không gian địa chỉ I/O. Đồng thời
cầu PCI tạo ra đường truyền băng thông rộng và có nhiều tính năng khác
nhau. Bus PCI cho phép ghép thêm 4 card trên các Slot PCI để kết nối tới
thiết bị ngoại vi.
Phương thức trao đổi dữ liệu chủ yếu của bus PCI là truyền khối (Bus
PCI cho phép truyền khối đối với cả bộ nhớ và không gian địa chỉ cổng
vào ra). Với phương thức này thì trên các đường tín hiệu ADxx bắt đầu
là thông tin địa chỉ tiếp theo là một hoặc nhiều các nhịp dữ liệu (32/64
bit) trong khối đó.
9
Processor
Bridge
Memory
Controller
Cache
Dram Audio
Motion
Video
PCI local bus #0
Graphics
Other I/O
Functions
SCSILAN
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống PCI
PCI-to-PCI
Bridge
PCI local bus #1
1.2.2. Giao diện AGP.
Cổng tăng tốc độ đồ họa là cổng tốc độ cao cho phép hiển thị đồ họa 3
chiều. Nó được dành riêng cho card kết nối thiết bị hiển thị. Giao diện AGP
dưa trên tập hợp các thao tác mở rộng và cải tiến của bus PCI.
Nói chung biến đổi 3 chiều đòi hỏi rất lớn về dung lượng và dải thông bộ
nhớ, khi phần mềm và phần cứng trở nên càng phức tạp thì yêu cầu này càng
tăng nhanh, hai đòi hỏi này sẽ làm tăng chi phí sản xuất. Việc khống chế giá
thành mà vẫn cải thiện được tính năng là mục đích ra đời của AGP. Bằng
cách cải tiến độ lớn băng thông giữa bộ tăng tốc đồ họa và bộ nhớ hệ thống
một số cấu trúc dữ liệu biến đổi 3 chiều có thể chuyển vào bộ nhớ trung tâm
một cách hữu hiệu và giảm áp lực về chi phí bộ nhớ đồ họa cục bộ.
Dữ liệu đồ họa (Texture) là cấu trúc đầu tiên được dịch chuyển vào bộ nhớ
hệ thống vì 4 lý do sau:
+ Texture chỉ để đọc và vì vậy nó không cần có việc định thứ tự truy cập
đặc biệt và các vấn đề kèm theo.
+ Dịch chuyển Texture cân bằng tải băng thông giữa bộ nhớ hệ thống và
bộ nhớ đồ họa cục bộ, vì bộ nhớ Cache có đòi hỏi về băng thông bộ nhớ thấp
hơn nhiều so với bộ biến đổi 3 chiều.
+ Dung lượng Texture phụ thuộc vào chất lượng ứng dụng chứ không
phụ thuộc vào độ phân giải hiển thị và bởi vậy nó là đối tượng chịu áp lực lớn
nhất khi tăng và cải thiện chất lượng.
+ Dữ liệu đồ họa không tồn tại lâu dài, nó thường trú trong bộ nhớ chỉ
khi chạy ứng dụng. Bởi vậy phần bộ nhớ để lưu nó được trả về heap bộ nhớ
trống khi kết thúc ứng dụng. Việc giảm chi phí bằng cách chuyển dữ liệu đồ
họa vào bộ nhớ trung tâm là mục đích chính của AGP, nó được thiết kế để
10
cho tạo quá trình chuyển đổi trơn cho những nhà cung cấp đồ họa dựa trên
chuẩn PCI để phát triển các thiết bị có chức năng cao hơn trong tương lai.
AGP không thay thế và không hủy bỏ chuẩn PCI trong hệ thống. Cổng tốc
độ cao AGP độc lập với bus PCI về mặt vật lý, lôgic và điện. Nó là điểm kết
nối bổ xung trong hệ thống như hình trên. Nó dành riêng cho việc sử dụng các
thiết bị hiển thị, tất cả các thiết bị vào/ra khác sẽ vẫn ở trên bus PCI. Khe cắm
dành cho AGP sử dụng đầu nối mới không tương thích với đầu nối PCI, bảng
mạch PCI và AGP không thể hoán đổi cho nhau được. Đặc tính AGP được
phát triển bởi hãng Intel, độc lập với PCI của Special Interst Group.
Giao diện AGP sử dụng PCI 66Mhz như là thao tác cơ bản với mục đích
tối ưu hóa các ứng dụng đồ họa 3 chiều tốc độ cao bằng cách:
- Can thiệp sâu vào không gian nhớ.
- Phân kênh địa chỉ và dữ liệu trên bus vì thế bus đạt hiệu suất gần 100%.
- Với điện áp cung cấp 3.3V cho phép truyền dữ liệu một hoặc hai lần
trong một nhịp xung clock 66MHz. Vì thế tốc độ truyền có thể đến
1GBps.
1.2.3. Giao diện USB.
USB là một chuẩn truyền dữ liệu cho thiết bị ngoại vi được hãng Intel và
Microsoft phát triển. Đây là sự thay thế cho việc có quá nhiều đầu nối và cổng
