Architecture des OrdinateursCommunication de données entre éléments

Communication processeur mémoire

Évaluation de performances

La gestion de périphériques

Plus loin dans l ’assembleur : le processeur MIPS

gestion de périphériques en assembleur

les exceptions

Quelques architectures parallèles

Échange de données

Rappel

Micro-processeur Mémoire

Échange de données via :

bus d ’adresse (unidirectionnel)

bus de données (bidirectionnel)

Rappel

Micro-processeur Mémoire

Terme générique de BUS : englobe bus de donnés, bus d ’adresse, signaux de commande

commandes

BUS

CPU RAM

Autres dispositifsCommunication avec d’autres éléments :

• clavier

• moniteur (carte vidéo)

• souris

• cartes contrôleur (USB, SCSI, Firewire)

• disques, lecteurs/graveurs

• imprimantes

• autres cartes (réseau, acquisition vidéo, etc…)

Autres dispositifsCommunications entre processeur et éléments, mais aussi d’élément à élément.

Communication par BUS

BUS : canal de communication

plusieurs sortes de BUS

CPU RAM

BUS

Disque

imprimant

eÉcran autre

s

Autres dispositifsÉléments échangent des données via le bus.

1 seul bus : 1 seul dialogue à la fois

2 éléments concernés : le dialogue doit être organisé :

stratégie de type Maître/Esclave

Maître : donne des commandes via le bus

Esclave : effectue l’action demandée

Exemples avec CPU et Mémoire

Échanges CPU/MémoireComment utiliser le (?) bus…

LE bus : abus de langage : facilite la présentation

en fait : bus d ’adresse, bus de données

le plus souvent : pistes de cuivre contiguës : apparence d’un seul bus.

De plus : signaux de commande pour piloter l’esclave

En cas d’échange CPU/mémoire

Maître : CPU

Esclave : Mémoire

Échanges CPU/MémoireÉtablissement d ’un dialogue initié par le CPU :

2 possibilités : a) Lire une donnée à une certaine adresse

b) Écrire une donnée à une certaine adresse

quel élément fournit les informations pour ces deux cas ?

a) CPU fournit adresse ou lire : via le bus d ’adresse

commande READ via signaux de commande

RAM fournit valeur stockée via le bus de données

Échanges CPU/Mémoireb) CPU fournit adresse ou lire : via le bus d ’adresse

commande WRITE via signaux de commande

valeur à écrire via le bus de données

la RAM est passive ?

Les éléments du dialogue sont ordonnés chronologiquement !

La RAM ne peut pas traiter la requête instantanément

Échanges CPU/MémoireCas a)

CPU : "voici l’adresse, voici la commande READ"

quand la donnée sera-t-elle fournie par la RAM ? La RAM fonctionne-t-elle bien ?

RAM : fournit un premier accusé de réception de la commande envoyée par le processeur : "bien reçu !"

RAM : temps d’attente (délai de latence) pour répondre

une fois ce délai passé : RAM "voici la donnée, elle peut être lue"

CPU "bien reçu !"

RAM "ok, je suis de nouveau disponible"

Échanges CPU/MémoireCas b)

CPU : "voici l’adresse, voici la commande WRITE, voici la donnée"

quand la donnée sera-t-elle inscrite par la RAM ? La RAM fonctionne-t-elle bien ?

RAM : fournit un premier accusé de réception de la commande envoyée par le processeur : "bien reçu !"

RAM : temps d’attente (délai de latence) pour répondre

une fois ce délai passé : RAM "j'ai écrit la donnée"

CPU "bien reçu !"

RAM "ok, je suis de nouveau disponible"

Types de BUSDeux grandes familles de bus pour traiter ce type d'échange

BUS synchrone :

possède sa propre fréquence,

synchronisation des dispositifs par rapport au BUS

utilisation des fronts du signal d'horloge du bus comme points de repère :

toute transaction occupe un nombre entier de cycles de bus

Types de BUSBus synchrone : signal d'horloge

représentation :

t ns

1 cycle de bus

Temps de montée non négligeable par rapport au temps de cycle

Front montant Front descendant

Types de BUSToute information est prise en compte à l'apparition d'un front (montant ou descendant).

