ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗΣ ΜΟΝΑ ΩΝ ( ιάδροµοι ή ίαυλοι)

Transcript

1 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 55 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗΣ ΜΟΝΑ ΩΝ ( ιάδροµοι ή ίαυλοι) 3.1 Βασικές Αρχές Ιεραρχία ιαύλων οµή ιαύλου ιαιτησία ιαύλου Λειτουργία ιαύλου Χρονισµός ιαύλου...68

2 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων Βασικές Αρχές Οι µονάδες του υπολογιστή συνδέονται µεταξύ τους µε συστήµατα µεταφοράς πληροφοριών, τα οποία ονοµάζονται συστήµατα διασύνδεσης µονάδων και είναι γνωστά σαν διάδροµοι ή δίαυλοι (buses). Οι δίαυλοι υπάρχουν σε πολλαπλά επίπεδα και η οργάνωση τους και η αλληλοσυνδέσεις τους αποτελούν βασικοί παράγοντες για την απόδοση του υπολογιστή. Οι πληροφορίες που διοχετεύονται µέσω των διαύλων είναι, σήµατα ελέγχου, διακοπές, διευθύνσεις και δεδοµένα. Οι δίαυλοι δεν είναι απλώς ένα άθροισµα από κάποια χάλκινα καλώδια, αλλά διαθέτουν λογική και η συµπεριφορά τους είναι ανάλογη µε αυτή µιας κανονικής µονάδας. εδοµένου ότι πολλές µονάδες µπορούν να τους διεκδικούν στη µονάδα του χρόνου, οι περισσότεροι δίαυλοι συνοδεύονται και από κυκλώµατα διαιτησίας. K.M.E ιακοπές Scanner ίκτυο Cache Θυρών USB Πληκτρολογίου ίαυλος Μνήµη ίσκων IDE ίσκων SCSI Οθόνης Σειριακές θύρες CD-RW Σχήµα 3.1 Τυπικός ίαυλος Modem Στο σχήµα 3.1 παρουσιάζουµε την απλουστευµένη διάταξη ενός συστήµατος διασύνδεσης που παρουσιάζει ένα υπολογιστικό σύστηµα του οποίου οι µονάδες επικοινωνούν µε ένα και µοναδικό δίαυλο. Τα βασικά θέµατα οργάνωσης του διαύλου είναι: η δοµή η ιεραρχία ο χρονισµός η διαιτησία ο χειρισµός των διακοπών Η λειτουργία ενός δίαυλου ακολουθεί µια από τις δύο βασικές αρχές. Η πρώτη ονοµάζεται αρχή µοναδικής συναλλαγή και η οποία λέει «ότι όταν αρχίσει µια διαδικασία µεταφοράς πληροφορίας από την µονάδα Α προς τον δίαυλο η αντίστροφα

3 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 57 καµιά άλλη µονάδα δεν µπορεί να τον χρησιµοποιήσει». Η δεύτερη αρχή επιτρέπει περισσότερες µονάδες να κατέχουν τον δίαυλο. Οι δίαυλοι αυτοί ονοµάζονται δίαυλοι διαιρούµενων συναλλαγών (split transactions). 3.2 Ιεραρχία ιαύλων Η έννοια του διαύλου σαν µέσο επικοινωνίας επεκτείνεται και στο εσωτερικό της Κ.Μ.Ε. Στο επόµενο σχήµα.3.2, το οποίο παρουσιάζει το εσωτερικό ενός Pentium ΙΙ.. µπορεί να δει κανείς µια σειρά από διαύλους οι οποίοι συνδέουν τα διάφορα τµήµατα του επεξεργαστή. Παρατηρήστε ότι ο επεξεργαστής συνδέεται µε τον δίαυλο του συστήµατος µνήµης(κυρία, Cache) µε µια ειδική µονάδα προσαρµογής.(βus Interface Unit). Στο Εσωτερικό της ΚΜΕ µπορείτε να δείτε µια σειρά από διαύλους µε διαφορετικά µήκη ο καθένας, οι οποίοι συνδέουν τα τµήµατα της ΚΜΕ µεταξύ τους. Όλοι οι εσωτερικοί δίαυλοι είναι γνωστοί σαν Local Bus. L1 Instruction cache 256 Bits 32 Bits Branch Predictor Unit 64 bits - to RAM Bus Interface Unit 32 Bits Instruction Prefetch buffer and decode Unit Integer ALU Integer ALU 32 Bits MMX FPU Registers 32 Bits 64 bits L1 cache 64 bits L2 Cache 64 bits - to L2 Cache Σχήµα 3.2 Εσωτερικοί δίαυλοι επεξεργαστή Pentium II