11
Processor
Chipset
Gfx
Accel
Sys
Mem
LFB
I/O I/O I/O
AGP
PCI
Hình 1.3: Sơ đồ khối mối quan hệ AGP và PCI
ở mặt sau máy tính, thay vì có quá nhiều đầu nối vào máy tính cho bàn phím,
chuột, máy in, modem, thiết bị multimedia, máy ảnh số Chuẩn USB cho
phép tất cả nối vào cổng duy nhất trên bảng mạch máy chủ của máy tính.
Chuẩn USB loại trừ nhiều rắc rối trên khi cài đặt thiết bị ngoại vi, chẳng hạn
như phải tháo máy để cài đặt card nối ghép, thay đổi các chuyển mạch, khai
báo ngắt
Ở trên cho thấy hình ảnh của hệ thống USB được thực hiện trên nền tảng
cơ sở của bus PCI-khối điều khiển chủ USB nằm trên bus PCI. USB được
phát triển theo yêu cầu chính sau:
12
PCI Bus
SCSI Host
Bus Adapter
LAN
Adapter
Card Bus
Bridge
Graphics
Adapter
Host/
PCI
Cache/
Bridge
Memory
Bus
CPU
CPU Local
Bus
CD
ROM
Tape
Disk
Mouse Speaker
CardBus
PC Card
16-Bit
PC Card
Hình 1.4: Sơ đồ khối mối quan hệ USB v PCIà
Main Memory
Video
Frame
Buffer
USB
Host Controller
(Root Hub)
Monitor
(Hub)
Keyboard
(Hub)
• Dễ sử dụng: nối thiết bị mà không cần mở hộp PC, USB sẽ nối ngay
thiết bị đó và bổ sung thông tin về thiết bị đó như kiểu loại, số hiệu, nhà
sản xuất Nếu như rút một thiết bị USB ra khỏi PC thì chíp điều khiển
giao diện USB sẽ nhận ra và thông báo cho phần mềm điều khiển thiết bị,
do đó PC biết thiết bị đó đã được rút ra.
• Mở rộng cổng giao tiếp: các thiết bị theo chuẩn USB thường có mức
tiêu thụ năng lượng thấp, vì thế nên có nhiều thiết bị tốc độ cao cùng được
kết nối qua bus này.
Trên bảng mạch chủ máy vi tính chỉ có duy nhất một khối điều khiển cho
giao diện này, cho phép đồng thời quản lý 127 thiết bị ngoại vi bằng cách chia
sẻ băng thông cho tất cả các thiết bị trên kênh trong cùng một thời điểm. Nó
có 4 đường tín hiệu: 2 đường cho nguồn và 2 đường cho truyền dữ liệu. Mỗi
khi cắm một thiết bị vào giao diện USB, nó sẽ phát hiện và gán cho một địa
chỉ tương thích với chíp điều khiển giao diện USB (trên PC).
Đặc tính của USB xác định kết nối và truyền tin giữa hai thành phần cơ
bản: khối điều khiển USB và thiết bị USB. Chỉ có một khối điều khiển USB,
nó thực hiện các kết hợp phần cứng, chương trình cơ sở hoặc phần mềm. Có
hai kiểu thiết bị USB: USB Hub và USB Functions. USB Hub cho phép mở
rộng số jack nối USB vào hệ thống còn USB Functions cho phép nối hệ thống
với các thiết bị ngoại vi như: bàn phím, chuột…
Chuẩn USB hiện có hai phiên bản là USB 1.1 và USB 2.0. Phiên bản USB
1.1 có 2 tốc độ: 12MHz và 1.5MHz, tốc độ 1.5 MHz chậm hơn và ít ảnh
hưởng của nhiễu nên giảm chi phí sản xuất. Phiên bản USB 2.0 ngày nay có
thể đạt tới tốc độ 480 Mb/s.
Qua việc tìm hiểu về giao diện tốc độ cao ta nhận thấy giao diện PCI là cơ
sở để xây dựng các chuẩn giao tiếp khác. Vì vậy trước khi tìm hiểu chuẩn
giao diện USB ta sẽ nghiên cứu những vấn đề cơ bản nhất của giao diện PCI .
13
1.3. Chuẩn giao diện Peripheral Component Interconnect - PCI.
1.3.1. Mô tả chân tín hiệu trên Slot PCI.
Các chân tín hiệu được phân chia theo nhóm và tổ chức như sau :
+ Nhóm các
chân hệ thống:
- CLK: Là chân vào, cung cấp đồng hồ thời gian cho mọi thực thi trên
bus PCI. Tất cả tín hiệu, trừ RST#, INTA#, INTB#, INTC#, INTD#, PME# và
CKLRUN# đều kích phát ở sườn dương xung CLK và các thông số thời gian
khác đều được xác định thông qua tín hiệu này.
- RST#: Là chân vào, để đặt lại các thanh ghi và các tín hiệu khác về
trạng thái ban đầu.
+ Nhóm các chân địa chỉ và dữ liệu:
- AD31-AD0: Là các chân 3 trạng thái, kết hợp dữ liệu và địa chỉ tương
ứng trên cùng một chân tín hiệu. Trong nhịp địa chỉ, nếu truy cập địa chỉ
14