Certains dispositifs utilisent les deux fronts (ex : RAM de type DDR)

permet des transferts par blocs (plusieurs données)

Types de BUSBUS asynchrone : pas d'horloge, les points de repère sont fournis pas des signaux annexes de synchronisation.

Chaque élément pilote un tel signal de synchronisation

signal MSYN : synchronisation maître

signal SSYN : synchronisation esclave

Chronogrammes de BUSReprise des exemples de dialogue

Détail de la transaction ,des signaux délivrés au fur et à mesure du temps : chronogramme de bus.

Découpé ou non en cycles !

Déroulement temporel Horloge !

Synchrone/asynchrone : Même dialogue, synchronisation différente.

Chronogrammes de BUSBus asynchrone

Les signaux

ADRESSES

MREQ

RD

MSYN

SSYN

DONNEES

Chronogrammes de BUSRelation de cause à effet entre signaux

ADRESSES

MREQ

RD

MSYN

SSYN

DONNEES

Chronogrammes de BUSBus synchrone, fréquence F= 40 MHz

ADRESSES

MREQ

RD

WAIT

DONNEES

C1 C2 C3

Chronogrammes de BUSContrainte de temps sur un bus synchrone

Adapter le temps de réponse de la mémoire à la fréquence du bus.

But : minimiser les cycles en wait-state car :

occupation du bus

monopolisation de l'UC (instruction en cours)

le bus peut être plus lent que l'UC.

L'UC s'organise en conséquence (déséquencement)

Chronogrammes de BUSContrainte de temps sur un bus synchrone

Sur l'exemple précédent :

calcul du temps de réponse de la mémoire en fonction des caractéristiques du bus:

la mémoire commence à réagir lorsque les signaux MREQ et RD sont actifs.

pourquoi pas de réaction avec le bus d'adresse ?

Chronogrammes de BUSContrainte de temps sur un bus synchrone

Temps disponible dans chaque cycle

cycle C1 : reste (à peu près) : 10 ns

(après stabilisation de MREQ et RD)

cycle C2 : on accepte un cycle en wait-state : 25 ns

(la mémoire indique qu'elle ne peut répondre)

cycle C3 : la donnée doit être stable à la moitié du cycle : 10 ns

(car donnée lue au front descendant d'horloge dans C3)

total : 45 ns

= limite supérieure du temps de réaction avec 1 wait-state

Chronogrammes de BUSContrainte de temps sur un bus synchrone

Démarche inverse : on connaît le temps de réponse de la mémoire, combien y aura-t-il de cycles d'attente ?

Nombre de cycles en wait-state

Temps de réponse (ns)45 70 95 120

1

0

2

3

4

Mode bloc (bus synchrone)

Transfert de plusieurs données à la suite :

une seule adresse fournie (sinon : plusieurs transactions)

plusieurs valeurs concernées (lecture ou écriture)

donc valeurs localisées à des adresses successives

Utilité ?

1) taille de donnée transmise = taille D du bus de données

rappelez-vous le M68000 ! D taille M d'une cellule mémoire taille R d'un registre de données !

2) Anticipation des accès futurs

Mode bloc (bus synchrone)

Ajout d'un signal supplémentaire BLOCK pour demande de lectures successives.

Principe : le CPU donne : l'adresse, le nombre de données à fournir (sur bus de données) et utilise un signal BLOCK.

La mémoire indique les cycles de wait-state, puis transmet les données demandées à raison d'une par cycle.