4 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 58 Στο σχήµα 3.1 η διάταξη που παρουσιάσαµε είναι εντελώς απλουστευµένη και σήµερα έχει καταργηθεί και έχει αντικατασταθεί από µια ιεραρχία διαύλων ανάλογα µε τις απαιτήσεις του συστήµατος. Ο δίαυλος αυτός ήταν γνωστός σαν Back-plane bus. Τα συστήµατα µε ένα και µοναδικό δίαυλο καταργήθηκαν για δύο βασικούς λόγους. Ο πρώτος είχε σχέση µε τον ανταγωνισµό στο ίδιο µέσο µονάδων υψηλής και χαµηλής ταχύτητας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα οι µονάδες που βρίσκονται σε υψηλότερη ιεραρχία από πλευράς ταχύτητας να καθυστερούν. Υπάρχει βέβαια η εναλλακτική λύση της αύξησης του πλάτους του διαύλου π.χ από 32 στα 64 bits, αλλά αυτό δεν αποκλείει τα προβλήµατα µποτιλιαρίσµατος. K.M.E ιακοπές Cache Μνήµη System Bus ιακοπές Bus Adapter 2 3 Expansion Bus Σχήµα 3.3 System και expansion Bus Ο δεύτερος έχει σχέση µε την συµβατότητα µε τις µονάδες εισόδου-εξόδου. Ο κάθε επεξεργαστής έχει τα δικά του χαρακτηριστικά, όσον αφορά τον τρόπο επικοινωνίας µε τις άλλες µονάδες. Οι υπόλοιπες µονάδες για να επικοινωνήσουν µε τον επεξεργαστή έπρεπε να προσαρµοστούν σε αυτά τα χαρακτηριστικά. Έτσι µια µονάδα εισόδου-εξόδου που συνδεόταν στον κεντρικό δίαυλο του κατασκευαστή Α δεν θα µπορούσε να συνδεθεί στον αντίστοιχο δίαυλο του κατασκευαστή Β. Το πρόβληµα λύθηκε µε την διάσπαση του κεντρικού διαύλου σε δύο(σχήµα 3.3). Ο ένας και ο ταχύτερος, γνωστός σαν system bus, συνδέει την Κ.Μ.Ε µε την µνήµη και ο δεύτερος γνωστός σαν expansion bus, θα συνέδεε τις υπόλοιπες συσκευές εισόδου εξόδου. Οι δύο δίαυλοι διασυνδέονται µέσω µιας µονάδας γνωστής σαν

