Inhalt Teil 9 (Peripheriebusse) aus 8. Busse und Systemstrukturen
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- Claudia Bachmeier
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1 Inhalt Teil 9 (Peripheriebusse) aus 8. Busse und Systemstrukturen Peripheriebusse IDE/ATA, ATAPI, PATA Serial ATA (SATA), SCSI-Bus Serial Attached SCSI (SAS) FireWire Fibre-Channel Universal Serial Bus (USB) seriell, parallel PS/2, Floppy
2 Parallele und Serielle Peripheriebusse 2 Nachteile der parallelen Datenübertragung viele Verbindungen, breite Steckverbindungen, Übersprechen, Reflexionen, Flankenversatz, viele Treiber, Entfernung begrenzt Ziele hohe Übertragungsraten, mittlere Entfernungen geringer Verkabelungs und Steckeraufwand Lösung: schnelle serielle Datenübertragung Techniken: differentielle Übertragung, verdrillte Leitungen, Koaxialkabel, Glasfaser geringer Stromverbrauch
3 8.2 Peripheriebusse - Übersicht : IDE/ATA, ATAPI (Integrated Drive Electronics, AT- Attachment), PATA 2001: SATA (Serial ATA) serieller Nachfolger von PATA Einfacher paralleler Anschluss von zwei Plattenspeichern SCSI (Small Computer System Interface) SAS (Serial Attached SCSI) Serieller Nachfolger von SCSI Paralleler Anschluss von schnellen Platten, Vernetzung mit anderen Hosts FireWire Serieller Anschluss von schneller Peripherie, Data-Streaming- Anwendungen USB (Universal Serial Bus) Einfacher serieller Anschluss von Standard-Peripheriegeräten Fibre-Channel hohe Bandbreite und geringe Latenz auch über große Distanzen, Speichernetze
4 Parallele und serielle Peripheriebusse 4 SATA SAS Tabelle 8-1. Parallele und serielle Peripheriebusse und Punkt-zu- Punkt-Verbindungen mit ihren maximalen Übertragungsraten (abhängig von der Leitungsart). Angabe des maximalen Geräteabstands zur Verdeutlichung der Einsatzmöglichkeiten (rechnernah, rechnerfern) sowie der Anzahl adressierbarer Geräte. Bei Serial ATA, Serial Attached SCSI und Fibre Channel sind mit Mbit/s die Brutto- und mit Mbyte/s die Nettoübertragungsraten angegeben (8B/10B-Codierung!), sonst in beiden Fällen die Nettoraten (auch bei FireWire 1394b mit ebenfalls 8B/10B- Codierung); bei Serial Attached SCSI verdoppelt sich die angegebene Rate beim Vollduplexbetrieb
5 8.2.1 IDE/ATA, ATAPI 5 IDE/ATA (Integrated Drive Electronics, AT-Attachment) 1994, Paralleler Anschluss von Plattenspeichern an den ISA(AT)- Bus (16-bit-Daten) 40-adriges Flachbandkabel ISA-Adapter (Adress-Decodierung, Treiber) (wird auch als PATA = Parallel ATA bezeichnet) Zwei Platten an das Kabel anschließbar Zwei Registersätze für Kommando Sektornummer, Zylindernummer Daten Control, Status früher ISA (AT) ATAPI PATA (heute) ISA (Industry Standard Architecture) ist ein 16- Bit-Bus-Standard für IBM kompatible PCs Festplatte mit IDE/ATA-Controller IDE: Integrated Device Electronics Bild Heutige und frühere Schnittstellen bei Festplattenlaufwerken (in Anlehnung an [Schmidt 1998])
6 IDE-Erweiterung: ATAPI 6 Zusätzliche Kommandos um weitere Geräte anschließen zu können (CD, DVD) werden in dem alten Kommandoformat verpackt ATA Packet Interface = ATAPI DMA-Unterstützung PATA Modus: Ultra-ATA/133 seit 2001, MByte/s Double Data Rate IDE/ATAPI-Controller stellt 2 IDE- Kanäle zur Verfügung, an jeden sind zwei Geräte anschließbar in der Southbridge enthalten oder als Einsteckkarte für den PCI-Bus Beschleunigung das Transfers zwischen Controller und Plattenspeicher FIFO im IDE-Kanal Sektorpuffer im Plattenspeicher EIDE: Enhanced IDE 4 Kanäle statte nur 2
