 |
Ограничение времени управления шиной
|
|
|
|
Вне зависимости от принятой модели арбитража должна быть также продумана стратегия ограничения времени контроля над шиной. Одним из вариантов может быть разрешение ведущему занимать шину в течение одного цикла шины, с предоставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах. Другим вариантом является принудительный захват контроля над шиной устройством с более высоким уровнем приоритета, при сохранении восприимчивости текущего ведущего к запросам на освобождение шины от устройств с меньшим уровнем приоритета.
Опросные схемы арбитража
В опросных методах запросы только фиксируются, и контроллер шины способен узнать о них, лишь опросив ведущих. Опрос может быть как централизованным —с одним контроллером, производящим опрос, так и децентрализованным — с несколькими контроллерами шины.
Данный механизм использует специальные линии опроса между контроллером (контроллерами) шины и ведущими — по одной линии для каждого ведущего.
С целью уменьшения числа таких линий может формироваться номер запрашивающего ведущего, для чего вместо 2n достаточно n линий. Кроме того, используются также линии запроса шины и линия сигнала занятия шины.
Централизованный опрос
Централизованный опрос Иллюстрирует рис. 15.5.
Контроллер шины последовательно опрашивает каждое ведущее устройство на предмет, находится ли оно в ожидании предоставления шины. Для этого контроллер выставляет на линии опроса адрес соответствующего ведущего. Если в момент выставления адреса ведущий ожидает разрешения на управление шиной, то он, распознав свой адрес, сигнализирует об этом, делая активной шину (ЗШ). Обнаружив сигнал, контроллер разрешает ведущему использовать шину. Последовательность опроса ведущих может быть организована в порядке убывания адресов, либо меняться в соответствии с алгоритмом динамического приоритета.
|
|
|
Рис. 15.5. Организация централизованного опроса ведущих
Децентрализованный опрос
Организация децентрализованного опроса показана на рис. 15.6.
Каждый ведущий содержит контроллер шины, состоящий из дешифратора адреса и генератора адреса. В начале опросной последовательности формируется адрес, который распознается контроллером. Если соответствующий ведущий ожидает доступа к шине, он вправе теперь ее занять. По завершении работы с шиной контроллер текущего ведущего генерирует адрес следующего ведущего, и процесс
повторяется. При такой схеме обычно требуется применять систему с квитированием, использующую сигнал ЗШ, формируемый генератором адреса, и сигнал ПШ, генерируемый дешифратором адреса.
Рис. 15.6. Организация децентрализованного опроса ведущих
При децентрализованном опросе отказ в одной из точек приводит к отказу всей системы арбитража. Такая ситуация, впрочем, может быть предотвращена с помощью механизма тайм-аута: по истечении заданного времени функции отказавшего контроллера берет на себя следующий контроллер.
Протокол шины
Выставляя на шину адрес, ведущее устройство все его биты выдает на линии параллельно, что совсем не гарантирует их одновременного поступления к ведомому, устройству. Отдельные биты адреса могут преодолевать более длинный путь, дру гие — предварительно должны пройти через аппаратуру преобразования адресов процессора в адреса шины. Кроме того, отличия есть и в характеристиках отдельных сигнальных линий, драйверов и приемников. Рассмотренная ситуация, как уже отмечалось, называется перекосом сигналов. Прежде чем реагировать на поступивший адрес, все ведомые должны знать, с какого момента его можно считать достоверным.
|
|
|
Ситуация с передачей данных еще сложнее, так как данные могут пересылаться в обоих направлениях. В транзакции чтения имеет место задержка на время, пока ведомое устройство ищет затребованные данные, и ведомый должен каким-то образом известить о моменте, когда данные можно считать достоверными. Система должна предусматривать возможный перекос данных.
Метод, выбираемый проектировщиками шин для информирования о достоверности адреса, данных, управляющей информации и информации состояния, называется протоколом шины. Используются два основных класса протоколов — синхронный и асинхронный. В синхронном протоколе все сигналы «привязаны» к импульсам единого генератора тактовых импульсов (ГТИ). В асинхронном протоколе для каждой гуппы линий шины формируется свой сигнал подтверждения достоверности. Хотя в каждом из протоколов можно найти как синхронные, так и асинхронные аспекты, различия все же весьма существенны.