5 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 59 προσαρµογέας διαύλου επέκτασης(expansion bus Interface or expansion bus adapter). Παρατηρήστε ότι οι διακοπές των περιφερειακών φτάνουν στην ΚΜΕ µέσω του Bus adapter Με το τέχνασµα αυτό κάθε κατασκευαστής έχει το δικό του system bus, αλλά µπορεί να προσαρµόσει στο σύστηµα του ένα expansion bus το οποίο αποτελεί πρότυπο(standard). Για παράδειγµα, ο δίαυλος Peripheral Component Interconnect (PCI) είναι ένας δίαυλος πρότυπο, που πολλοί κατασκευαστές ενσωµατώνουν στις υλοποιήσεις τους. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουν το σύστηµα τους να δέχεται µια µεγάλη ποικιλία από περιφερειακά.. Όµως το πρόβληµα του µποτιλιαρίσµατος µπορεί να µεταφερθεί στο expansion bus γιατί κάποια περιφερειακά είναι εξαιρετικά αργά (πληκτρολόγιο, σειριακή θύρα) και άλλα πολύ γρήγορα (δίσκοι, κάρτα γραφικών). Είναι λογικό λοιπόν να εφαρµοστεί η µέθοδος της κατάτµησης του expansion bus σε ένα δίαυλο υψηλής ταχύτητας και σε ένα δίαυλο χαµηλής ταχύτητας. K.M.E ιακοπές Cache Μνήµη System Bus ιακοπές Bus Adapter Κάρτα ικτύου Κάρτα Γραφικών PCI Bus (Ηιgh Speed) Bus Adapter IDE SCSI USB Expansion Bus (Low Speed) Πληκτολογίου Σειριακές Θύρες Floppy Παράλληλη Θύρα Σχήµα 3.4 Ιεραρχία διαύλων σε ένα προσωπικό υπολογιστή Στο σχήµα 3.4 παρουσιάζουµε ένα σηµερινό προσωπικό υπολογιστή στον οποίο έχει εφαρµοστεί η µέθοδος της κατάτµησης δευτέρου επιπέδου.

6 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 60 Σε µεγαλύτερα συστήµατα πολλοί κατασκευαστές ενσωµατώνουν στα µοντέλα τους (Silicon Graphics Origin 200) δύο διαύλους υψηλής ταχύτητας. Έναν δικής τους κατασκευής για συνδέσουν δικά τους περιφερειακά και έναν πρότυπο δίαυλο, συνήθως PCI, για την σύνδεση περιφερειακών µονάδων που δεν κατασκευάζουν. Μια άλλη παρατήρηση είναι ότι η κάρτα γραφικών µπορεί να συνδέεται στο Local bus, ιδίως αυτές που είναι από µόνες του µικρές ΚΜΕ ειδικής χρήσης. 3.3 οµή ιαύλου Πριν αναλύσουµε την δοµή ενός διαύλου, θα εξετάσουµε πρώτα τις πληροφορίες που δέχονται ή παράγουν τα τρία βασικά τµήµατα ενός υπολογιστή, δηλαδή η ΚΜΕ, ή µνήµη και οι ελεγκτές των περιφερικών συσκευών. Όπως φαίνεται από το σχήµα 3.1 καµία περιφερειακή συσκευή δεν συνδέεται απευθείας στον δίαυλο αλλά συνδέεται µέσω µια συσκευής, η οποία µπορεί να έχει πολλά ονόµατα, ανάλογα µε τις συσκευές που γεφυρώνει, όπως ελεγκτής (Controller) για τους δίσκους, κάρτα γραφικών για την οθόνη, κάρτα δικτύου για το δίκτυο κ.λ.π. Κάθε ελεγκτής µπορεί να συνδέει µια η περισσότερες συσκευές. Τα σηµεία σύνδεσης ονοµάζονται πόρτες(ports). Για παράδειγµα ένα εκλεκτής IDE µπορεί να συνδέσει δυο δίσκους, η ένα δίσκο και ένα CD, ή ένα CD και ένα DVD. Read Singal Write Singal ΜΝΗΜΗ Σχήµα 3.5 Πληροφορίας από/προς τη µνήµη Η κεντρική µνήµη (σχήµα 3.5) δέχεται τις παρακάτω βασικές πληροφορίες: εδοµένα (data) που θα τοποθετηθούν σε αυτήν ιευθύνσεις() για τον εντοπισµό της θέσης µνήµης στην οποία κάποια άλλη µονάδα θα τοποθετήσει ή θα ανασύρει δεδοµένα. Το σήµα έλεγχου γράψε (Write Signal ) το οποίο αιτείται µια διαδικασία εγγραφής. Το σήµα ελέγχου διάβασε (Read Signal) το οποίο αιτείται µια διαδικασία ανάγνωσης Η κεντρική µνήµη παράγει µόνο δεδοµένα τα οποία ζητήθηκαν από µια άλλη µονάδα.