7 8.2.2 Serial ATA (SATA), Serieller Nachfolger von PATA nur 7 Leitungen (2 Datenpaare und 3 Masse) differentielle Übertragung (+0,25 V, -0,25 V), LVDS (Low voltage differential signaling) 8B/10B Signalcodierung Software-kompatibel zu PATA-Kommandos (werden im seriellen SATA-Format verpackt) Nettoübertragungsrate SATA 1: 1,2 GBit/s (150 MByte/s), 2005: SATA 2 (300 MByte/s) geplant bis SATA 3: 600 MByte/s Daten (Halbduplex), Handshake (Vollduplex) Southbridge PCI-X PCI-X Interface DMA, Progr.IO Transport-Layer Link-Layer ODER Physical-Layer SATA SATA-Controller Gerät
8 8.2.3 SCSI-Bus 8 Ziel: Flexible schnelle Verbindung von mehreren SCSI Plattenspeichern (auch >2) mit einem oder mehreren Rechnern SCSI von der Fa. Shugart entwickelt: SASI (Shugart Associates System Interface), weiter entwickelt und 1986 als SCSI genormt. Paralleler (8/16-Bit-) Bus, multimasterfähig Systembus1 SCSI-Host- Adapter Plattencontroller1 SCSI- Plattencontroller2 Dezentrale Busarbitration Datenübertragung zwischen einem Initiator und einem oder mehreren Targets Anzahl der Geräte am Bus ist auf die Datenbusbreite begrenzt SCSI Systembus2 SCSI-Host- SCSI- Streamercontroller Statische Einstellung der Geräteadressen, Busenden müssen elektrisch abgeschlossen werden Adapter Ein Gerät kann mehrere LUNs (log. units) enthalten mulit drop bus
9 Weiterentwicklungen, Varianten 9 SCSI-Standards Busbreite [Bit] Takt [MHz] DÜ-Rate [MByte/s] 1986 Narrow Fast Fast Wide Ultra Ultra Wide Ultra 2, Fast Ultra 2 Wide Ultra 3 Wide (U160) DDR Ultra 4 Wide (U320) DDR 320
10 SCSI-Protokoll 10 (meist Host-Adapter) Initiator Target Initiator bewirbt sich um den Bus: IN legt dazu ID-Byte (ein Datenbit) auf den Datenbus BUS FREE ARBITRATION Initiator wählt Target aus: IN-Bit und TA-Bit liegen auf den Datenbus SELECTION COMMAND übernimmt Kontrolle fordert Kommandos an (BSY# aktiv) Datenübertragung n * (8/16 Bit) IN=Initiator TA=Target Status, Message zurück gibt Kontrolle zurück erfolgreich, Aufrechterhaltung der Verbindung (BSY# inaktiv)
11 SCSI Arbitrierung 11 Jedes Gerät hat eine ID-Nummer, entspricht einem bestimmten Bit auf dem Bus D7: höchste Priorität D0: niedrigste Priorität (bei 16 Bit-Bus folgen danach die Bits D15 bis D8) Wenn der Bus frei ist, legt jeder Initiator sein ID-Bit (wired or) auf den Bus. Wenn es eine Anmeldung höherer Priorität gibt, nimmt er seine Anmeldung zurück. (vergl. Identifikationsbus, hier 1-aus-n-Code zur Anmeldung) Der Initiator mit der höchsten Priorität wählt das Target aus, durch das zusätzliche Anlegen des Target-ID-Bits (dadurch entsteht 2-aus-n Code) Contro l D7..D0 Übertragung der IDs Kommandos Daten Status Message