Синхронный протокол
В синхронных шинах имеется центральный генератор тактовых импульсов (ГТИ), к импульсам которого «привязаны» все события на шине. Тактовые импульсы (ТИ) распространяются по специальной сигнальной линии и представляют собой регулярную последовательность чередующихся единиц и нулей. Один период такой последовательности называется тактовым периодом шины. Именно он определяет минимальный квант времени на шине (временной слот). Все подключенные к шине устройства могут считывать состояние тактовой линии, и все события на шине отсчитываются от начала тактового периода. Изменение управляющих сигналов на шине обычно совпадает с передним или задним фронтом тактового импульса, иными словами, момент смены состояния на синхронной шине известен заранее и определяется тактовыми импульсами.
Рис. 15.7. Чтение на синхронной шине
На рис. 15.7 показана транзакция чтения с использованием простого синхронного протокола шины NuBus, применяемой в персональных компьютерах Macintosh (буквой «М» обозначены сигналы ведущего, а буквой «S» - ведомого). Моменты изменения сигналов на шине определяет нарастающий фронт тактового импульса. Задний фронт ТИ служит для указания момента, когда сигналы можно считать достоверными. Это не обязательное условие для любых синхронных шин — во многих шинах для указания достоверности данных просто отсчитывается определенная задержка от фронта ТИ. Рассматриваемая шина NuBus имеет две особенности: тактовые импульсы асимметричны, а для передачи адреса и данных используются одни и те же сигнальные линии.
|
|
|
Стартовый сигнал отмечает присутствие на линиях шины адресной или управляющей информации. Когда ведомое устройство распознает свой адрес и находит затребованные данные, оно помещает эти данные и информацию о состоянии на шину и сигнализирует об их присутствии на шине сигналом подтверждения.
Операция записи выглядит сходно. Отличие состоит в том, что данные выдаются ведущим в тактовом периоде, следующем за периодом выставления адреса, и остаются на шине до отправки ведомым сигнала подтверждения и информации состояния.
Отметим, что в каждой транзакции присутствуют элементы чтения и записи, и для каждого направления пересылки имеется свой сигнал подтверждения достоверности информации на шине. Сигналы управления и адрес всегда перемещаются от ведущего. Информация состояния всегда поступает от ведомого. Данные могут перемещаться в обоих направлениях.
Хотя скорость распространения сигналов в синхронном протоколе явно не фигурирует, она должна учитываться при проектировании шины. ТИ обычно распространяются вдоль шины с обычной скоростью прохождения сигналов, и за счет определенных усилий и затрат можно добиться практически одновременной доставки ТИ к каждому разъему шины. Выбираться тактовая частота должна таким образом, чтобы сигнал от любой точки на шине мог достичь любой другой точки несколько раньше, чем завершится тактовый период, то есть шина должна допускать расхождение в моментах поступления тактовых импульсов. Ясно, что более короткие шины могут быть спроектированы на более высокую тактовую частоту.
Синхронные протоколы требуют меньше сигнальных линий, проще для понимания, реализации и тестирования. Поскольку для реализации синхронного протокола практически не требуется дополнительной логики, эти шины могут быть быстрыми и дешевыми. С другой стороны, они менее гибки, поскольку привязаны к конкретной максимальной тактовой частоте и, следовательно, к конкретному уровню технологии. По этой причине существующие шины часто не в состоянии реализовать потенциал производительности подключаемых к себе новых устройств. Кроме того, из-за проблемы перекоса синхросигналов синхронные шины не могут быть длинными.
|
|
|
По синхронному протоколу обычно работают шины «процессор-память».
Асинхронный протокол
Синхронная передача быстра, но в ряде ситуаций не подходит для использования. В частности, в синхронном протоколе ведущий не знает, корректно ли ответил ведомый, — возможно, он был не в состоянии удовлетворить запрос на нужные данные. Более того, ведущий должен работать со скоростью самого медленного из уча
ствующих в пересылке данных ведомых. Обе проблемы успешно решаются в асинхронном протоколе шины.
В асинхронном протоколе начало очередного события на шине определяется не тактовым импульсом, а предшествующим событием и следует непосредственно за этим событием. Каждая совокупность сигналов, помещаемых на шину, сопровождается соответствующим синхронизирующим сигналом, называемым стробом. Синхросигналы, формируемые ведомым, часто называют квитирующими сигналами (handshakes) или подтверждениями сообщения (acknowledges).
На рис. 15.8 показана асинхронная операция чтения с использованием протокола, применяемого в шине Fastbus.