7 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 61 Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (σχήµα 3.6) δέχεται τις παρακάτω βασικές πληροφορίες: Εντολές γλώσσας µηχανής ( Instructions) τις οποίες πρόκειται να εκτελέσει εδοµένα(παράγοντες) τα οποία είναι απαραίτητα για την εκτέλεση των εντολών ιακοπές ( Interrupts) πάσης φύσεως. Instructions ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑ Α ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Interrupt Singals Control Singals Σχήµα 3.6 Πληροφορίες από/προς τη ΚΜΕ Η Κ.Μ.Ε παράγει: ιευθύνσεις για τα δεδοµένα τα οποίες επιθυµεί να αποθηκευτούν στη µνήµη ή σε κάποια µονάδα εισόδου-εξόδου εδοµένα τα οποίες επιθυµεί να αποθηκευτούν στη µνήµη ή σε κάποια µονάδα εισόδου-εξόδου Σήµατα ελέγχου πάσης φύσεως προς όλες τις µονάδες Ένας ελεγκτής εισόδου-εξόδου (σχήµα 3.7) δέχεται τις παρακάτω βασικές πληροφορίες: εδοµένα (data) που προέρχονται από τον δίαυλο και θα προωθηθούν στην περιφερειακή µονάδα. εδοµένα (data) που προέρχονται από την περιφερειακή µονάδα και θα προωθηθούν στον δίαυλο ιευθύνσεις() της περιφερειακής µονάδας και της περιοχής που θα αποθηκευτούν τα δεδοµένα ανάγνωσης ή εγγραφής. Το σήµα έλεγχου «γράψε» (Write Signal) το οποίο αιτείται µια διαδικασία εγγραφής. στη περιφερική µονάδα Το σήµα ελέγχου «διάβασε» (Read Signal) το οποίο αιτείται µια διαδικασία ανάγνωσης στην περιφερειακή µονάδα. Το σήµα κατάστασης (status signal) από τη περιφερειακή µονάδα, το οποίο (σήµα) σηµατοδοτεί τη κατάσταση της (Busy Ready)

8 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 62 ιάυλος Περιφεριακή συσκευή Write Singal Control Singals Read Singal ΕΛΕΚΤΗΣ I/O Status Signal Interrupt Singals Σχήµα 3.7 Πληροφορίες από/προς ελεγκτή εισόδου εξόδου Ένας ελεγκτής εισόδου-εξόδου(σχήµα 3.7) στέλνει πληροφορίες: τις παρακάτω βασικές εδοµένα (data) που προέρχονται από τον δίαυλο και θα προωθηθούν στην περιφερειακή µονάδα. εδοµένα (data) που προέρχονται από την περιφερειακή µονάδα τον δίαυλο και θα προωθηθούν στον δίαυλο Σήµατα διακοπών προς την ΚΜΕ Σήµατα ελέγχου προς την περιφερειακή συσκευή ιευθύνσεις() της περιφερειακής µονάδας και της περιοχής που θα αποθηκευτούν τα δεδοµένα ανάγνωσης ή εγγραφής. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι µέσα σε ένα δίαυλο µεταφέρονται τρία είδη πληροφοριών. Ένας από τους πιο συνηθισµένους τρόπους οργάνωσης είναι να οµαδοποιήσει κανείς τις πληροφορίες σε τρεις ανεξάρτητους υποδιαύλους. Ο πρώτος µεταφέρει σήµατα ελέγχου ( Control Bus), ο δεύτερος δεδοµένα ( data Bus) ) και ο τρίτος διευθύνσεις ( Bus ). Η µέθοδος των τριών ανεξαρτήτων υποδιαύλων λέγεται αφιερωµένη (dedicated ) (σχήµα 3.8) Κάθε επί µέρους δίαυλος αποτελείται από ένα πλήθος από γραµµές µεταφοράς. Κάθε γραµµή µεταφοράς µεταφέρει και ένα bit. Εποµένως ένα data bus µε 16 γραµµές µεταφοράς σηµαίνει ότι µπορεί να µεταφέρει ταυτόχρονα 16 bits Μέσω του διαύλου διευθύνσεων µεταφέρονται είτε διευθύνσεις µνήµης, είτε διευθύνσεις προς τις περιφερειακές µονάδες. Οι διευθύνσεις προς τις περιφερειακές διευθυνσιοποιούν ελεγκτή και περιφερειακή συσκευή. Αν για παράδειγµα έχουµε address bus 16 bits, και χρησιµοποιήσουµε τα πρώτα 8 bits για τους ελεγκτές και τα 8 επόµενα για τις περιφερειακές συσκευές τότε ο δίαυλος µπορεί να υποστηρίξει 64 ελεγκτές ο καθένας από τους οποίους µπορεί να συνδέσει 64 περιφερειακές συσκευές