12 8.2.4 Serial Attached SCSI (SAS), Serieller Nachfolger des parallelen SCSI 5-Schichtenmodell 1. Physical (Medium) 7 Leitungen wie bei SATA (2 Datenpaare und 3 Masse) 8B/10B-Codierung Kein Bus mehr: Baumstruktur 2. Phy (Transceiver, Geräteanschluss) 3. Link CRC-Datensicherung, Data-Scrambling, Steuerung, Adressierung, Verwalten logischer Verbindungen Netto-Übertragungsrate z. Zt. 300 MByte/s (3 GBit/s brutto), Vollduplex Zusammenfassen mehrerer Physikalischer Verbindungen zu einem Wide-Port Protokollauswahl: Virtuelle Kanäle: Wie bei Parallel- SCSI können mehr als virtuelle Datenkanäle, verteilt auf 256 Ebenen gleichzeitig aktiv sein SSP (Serial SCSI Protocol), STP (SATA Tunneling Protocol), SMP (Serial Managment Protocol) 1. Transport frame definitions 2. Application SCSI oder ATA spezifische Eigenschaften
13 SAS-Netzstruktur 13 Punkt-zu-Punkt- Verbindungen zwischen den Ports (kein Bus wie bei SCSI) Komplexe Strukturen durch Verzweigungen (Expander). Erhöhung der Bandbreite durch Wide-Ports und Wide-Links Mischung von SAS- und SATA-Geräten ist möglich Anschluss von Dual-Port- Drives zur Erhöhung der Redundanz möglich Bild SAS-Struktur mit mehreren Initiatoren (z. B. Server) und Targets (SAS- und SATA-Festplatten), die durch mehrere Edge-Expander und einen Fan-Out-Expander miteinander vernetzt sind (in Anlehnung an [Griffith 2003])
14 Weitere Serielle Busse, orientiert an SCSI 14 Bevor SAS definiert wurde gab es bereits folgende Entwicklungen FireWire IEEE1394 (Apple), für Data Streaming 1995: ursprünglich nur auf Macintosh 2000: IEEE1394a- 2002: IEEE1394b Fibre-Channel, ANSI-Standard (diverse Firmen, 1994), für Speichernetze zusammengefasst in SCSI-3 Serial Storage Architecture SSA, ANSI-Standard (IBM, 1990)
15 SCSI-3 Architekturmodell 15 FireWire, Fibre-Channel, Serial Storage Architecture SSA wurden in dem SCSI-3-Architekturmodell (1993) zusammengefasst. Verwendung einer gemeinsamen Kommandostruktur in Anlehnung an SCSI (Ebene 1 und 2) Je nach ausgewähltem Transport-Protokoll erfolgt eine entsprechende Abbildung auf die Kommunikationsmechanismen und die physikalische Schnittstellen (Ebene 3 und 4) Allgemeines Architekturmodell, das für die serielle Busse FireWire, Fibre-Channel, Serial- Storage-Architecture SSA verwendet wird. 4 Ebenen: 1. (Command Sets) gerätespezifische Kommandos nach Gruppen (Block, Stream, Graphic) 2. (Primary Commands) gemeinsame Kommandos für alle Gruppen 3. (Transport Protocols) Auswahl der verschiedenen seriellen und parallelen Protokolle 4. (Physical Interconnect) Physikalische Vorgaben für die Protokolle fest variabel
16 8.2.5 FireWire 16 Anwendungen unterbrechungsfreies Data- Streaming (Digital Video, Musik, Festplattenanschluss) Sony: Digital Video Camcorder Übertragungsraten 100 MBit/s, 200 MBit/s und 400 MBit/s Erweiterungen auf 800, 1600, 3200 MBit/s 6 Leitungen 1 twisted-pair (Daten, Halbduplex) 1 twisted-pair (Takt, ändert sich, wenn sich die Daten nicht ändern) 2 Leitungen für Stromversorgung Bis zu 63 Geräte beliebig anschließbar (+ Hostadapter) maximal 4,5 m Entfernung Multimastersystem (jede Verbindung erfordert Busarbitration) Peer-to-Peer (direkte Transfers vom Sender zum Empfänger ohne Host). Plug-and-Play, selbstkonfigurierend Knoten werden automatisch durchnummeriert es wird automatisch ein Wurzelknoten bestimmt, der den Takt vorgibt und den Bus arbitriert max. Übertragungsraten werden bekannt gemacht
17 FireWire 17 Bild Typische FireWire-Busstruktur, wie sie sich nach der Selbstkonfigurierung darstellt (nach [Anderson 1999]). Anschluss an einen PCI-Bus mittels eines PCI-to-IEEE-1394a- Adapters