Arbitration
(maslers only)


PCI
Compliant
Device
AD[31::0]
C/BE[3::0]#
Address
and Data

PAR

FRAME#
TRDY#
IRDY#
STOP#
DEVSEL#
IDSEL#
Interface
Control

PERR#
SERR#
Error
Reporting

REQ#
GNT#
CLK
RST#
System

AD[63::32]
C/BE[7::4]#
PAR64

REQ64
#

ACK64
#

64-Bit
Extension
LOCK#

SMBCL
K

SMBDAT

PME#

CLKRUN#

Interface
Control
INTA#

INTC#

INTB#

INTD#

Interrupts
TDI

TDO

TCK

TMS

TRST#

JTAG
(IEEE 1149.1)
Hình 1.5: Tổ chức chân Bus PCI
vào/ra thì đó là byte địa chỉ vật lý còn nếu truy cập bộ nhớ thì đó là hai từ
(DWORD) địa chỉ vật lý. Một chu kỳ Bus bao gồm một nhịp địa chỉ và một
hay nhiều nhịp dữ liệu.
- C/BE3-C/BE0: Là các chân ba trạng thái, lệnh Bus _Command và
Byte_enable được kết hợp trên các chân tín hiệu này.
* Trong nhịp địa chỉ, C/BE3-C/BE0 định nghĩa lệnh Bus_Command.
* Trong nhịp dữ liệu C/BE3-C/BE0 được sử dụng như các lệnh Byte_enable.
- PAR: Chân ba trạng thái, là chân kiểm tra chẵn lẻ.
+ Nhóm các chân điều khiển giao diện.
- FRAME#: Là chân ba trạng thái liên tục, được điều khiển bởi đối tượng
chủ hiện hành nhằm chỉ ra điểm bắt đầu và thời gian có hiệu lực của sự truy cập.
- IRDY#: Là chân ba trạng thái liên tục chỉ ra khả năng của đối tượng
khởi đầu giao dịch có thể hoàn thành pha dữ liệu hiện hành của một nhịp trao
đổi dữ liệu.
- TRDY#: Là chân ba trạng thái chỉ ra khả năng của đối tượng đích có thể
hoàn thành pha dữ liệu hiện hành của một nhịp trao đổi dữ liệu. Hai tín hiệu
TRDY# và IRDY# thường được dùng kết hợp với nhau.
- STOP#: Là chân ba trạng thái liên tục, chỉ ra đối tượng hiện tại yêu cầu
đối tượng khởi đầu giao dịch ngưng sự thực thi hiện hành.
- LOCK#: Là chân ba trạng thái dùng khi cầu PCI phục vụ nhiều đối
tượng thực hiện trao đổi dữ liệu.
- IDSEL#: Là chân vào lựa chọn thiết bị khởi tạo, chân này được sử dụng
như một chân chọn chíp trong khi đặt khởi tạo sự thực hiện đọc và ghi dữ liệu.
- DEVSEL#: Là chân ba trạng thái liên tục, lựa chọn thiết bị khi điều khiển
hoạt động, nó chỉ ra đối tượng điều khiển mà địa chỉ của nó được giải mã như
15
đối tượng đích của sự truy cập hiện hành. Như một chân vào, tín hiệu
DEVSEL# chỉ ra thiết bị nào trên Bus đã được lựa chọn.
+ Nhóm các chân báo lỗi: Được dùng để báo và sửa các lỗi về địa chỉ và dữ
liệu trong khi trao đổi dữ liệu, gồm có chân SERR và PERR.
- PERR#: Dùng báo lỗi chẵn lẻ của dữ liệu trong tất cả các thao tác trên
bus, được điều khiển bởi đối tượng nhận dữ liệu.
- SERR#: Dùng báo lỗi chẵn lẻ của dữ liệu và địa chỉ trong tất cả các
thao tác trên bus.
+ Nhóm chân phân phối bus: Gồm chân REQ#, GNT# phục vụ cho việc