9 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 63 BUS Control Bus Bus KME Bus Bus Controler MEMORY I/O. Σχήµα 3.8 Ανάλυση διαύλου Για λόγους οικονοµίας στις γραµµές µεταφοράς και λόγω της λειτουργίας του διαύλου πολλοί κατασκευαστές(π.χ Intel) χρησιµοποιούν τις ίδιες γραµµές µεταφοράς για να µεταφέρουν δεδοµένα και διευθύνσεις. Η τεχνική αυτή ονοµάζεται πολύπλεξη (multiplexed) και έχει το µειονέκτηµα ότι αποκλείει την ταυτόχρονη µεταφορά διευθύνσεων και δεδοµένων. Επειδή αυτό συµβαίνει σπάνια, η υλοποίηση της πολύπλεξη είναι αρκετά διαδεδοµένη. Οι γραµµές µεταφοράς που σχηµατίζουν το control bus µεταφέρουν σήµατα ελέγχου και διακοπές. Από τα πιο συνηθισµένα σήµατα ελέγχου είναι τα παρακάτω: Bus Request (BREQ): Αίτηση προς τον διαιτητή(arbiter) για την απόκτηση του διαύλου Bus Grant(BGR): Παραχώρηση του διαύλου από τον διαιτητή Interrupt Request (INTREQ): Αίτηση διακοπής προς την ΚΜΕ Interrupt acknowledgment (INTACK): Αναγνώριση µιας εκκρεµούσας διακοπής από την ΚΜΕ Memory Request (MREQ): Αίτηση προς την µνήµη για ανάγνωση η εγγραφή I/O request (IOREQ): Αίτηση προς ελεγκτή Ι/Ο για ανάγνωση η εγγραφή