18 FireWire 18 Asynchrone Übertragung (ohne garantiertes Übertragungsverhalten) 1. Initiator belegt den Bus nach Busarbitration 2. Initiator verschickt Anforderungspaket (Request Packet) (Quelladresse, Zieladresse, [Daten], Kommando) 3. Empfänger antwortet mit Antwortpaket (Response Packet) (Adresse, [Daten], Status) Isochrone Übertragung (garantiertes Übertragungsverhalten) quasi kontinuierlicher Datenstrom Reservierung von bis zu 80% der Zeitschlitze (je 125 µs), Rest für asynchrone Übertragung Keine Quittung durch Response Packet keine Zieladresse Broadcasting
19 FireWire 19 Bild Zuordnung von isochronen und asynchronen Übertragungspaketen zu Zeitschlitzen (cycles) von 125 µs Dauer (nach [Anderson 1999])
20 Elektrische Schnittstelle und Taktung 20 Bild Elektrische Schnittstelle des FireWire-Busses nach IEEE 1394a, gezeigt für eines der beiden Adernpaare. Das andere Adernpaar ist dazu spiegelbildlich (nach [Anderson 1999]) Bild Datendarstellung des FireWire- Busses nach IEEE 1394a. Taktrückgewinnung auf der Empfängerseite durch Exklusiv-Oder- Verknüpfung der Signale Data und Strobe (nach [Anderson 1999])
21 8.2.7 Universal Serial Bus (USB) 21 Ziel: Einfacher flexibler Anschluss diverser Peripheriegeräte über genormten Anschluss (INTEL und weitere Firmen) Serielle Halbduplex-Verbindungen über 4-adriges Kabel (Differentielles Leitungspaar und Spannungsversorgung) Hot Plug and Play (Geräte während des laufenden Betriebs anschließen) USB 1.1: 1,5 MBit/s (Low-Speed) oder 12 MBit/s (Full-Speed) USB 2.0: bis 480 MBit/s (High- Speed), abwärtskompatibel Stromversorgung: Geräte können über den Anschluss mit Strom versorgt werden. Zentrale Verwaltung durch USB-Host- Controller (Root-Hub), nicht multimasterfähig Geräte: Geeignet zum Anschluss von Tastatur, Maus, Scanner, Drucker, Audiound Video-Daten, Plattenspeicher
22 Baumstruktur 22 LS=Low Speed FS=Full Speed HS=High Speed Root-Hub USB-Host-Controller (zentraler Controller, Master) Geschwindigkeit wird durch das langsamste Glied in der Kette bestimmt Hub reicht die Datenpakete weiter und verstärkt die Signale (Repeater) Bild USB-Struktur mit Low-Speed-, Full-Speed- und High- Speed-Komponenten (nach [Anderson, Dzatko 2001])
23 Frames und Microframes 23 1 ms (12 MHz-Takt) 125 us (480 MHz Takt) Bild Aufteilung der Übertragungskapazität des USB mittels Frames und Microframe (nach [Anderson, Dzatko 2001]) Die Daten werden in Pakete aufgeteilt, die innerhalb der Zeitrahmen (Frames) bestimmte Anteile zugeteilt bekommen.
24 Transfer Types Interrupt Transfer Abfrage der Geräteanmeldungen in kurzen Abständen (Polling), schnelle Reaktion bis zu 1024 Byte bei High-Speed für Maus, Tastatur, Bulk Transfer schnelle Datenblock-Übertragung wird erst nach allen sonstigen Transfertypen gestartet, ohne Start- und Endegarantie, Wiederholung bei Fehler 512 Byte Paketgröße bei High-Speed bis zu 53,248 MByte/s für Scanner, Drucker, Platte, Isochronous Transfer Garantie fester Übertragungsrate. Video/Audio, nach den Start kann das Ende der Übertragung vorhergesagt werden. bis zu 90% des Rahmens reserviert, keine Wiederholung bei Fehler Echtzeitübertragung von Sprache, Musik 4. Control Transfer Konfigurierung, Anforderungen an Geräte, bis zu 20% Control Pipe zum Endpunkt 0 ist immer verfügbar Dabei können auch Daten mit übertragen werden.