Exemple d'un tel chronogramme :

Chronogramme de transfert de bloc

ADRESSES

MREQ

RD

WAIT

DONNEES

C1 C2 C3

BLOCK

C4

nombre data data

Comparaison de performance

Avec un bus synchrone : transfert de N données (lecture)

mode 'simple' : N transactions, chacune consommant C cycles.

décomposons C : 1 cycle de préparation

W cycle(s) d'attente (wait state)

1 cycle de lecture

d'où C = W+2

d'où temps total de transfert (on considère que les transactions s'enchaînent sans temps mort) :

N.C = N.(W+2)

Comparaison de performance

Avec un bus synchrone : transfert de N données (lecture)

mode 'bloc' : 1 transactions, consommant C' cycles.

décomposons C' : 1 cycle de préparation

W cycle(s) d'attente (wait state)

N cycles de lecture (car mode bloc)

d'où temps total de transfert (on considère que les transactions s'enchaînent sans temps mort) :

1.C' = 1+W+N

Autres types de transactions

Communications avec autres dispositifs ?

Avec le même principe : synchronisation d'un dialogue pré établi entre maître et esclave, via le bus.

Maître : "voici l'adresse, voici la commande (et éventuellement la donnée)"

Esclave : (au bout d'un certain temps) : "Ok, bien reçu, c'est fait"

Maître : "Bien reçu, j'ai terminé de mon côté"

Esclave : "Je suis de nouveau disponible"

Autres types de transactions

Tout dispositif ou périphérique est adressable par le CPU où un autre dispositif (nous y reviendrons plus tard)

Limites des familles de BUSBus synchrone :

présence de cycles

transactions en nombre entiers de cycles

coût peu élevé : synchro faite par le bus.

Efficace pour une gamme de fréquence

Bus asynchrone :

transactions réglées au plus vite

signaux supplémentaires

coût élevé : synchro faite par les périphériques !

Efficace quelle que soit le débit du périphérique

Architecture des bus d'un PC

Basé sur des BUS synchrones.

Quels types de bus connus ?

ISA / EISA : ancien bus de PC

PCI (VLB) : Bus générique à l'origine

USB : Universal Serial Bus

AGP : Accelerated Graphic Port : cartes graphiques

IDE/EIDE/(S)ATA : Integrated Drive Electronics / AT Attachment : Disques

SCSI : Disques

CPU

Chipset 1 "NorthBridge"

Chipset 2 "SouthBridge"

RAMBUS AGP BUS MEM

BUS PCI

GfxRAM

Carte Vidéo

BUS interne

BUS Processeur

USBFireWire

Audio/Modem/Réseau

IDE ATA

Clavier/souris/

floppy/Midi

Caractéristiques des bus PCLe FireWire (ou IEEE 1394-1995)

partie intégrante de la norme SCSI-3, utilisation d'un bus série.

Standard for a High Performance Serial Bus : nom de norme originale

FireWire : nom déposé par Apple Computers Inc.

Avantages prévus :• interface numérique (pas de CAN/CNA)• taille réduite : câble fin, peu coûteux• Hot Plug and Play• topologie flexible• garantie de bande passante pour tous les périphériques

Caractéristiques des bus PCLe FireWire (ou IEEE 1394-1995)

Destiné à relier : ordinateurs, produits manipulant de l'audio et de la vidéo (caméscopes), imprimantes, scanners, disques durs.

Proche de l'USB, bande passante bien supérieure, apparition de l'IEEE 1394b pour concurrencer l'USB 2.0

Caractéristiques des bus PCLe SCSI (Small Computer System Interface)

créée en 1986 à partir de l'interface SASI.

Possibilité de connecter des périphériques internes, contrôleur évolué non prévu en série sur les différents chipsets : carte SCSI et matériels onéreux en général.

Gestion des accès et des transferts réalisés par des puces spécialisées : décharge du processeur.