10 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 64 Read (RD): Σήµα έναρξής ανάγνωσης από µνήµη ή συσκευή Ι/Ο Write (WD): Σήµα έναρξης εγγραφής προς µνήµη ή συσκευή Ι/Ο Ready(DR): Ένδειξη ότι τα ζητούµενα δεδοµένα είναι στον δίαυλο Αcknowledgment (ACK): Ένδειξη ότι µια διαδικασία διαδρόµου πραγµατοποιήθηκε Clock: Χρονισµός Reset: Επαναφορά του διαύλου στην κενή θέση 3.4 ιαιτησία ιαύλου Η βασική αρχή στην λειτουργία ενός διαύλου είναι ότι µόνο ένα ζεύγος µονάδων µπορεί να επικοινωνεί µεταξύ του. Αν πολλά ζευγάρια διεκδικούν τον δίαυλο τότε το πρόβληµα αναλαµβάνει να το λύση ο διαιτητής(arbiter). Η τεχνική που χρησιµοποιείται για την απόδοση του διαύλου στους αιτούντες, ονοµάζεται διαιτησία διαύλου(arbitration), και είναι δύο ειδών. Η κεντρική (centralized) και η κατανεµηµένη (distributed). Στην κεντρική υπάρχει ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα, το οποίο µπορεί να είναι και µέρος της ΚΜΕ και το οποίο ονοµάζεται arbiter ή bus controller. Στην κατανεµηµένη, κάθε µονάδα που συνδέεται στο δίαυλο έχει τα κατάλληλα κυκλώµατα ώστε να συνεργάζεται µε τις άλλες µονάδες, για την κατοχή του διαύλου. Και στις δύο περιπτώσεις αυτός που ξεκινά µια διαδικασία σύνδεσης ονοµάζεται κύριος(master) και αυτός που ακολουθεί ονοµάζεται υπηρέτης(slave). Από τα πλέον συνηθισµένα ζευγάρια είναι : ΚΜΕ(Master) Μνήµη(Slave) Προσκόµιση εντολών και δεδοµένων ΚΜΕ(Master) Ι/Ο (Slave) Προσκόµιση δεδοµένων Ι/Ο(Master) Μνήµη(Slave) Προσκόµιση δεδοµένων στην περίπτωση ύπαρξης Direct Memory Access(DMA) Θα παρουσιάσουµε τώρα δύο µηχανισµούς διαιτησίας µε κεντρικό διαιτητή. Στο πρώτο µηχανισµό ο δίαυλος δίνεται σε αυτόν που είναι κοντύτερα στο διαιτητή(σχήµα 3.9). Υπάρχει µία γραµµή ελέγχου η οποία ονοµάζεται γραµµή αίτησης(request line) στην οποία τοποθετείται από τον εκάστοτε Master η αίτηση χορήγησης του διαύλου. Η τοποθέτηση της αίτησης γίνεται αλλάζοντας την γραµµή αίτησης από 0 σε 1. Αν υπάρχει κατοχή του διαύλου από αλλo ζεύγος (γραµµή χορήγησης 1) τότε ο διαιτητής δεν απάντα στην αίτηση. Μόλις ο δίαυλος απελευθερωθεί, τότε ο διαιτητής δίνει στην γραµµή χορήγησης(grant line) την τιµή 1. Αν ο πρώτος στη σειρά µετά την ΚΜΕ έχει στείλει την αίτηση τότε γίνεται και ο κάτοχος του διαύλου. Αν δεν την έχει στείλει αυτός, τότε διαβιβάζει το σήµα στον επόµενο, µέχρι να βρεθεί ο αιτών. Στη διαιτησία αυτή η φυσική θέση µετά την ΚΜΕ καθορίζει και την προτεραιότητα. Σηµειώνουµε ότι οι γραµµές ελέγχου αίτησης και χορήγησης ανήκουν στο Control bus. Το ότι παρουσιάζονται χωριστά οφείλεται στην προσπάθεια του συγγραφέα να κάνει το σχήµα πιο κατανοητό.

11 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 65 Control Bus Bus Bus Arbiter KME MEMORY request line I/O grant line BUS Σχήµα 3.9 Κεντρική ιαιτησία του πλησιέστερου προς την ΚΜΕ Ένα άλλος κεντρικος µηχανισµός διαιτησίας, περισσότερο πολύπλοκος, µε καθορισµό προτεραιοτήτων ανεξάρτητα από την φυσική θέση των αιτούντων µέσα στον δίαυλο απαιτεί τόσα ζεύγη γραµµών ελέγχου αίτησης-χορήγησης, όσες και οι µονάδες(σχήµα 3.10). Ο διαιτητής δέχεται αιτήσεις από τις µονάδες µέσω των ανεξαρτήτων γραµµών αίτησης και αποφασίζει µε βάση ένα πίνακα προτεραιοτήτων, τον οποίο ορίζει ο κατασκευαστής, το ζεύγος που θα πάρει τον δίαυλο. Μετά την απόφαση ειδοποιείται ο αντίστοιχος Master µέσω της δικής του γραµµής χορήγησης Παρατηρήστε ότι στο δεύτερο παράδειγµα ο διαιτητής είναι ένα ανεξάρτητο κύκλωµα και δεν αποτελεί τµήµα της ΚΜΕ. Αυτό, δεν έχει σχέση µε τον µηχανισµό διαιτησίας, αλλά θέλαµε να δείξουµε ότι σε πολλές υλοποιήσεις, ο διαιτητής µπορεί να είναι και ένα ανεξάρτητο λογικό κύκλωµα εκτός ΚΜΕ. Στην κατανεµηµένη διαιτησία δεν υπάρχει κεντρικός διαιτητής.υπάρχουν γραµµές αίτησης για κάθε µονάδα. Κάθε µονάδα γνωρίζει την θέση της στον πίνακα προτεραιοτήτων. Όταν υπάρξουν ταυτόχρονες αιτήσεις τότε οι µονάδες που έχουν µικρότερη προτεραιότητα αποσύρονται και τον διάδροµο αναλαµβάνει αυτός που έµεινε.