25 Pipes (Übertragungskanäle) 25 Die Übertragungskanäle werden beim USB Pipes genannt. Pipes werden zwischen Endpoints (Host, Gerät, Transfer Type) bei der Initialisierung eines USB-Geräts eingerichtet. Zu den Pipeattributen zählen auch Übertragungsbandbreite und Puffergröße. Zu einem Gerät können mehrere Pipes (logische Kanäle) eingerichtet werden (bis zu 16). Es werden unterschieden unidirektionale Streampipes Interrupt-, Bulk-, Isochronous-Transfer bidirektionale Messagepipes nur bei Control-Transfers Eine Messagepipe (Control Pipe 0) ist bei jedem Gerät vorhanden. Sie dient der Gerätekonfiguration und zur Übertragung von Status- und Kontrollinformation.
26 Bustransaktionen 26 Die Bustransaktionen werden vom Host-Controller verwaltet und bestehen aus der Übertragung von folgenden Paketen 1. Token-Packet. Jede Transaktion beginnt mit der Übertragung eines Tokens vom Host. Das Token beschreibt Typ und Richtung der Übertragung und enthält die Geräteadresse. Die Geräte am Bus selektieren sich selbst durch Erkennung der eigenen Adresse im Token. 2. Data-Packet (vom/zum Gerät) bis zu drei aufeinanderfolgende im Rahmen 3. Handshake-Packet (Empfänger quittiert Übertragung) nicht bei Isochronous-Transfer
27 Signalcodierung 27 NRZI = Non Return to Zero with Interchange Bit-Stuffing zur Synchronisation 6 Einsen Wechsle bei 0 Jede Datenübertragung eines Packets beginnt mit SYNC = NRZI-SYNC = Bild Signaldarstellung des USB (nach [Anderson, Dzatko 2001])
28 Elektrische Schnittstelle 28 Bild USB-Schnittstelle (nach [Anderson, Dzatko 2001])
29 8.2.6 Fibre-Channel 29 Motivation/Historie: Bedarf an EA- Kanälen mit hoher Bandbreite und geringer Latenz auch über große Distanzen (>10 km) Einsatz: zur Vernetzung von Workstations, Mainframes, Super Computern, Speichern und Displays Hauptanwendung: Zugriff von mehreren Rechnern auf lokale Speichernetze unabhängig vom LAN Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Vollduplex Verschiedene Netztopologien werden unterstützt 1. Direkte Verbindung zwischen zwei Ports (z. B. Server und Festplattenspeicher) 2. Ring-Struktur (Arbitrated Loop), die Geräte sind ringförmig miteinander verbunden, Realisierung auch mit Hubs 3. Switched Fabric: zentrale intelligente Schalteinheit, kann gleichzeitig Verbindungen für alle angeschlossenen Ports herstellen. Skalierbare Leistung. 1 GHz Takt, 8B/10B-Codierung Nettodatenrate 100 MByte/s
30 Speichernetz 30 Fibre Channel Copyright Ulf Troppens
31 Speichernetz 31 Bild Symbolisiertes lokales Netz (LAN) mit einem über einen Switch gebildeten Speichernetz (SAN), z. B. als Fabric Topology des Fibre-Channel
32 Zusammenfassung 32 Serielle Übertragung hohe Übertragungraten, geringer Aufwand PATA SATA einfacher paralleler serieller Anschluss von Plattenspeichern nicht multimasterfähig SCSI (Small Computer System Interface) SAS (Serial Attached SCSI) paralleler serieller Anschluss Plattenspeichern, Vernetzung multimasterfähig, Punkt zu Punkt SCSI-3: Allgemeines Architekturmodell für FireWire, Fibre-Channel, Serial-Storage-Architecture SSA. FireWire seriell, Streaming USB (Universal Serial Bus) nicht multimasterfähig Fibre-Channel hohe Bandbreite, geringe Latenz Speichernetze
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