Рис. 15.8. Чтение на асинхронной шине
Сначала ведущее устройство выставляет на шину адрес и управляющие сигналы и выжидает время перекоса сигналов, после чего выдает строб адреса, подтверждающий достоверность информации. Ведомые следят за адресной шиной, чтобы определить, должны ли они реагировать. Ведомый, распознавший на адресной шине свой адрес, отвечает информацией состояния, сопровождаемой сигналом подтверждения адреса. Когда ведущий обнаруживает подтверждение адреса, он знает, что соединение установлено, и готов к анализу информации состояния. Присутствие адреса на ША далее не требуется, поскольку у ведомого уже имеется копия полного адреса либо нужной его части.
Далее ведущий меняет управляющую информацию, выжидает время перекоса и выдает строб данных. Если это происходит в транзакции записи, то ведущий одновременно с управляющей информацией выставляет на шину записываемые дан
ные. В рассматриваемом случае управляющая информация извещает ведомое устройство, что это чтение. Когда ведомый подготовит затребованные данные, он выдает их на шину совместно с новой информацией о состоянии и формирует сиг
|
|
|
нал подтверждения данных. Когда ведущий видит сигнал подтверждения данных, он читает данные с шины и снимает строб данных, чтобы показать, что действия с данными завершены. В нашем примере ведущий снимает также и строб адреса. В более сложных вариантах транзакций строб адреса может оставаться на шине для поддержания соединения в течение нескольких циклов данных. Обнаружив исчезновение строба данных, ведомый снимает с шины данные и информацию состояния, а также сигнал подтверждения данных, переводя шину в свободное состояние.
В цикле асинхронной шины для подтверждения успешности транзакции используется двунаправленный обмен сигналами управления. Такая процедура носит название квитирования установления связи или рукопожатия (handshake). В рассмотренном варианте процедуры ни один шаг в передаче данных не може начаться, пока не завершен предыдущий шаг. Такое квитирование известно как квитирование с полной взаимоблокировкой (fully interlocked handshake).
Как и в синхронных протоколах, в любой асинхронной транзакции присутствуют элементы чтения и записи: по отношению к управляющей информации выполняется операция записи, а к информации состояния - чтения. Данные синхронизируются и управляются, соответственно, как управляющая и статусная информация.
Скорость асинхронной пересылки данных диктуется ведомым, поскольку ведущему для продолжения транзакции приходится ждать отклика. Асинхронные протоколы по своей сути являются самосинхронизирующимися, поэтому шину могут совместно использовать устройства с различным быстродействием, построенные на базе как старых, так и новых технологий. Шина автоматически адаптируется к требованиям устройств, обменивающихся информацией в данный момент. Таким образом, с развитием технологий к шине могут быть подсоединены более быстрые устройства, и пользователь сразу ощутит всё их преимущества. В отличие от синхронных систем для ускорения системы с асинхронной шиной не требуется замена на шине старых медленных устройств на быстрые новые. Платой за перечисленные преимущества асинхронного протокола служит некоторое увеличение сложности аппаратуры.
Квитирование в асинхронных системах не всегда реализуется в полном объеме. Иногда транзакция на шине не может быть завершена стандартным образом, например, если ведущий из-за программных ошибок обращается к несуществующей ячейке памяти. В этом случае ведомое устройство не отвечает соответствующим подтверждающим сигналом. Чтобы предотвратить бесконечное, ожидание в шинах, используется тайм-аут, то есть задается время, спустя которое при отсутствии отклика транзакция принудительно прекращается. Для реализации тайм-аута необходимы схемы, способные решать, пришло ли подтверждение вовремя, и если нет, то как привести шину к исходному состоянию. Первая часть решается с помощью таймера, запускаемого ведущим одновременно с началом транзакции. Если таймер достигает предопределенного значения до поступления ответного сигнала, ведущий обязан прекратить начатую транзакцию. Восстановление состояния шины и вычислительного процесса после тайм-аута может происходить по-разному. Так, если ведущим устройством является процессор, он делает это с помощью специального вызова операционной системы, известного как «ошибка шины» (bus error).
Тайм-ауты цикла данных, обычно означающие отказ оборудования, достаточно редки, поэтому время тайм-аута может быть весьма большим. С другой стороны, тайм-ауты по адресу возникают часто. Происходит это, например, когда программа инициализирует систему и проверяет, какие из устройств присутствуют на шине; при этом вполне реальна выдача на шину адреса несуществующего устройства. В спецификациях шин предписываются очень малые значения тайм-аута по адресу, из-за чего устройства декодирования адреса в ведомых устройствах должны быть весьма быстрыми, чтобы уложиться в отведенное время.
Шины ввода/вывода обычно реализуются как асинхронные.
|
|
|