chuyển quyền điều khiển bus giữa các đối tượng khởi đầu giao dịch.
+ Nhóm các chân ngắt: Ngắt trong bus PCI là tuỳ chọn với mức tích cực
thấp. Một đối tượng yêu cầu ngắt khi nó đòi hỏi sự đáp ứng ngay của thiết bị
điều khiển. Tín hiệu báo ngắt tồn tại cho đến khi thiết bị điều khiển xoá yêu
cầu ngắt. Có 4 tín hiệu ngắt sau.
- INTA#: Dùng yêu cầu ngắt.
- INTB#: Dùng yêu cầu ngắt và chỉ dùng cho thiết bị đa chức năng.
- INTC#: Dùng yêu cầu ngắt và chỉ dùng cho thiết bị đa chức năng.
- INTD#: Dùng yêu cầu ngắt và chỉ dùng cho thiết bị đa chức năng.
+ Nhóm các chân bổ xung:
- PRSNT1 và PRSNT2: là chân tín hiệu vào. Các card cắm trên slot
dùng các tín hiệu này để báo cho bộ điều khiển PCI biết sự tồn tại của mình
để cung cấp nguồn theo yêu cầu của card. Những tín hiệu này là bắt buộc đối
với card bổ sung nhưng là tuỳ chọn đối tượng với board hệ thống.
- CLKRUN#: Là chân tín hiệu vào tuỳ chọn được sử dụng như một tín
hiệu vào cho thiết bị nhằm xác định trạng thái xung CLK.
16
- M66EN#: Chân vào, chân này chỉ ra một thiết bị hay một phân đoạn
bus sẽ thao tác ở tần số 66 MHz hay 33 MHz.
- PME#: Tín hiệu này là một tuỳ chọn mà có thể được sử dụng bởi một
thiết bị nhằm yêu cầu một sự thay đổi trạng thái năng lượng của hệ thống
hoặc thiết bị.
- 3.3 Vaux: Là chân tín hiệu vào, một tuỳ chọn 3.3V hỗ trợ nguồn năng
lượng cung cấp năng lượng cho một card bổ xung PCI.
+ Nhóm các chân mở rộng Bus 64 bit: Nếu sử dụng Bus mở rộng 64 bit thì
tất cả các chân này đều được sử dụng.
- AD63-AD32: Các chân địa chỉ và dữ liệu tương ứng được kết hợp trên
cùng một chân tín hiệu cung cấp 32 bit bổ xung. Trong một nhịp địa chỉ thì 32
bit cao của địa chỉ 64 bit được truyền đi. Trong nhịp dữ liệu, 32 bit dữ liệu bổ
xung được truyền đi khi tác vụ thực thi 64 bit được xác nhận bởi hai tín hiệu
REQ64# và ACK64#.
- CBE7-CBE4: Có chức năng giống như các tín hiệu CBE3-CBE0.
- REQ66#: Tín hiệu yêu cầu truyền 64 bit.
- ACK66#: Tín hiệu chấp nhận truyền 64 bit.
- PAR64#: Chân tín hiệu chẵn lẻ 32 bit phần cao trong tổng số 64 bit dữ
liệu. Trong nhịp địa chỉ và ghi dữ liệu được điều khiển bởi bộ điều khiển bus,
trong nhịp đọc dữ liệu được điều khiển bởi đối tượng nhập dữ liệu.
+ Nhóm các chân quét đường biên/JTAG (tuỳ chọn).
- TCK: Chân tín hiệu vào, để kiểm tra dữ liệu vào/ra của thiết bị.
- TDI: Chân tín hiệu vào, kiểm tra dữ liệu và lệnh vào thiết bị.
- TDO: Chân tín hiệu ra, kiểm tra dữ liệu và lệnh ra thiết bị.
- TMS: Chân tín hiệu vào, điều khiển trạng thái quá trình kiểm tra thiết bị.
17

Xem chi tiết: Tổng quan các giao diện trong máy tính PC