12 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 66 request lines grant lines Control Bus Bus Bus CPU MEMORY I/O Bus Controller or Bus arbiter BUS Σχήµα 3.10 Κεντρική διαιτησία µε προτεραιότητες 3.5 Λειτουργία ιαύλου Η λειτουργία του διαύλου είναι εξαιρετικά απλή. Υπενθυµίζουµε ότι αναφερόµαστε σε δίαυλο όπου µόνο ένα ζεύγος συσκευών µπορεί να κατέχει τον δίαυλο. Θα δείξουµε την λειτουργία ενός διαύλου µέσα από ένα παράδειγµα. Ας υποθέσουµε ότι η ΚΜΕ θέλει να διαβάσει µια πληροφορία από µια δεδοµένη διεύθυνση της µνήµης. Οι ενέργειες που πρέπει να κάνει είναι οι παρακάτω: Να ζητήσει τον δίαυλο από το διαιτητή, Μετά την χορήγηση, να τοποθετήσει στο address bus την διεύθυνση, και να υψώσει ( τιµή 1 από 0) τις γραµµές ελέγχου Memory Request(ΜRRQ) και Read (RD).(σχήµα 3.11) Η µνήµη µε την σειρά της βλέπει τα σήµατα που απευθύνονται σε αυτήν και κάνει τις παρακάτω ενέργειες: ιαβάζει την διεύθυνση από το address bus

13 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 67 Πραγµατοποιεί ένα κύκλο µνήµης και αποκτά το δεδοµένο( παράγοντα ή την εντολή) που βρισκόταν στην διεύθυνση. Τοποθετεί το δεδοµένο στο Bus Υψώνει (1) το σήµα ελέγχου ready (DR) (σχήµα 3.12) Control Bus MREQ-RD Bus Bus CPU MEMORY BUS Σχήµα 3.11 Εγγραφή ΚΜΕ στον δίαυλο Η ΚΜΕ βλέπει το σήµα data ready υψωµένο και διαβάζει το δεδοµένο από το data Bus και το τοποθετεί σε κάποιο εσωτερικό καταχωρητή (σχήµα 2.13). Control Bus Bus CPU MREQ-RD MEMORY Ready BUS Σχήµα 3.12 Τοποθέτηση δεδοµένων της µνήµης στο δίαυλο

14 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 68 Στο παράδειγµα αυτό παραλείψαµε µερικά διαδικαστικά σήµατα που έχουν σχέση µε την αναγνώριση των ενεργειών. Όπως επίσης τις ενέργειες των µονάδων να επανατοποθετούν τις τιµές 0 στις γραµµές ελέγχου που δεν χρειάζονται. Στη συνέχεια όµως θα µας δοθεί µε ένα πιο αναλυτικό παράδειγµα να τα περιγράψουµε και αυτά που παραλείψαµε Control Bus ready Bus Bus CPU MEMORY BUS Σχήµα 3.13 Ανάγνωση δεδοµένων της ΚΜΕ από τον δίαυλο 3.6 Χρονισµός ιαύλου Υπάρχουν δύο κατηγορίες διαύλων, οι σύγχρονοι(synchronous) και οι ασύγχρονοι (asynchronous). Στους πρώτους, τα πάντα συγχρονίζονται από ένα ρολόι, οι παλµοί του όποιου διοχετεύονται στον δίαυλο από µια γραµµή ελέγχου, η οποία ονοµάζεται clock(βλέπε κεφάλαιο 1). Το ρόλοι µπορεί να είναι ανεξάρτητο, µπορεί όµως να είναι το ίδιο µε αυτό που χρονίζει την ΚΜΕ. Όταν ο δίαυλος αποτελεί πρότυπο έχει συνήθως το δικό του ρολόι. Στο σχήµα 2.14 παρουσιάζουµε την διαδικασία µεταφοράς του περιεχοµένου µιας θέσης µνήµης, από τη µνήµη στην ΚΜΕ ύστερα από αίτηση της(της ΚΜΕ) σε ένα σύγχρονο δίαυλο.