Débit de 1,5 Mo/s (SCSI-1) à 320 Mo/s (SPI-Ultra320)

Caractéristiques des bus PCL'USB (Universal Serial Bus)Première version commerciale de l´Universal Serial Bus, l´interface USB 1.1 permet de connecter à un micro-ordinateur jusqu´à 127 périphériques pour un débit maximal de 12 Mbits/s, soit 1.5 Mo/s, le tout sur un bus série comme son nom l´indique.

Principalement destiné aux périphériques lents, l´interface a été développée par Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC et Philips depuis 1994 pour aboutir sur le marché grand public en 1998.

Caractéristiques des bus PCL'USB (Universal Serial Bus)Les principaux critères du développement de ce bus ont été les suivants :

Facilité d´utilisation Solution bas-prix pour des périphériques pouvant communiquer jusqu´à 12 Mbits/s Transmission en temps réel de la voix, du son et de vidéos compressées Support de l´architecture CTI (Computer Telephony Integration) Facilité et ajout de possibilités d´extensions pour tout micro-ordinateur

Caractéristiques des bus PCLe protocole

L´USB prend en charge principalement deux modes de transmission :

le mode asynchrone, tout comme un port série classique;

le mode isochrone, qui permet une communication périodique et continue entre le contrôleur maître et les périphériques. À chaque milliseconde précisément, le contrôleur maître transmet un paquet pour maintenir tous les périphériques synchronisés. Il y a quatre sortes de paquets: les paquets de contrôle, les paquets isochrones, les paquets en vrac et les paquets d´interruption.

Caractéristiques des bus PCLes paquets de contrôle servent à configurer des périphériques, à leur donner des commandes et les interroger sur leur statut.Les paquets isochrones servent aux périphériques temps réel comme les webcams et les téléphones, qui ont besoin d´envoyer ou de recevoir des données à des intervalles de temps réguliers. Ils ont un délai fixe, mais ne permettent pas de retransmission en cas d´erreur.Les paquets en vrac servent pour des transferts en direction ou en provenance d´un périphérique sans exigence de temps réel, comme des imprimantes. Les paquets d´interruption sont nécessaires parce que le USB ne support pas les interruptions.

Caractéristiques des bus PCLe bus AGPde la carte graphique en lui ouvrant un canal direct d'accès à la mémoire, sans passer par le contrôleur d'entrée-sorite. Ainsi le contrôleur vidéo peut accéder directement à la mémoire vive centrale

Le port AGP 1X est cadencé à 66 MHz, contre 33 MHz pour le bus PCI, ce qui lui offre une bande passante de 264 Mo/s (pour le bus PCI 132 Mo/s à partager entre les différentes cartes), soit de bien meilleures performances, notamment pour l'affichage de scènes 3D complexes.

Caractéristiques des bus PCLe bus AGPAvec l'apparition du port AGP 4X, la bande passante est passée à 1Go/s.

Maintenant la nouvelle norme est en AGP Pro 8x avec une bande passante de 2Go/s.

Les débits des différentes normes AGP sont les suivants : AGP 2X : 66,66 MHz x 2(coef.) x 32 bits = 533.67 Mo/s AGP 4X : 66,66 MHz x 4(coef.) x 32 bits = 1,06 Go/s AGP 8X : 66,66 MHz x 8(coef.) x 32 bits = 2,11 Go/s

Performances de busDépend de la largeur de bus = taille de la donnée transmise

Dépend du temps de transmission de la donnée = temps de présence sur le bus.

Ce temps dépend de la fréquence de bus.

Soit un bus synchrone de fréquence F (en MHz), et d'une largeur de N bits (N fils de données).

Fréquence F : nombre de changements d'état par seconde, chaque ligne de bus est indépendante :

Débit Dmax = F. N (en bits/s-1).

Performances de busApplications numériques :

F= 133 MHz, N=64 bits :

Dmax = 64.133.106 bits.s-1,

soit 1 064 000 000 octets/s,

soit 0,99 Go/s, en divisant par 10243.

Un constructeur fait ce calcul mais : il divise par 10003 : 1,064 Go/s.

Sa mémoire est de la DDR : il double le débit : 2,128 Go/s, convertit et Mo et appelle sa mémoire : PC2100

Performances de busValable avec d'autres dispositifs ! Exemple avec un dispositif vidéo :

Quelle doit être la bande passante d'un bus vidéo pour réaliser un affichage de 60 images/s avec une résolution de 1024 768 en 32 bits ?

combien d'octets occupe une image 1024 768 en 32 bits ?

1024 768 4 = 3 Mo !

(60 images de 3 Mo) /s = 180 Mo/s

Performances de busValable avec d'autres dispositifs ! Exemple avec un dispositif vidéo :

Quelle doit être la bande passante d'un bus vidéo pour réaliser un affichage de 60 images/s avec une résolution de 1024 768 en 32 bits ?

combien d'octets occupe une image 1024 768 en 32 bits ?

1024 768 4 = 3 Mo !

(60 images de 3 Mo) /s = 180 Mo/s

Gestion de bus, conflits• Plusieurs éléments communicants

• un seul canal un seul dialogue à un instant donné

arbitrage de l'accès au bus nécessaire ! (réseaux)

Arbitrage dynamique : allouer le bus sur demande, lorsqu'il est libre, à un maître potentiel qui le demande via un signal Bus Request (BR)

il peut y avoir plusieurs demandes simultanées : choix d'une allocation/attribution :

Gestion de bus, conflits• suivant une priorité affectée de manière unique à chaque maître potentiel

• de manière "équitable" (pour éviter les pbs de famine)

• en combinant les deux politiques : départager équitablement deux demandes de même priorité

libération de bus peut intervenir de plusieurs manières :

• fin de transaction

• sur demande : le maître conserve le bus jusqu'à une nouvelle demande

• par préemption

Mécanisme matériels d'arbitres

La réalisation du mécanisme d'arbitrage peut être distribuée : répartie entre les éléments : Arbitrage décentralisé

Cet arbitrage peut aussi être centralisé : se trouve sur un seul des modules connectés au bus, ou sur un module dédié, nommé arbitre de bus

réalisation basée sur 3 signaux :

• BR : Bus Request : demande de bus de la part des maîtres potentiels

• BA/BG : Bus Acknowledge/Bus Grant : attribution de bus

• BB : Bus Busy : bus occupé

Le Daisy Chaining

Structure en "guirlande" : matérialisation de la priorité des périphériques par leur position sur le bus

Arbitre centralisé

Périph 1 Périph 2 Périph n...

Bus Request

Bus Busy

Bus Grant

Le Daisy ChainingLes éléments désirant prendre le contrôle du bus émettent un signal BR : la ligne "bus request" arrivant à l'arbitre de bus réalise un OU câblé.

L'arbitre de bus ne voit donc qu'une requête globale : BR

2 options pour la suite du traitement : ligne BB gérée par l'arbitre ou non

a) BB gérée par l'arbitre

si le bus est libre : arbitre émet BG à la guirlande, ce signal est 'intercepté' par le dispositif le plus proche de l'arbitre, le signal BB est activé et la transaction de bus débute

sinon : pas d'émission de BG

Le Daisy Chainingb) BB non géré par l'arbitre

l'arbitre émet BG vers la guirlande :lorsqu'un périphérique reçoit ce signal, et s'il a émis une requête BR, il regarde si le bus est libre (BB). Si oui, il prend le contrôle du bus et signale que le bus est occupé en activant le signal BB.

Avantages du daisy chaining : simplicité de réalisation

inconvénients : priorité statique, lenteur de réponse, sensibilité aux pannes

Le Daisy Chaining : exempleIllustration du cas b) demandes BR simultanées de 2 et 4

Arbitre centralisé

Périph 1 Périph 2 Périph 4

Bus Request

Bus Busy

Bus Grant Périph 3

Chaque module connecté au bus dispose de ses propres lignes BG et BR reliées au contrôleur de bus

avantages : absence de délai de réponse, de sensibilité aux pannes d'un module, et le caractère non statique de la priorité

inconvénient : multiplication des lignes de contrôle

Requête - Autorisation

Arbitre centralisé

Périph 1 Périph 2 Périph 3

Bus Busy

Requête - AutorisationPriorités gérées de manière dynamique : possibilité de définir une table des priorités, associant à chaque signal BR issu d'un périphérique une priorité indépendante de son positionnement.

Requête-autorisation permet de faire des allocations équitables en gérant une table des allocations accordées/refusées : les requêtes BR ne sont plus anonymes.

Ex de contenu de table de priorité dans un arbitre de bus :n° de requête BR priorité courante % de requêtes BR satisfaites

mise à jour des priorités selon le nombre d'allocations : allocation de ressource dite à 'priorité tournante' (problème classique rencontré dans d'autres domaines, notamment ordonnancement de processus)

Arbitrage mixte

Combinaison des deux techniques précédentes :

définition de 'groupes' de périphériques.

Chaque groupe dispose d'une ligne BR et d'une ligne BG propre pour communiquer avec l'arbitre de bus (un groupe est donc équivalent à un périphérique en autorisation-requête)

l'arbitre de bus délivre donc un signal BG à ce groupe, ce signal est ensuite traité par la technique de la guirlande (daisy-chaining) au sein du groupe.

(schéma)

Arbitrage décentralisé

Défaut de l'arbitrage centralisé : si l'arbitre tombe en panne ! Plus d'allocation de bus possible, alors que les périphs fonctionnent tous.

On peut associer à chaque périphérique un module d'arbitre décentralisé :

périphérique

Arbitre distribué

n° de priorité

Bus busy

Bus Grant

Bus numéro arbitrage

Arbitrage décentralisé

Chaque module possède un numéro de priorité unique, et dialogue avec son propre arbitre.

L'arbitre place ce numéro sur le bus numéro arbitrage (lignes de contrôle de bus)

un MAXimum est effectué entre tous les numéros de priorité déposés par les arbitres à un instant donné

ce numéro est comparé, par chaque arbitre, au numéro de périphérique dont dépend l'arbitre, pour savoir s'il peut disposer du bus. Sinon : retrait du numéro

Ne reste donc que le numéro du périphérique pouvant prendre le bus, l'arbitre le lui accorde.

Arbitrage décentralisé

Exemple : N périphériques en arbitrage décentralisé, les numéros 4,5 et 7 demandent l'accès au bus :

sur la ligne : MAX(4,5,7) : 7 donc 4 et 5 retirent leur numéros !

Stratégies de priorités

Stratégie linéaire

un numéro fixe est attribué à chaque demandeur, les numéros sont rangés par ordre de priorité décroissante.

Exemple : 4 L 3 L 1 L 2 signifie que le périphérique 4 est le plus prioritaire, et que le 2 est le moins prioritaire

simple, mais risque de famine : se traduit facilement avec le daisy chaining

Stratégies de priorités

Stratégie Circulaire (Round Robin): la priorité circule sur les demandeurs. Les numéros sont placés dans une liste circulaire, et c'est le demandeur dont le numéro est placé à droite du dernier maître qui obtient la plus haute priorité

ex :

4 R 3 R 1 R 2, signifie que le périphérique le plus prioritaire est le 4 si le 2 était maître du bus précédemment.

Plus difficile que la linéaire, mais évite les famines

Stratégies de priorités

Stratégie Cyclique : pour chaque demandeur, on garde l'antériorité des demandes précédentes (c'est à dire le temps écoulé depuis la dernière demande non satisfaite). Application d'une stratégie linéaire sur les modules classés par ordre d'antériorité décroissante.

Ex :4 C 1 C 2 C 3.

Possibilité de mixer ces différentes stratégies