15 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 69 T1 T2 T3 T4 T5 ClocK MREQ RD Σχήµα 3.14 Σύγχρονος ιάδροµος Υποθέτουµε ότι η ΚΜΕ επιθυµεί να διαβάσει µια θέση µνήµης της οποίας κατέχει την διεύθυνση(η ΚΜΕ). Τα βήµατα που ακολουθούνται είναι τα παρακάτω. εν περιλαµβάνονται τα σήµατα διαιτησίας: Β1: Με την έναρξη του κύκλου Τ1 η ΚΜΕ τοποθετεί στο address bus την διεύθυνση Β2: Με την έναρξη του κύκλου Τ2, η ΚΜΕ υψώνει τα σήµατα Memory Request( MREQ) και Read (RD), σηµάδι ότι ζητά ανάγνωση µνήµη Β3: Η µνήµη διαβάζει την διεύθυνση από τον διάδροµο, πραγµατοποιεί ένα κύκλο ανάγνωσης µνήµης και µε την έναρξη του κύκλου Τ4 τοποθετεί το περιεχόµενο στο data bus. B4: Η ΚΜΕ γνωρίζει ότι στην αρχή του Τ4 θα τοποθετηθούν τα δεδοµένα, περιµένει ένα κύκλο µέχρι τα δεδοµένα να σταθεροποιηθούν και µε την έναρξη του κύκλου Τ5, µεταφέρει τα δεδοµένα από το data bus σε ένα καταχωρητή και καθαρίζει τις γραµµές MPEQ, RD, το address bus και το data bus. Στο διάγραµµα του σχήµατος 3.14 µπορούµε να κάνουµε τοις παρακάτω παρατηρήσεις: Η µεταβολή από το 0 στο 1 δεν γίνεται αστραπιαία, και για τον λόγο αυτό οι µεταβολές παρουσιάζονται µε µια πλάγια γραµµή ανόδου ή καθόδου. Τέλος το ροµβοειδές σχήµα σηµαίνει πολλές γραµµές δεδοµένων ή διευθύνσεων οι οποίες άλλες είναι 0 και άλλες 1. Στον ασύγχρονο διάδροµο τα γεγονότα συµβαίνουν όποτε αυτά µπορούν. εν υπάρχει ρολόι συντονισµού, υπάρχουν όµως επί πλέον σήµατα ελέγχου για χάρη του συντονισµού µεταξύ κυρίου και υπηρέτη. Στο σχήµα 3.16 παρουσιάζουµε την µεταφορά δεδοµένων από την µνήµη στην ΚΜΕ µέσω ενός ασύγχρονου διαδρόµου.

16 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 70 Το πρωτόκολλο που χρησιµοποιείται ονοµάζεται πρωτόκολλο χειραψίας(handshaking protocol). Στον αλγόριθµο επικοινωνίας προσθέσαµε και τα βήµατα της αίτησης από µέρους του κυρίου(master) προς τον κεντρικό διαιτητή για την απόκτηση του διαύλου Β1: Η ΚΜΕ υψώνει(1) τη γραµµή BREQ(Bus Request) και ζητά την χορήγηση του διαύλου(δεν περιλαµβάνεται στο σχήµα). Β2: Ο διαιτητής υψώνει(1) τη γραµµή BGR(Bus Grant), σηµάδι ότι ο διάδροµος είναι ελεύθερος για την KME(δεν περιλαµβάνεται στο σχήµα). B3: Η ΚΜΕ υψώνει(1) τις γραµµές ελέγχου MREQ(Memory request) και RD(Read ) (αίτηση για ανάγνωση από την Μνήµη) και τοποθετεί την διεύθυνση στο διάδροµο των διευθύνσεων Β4: Η µνήµη (χρονική στιγµή t1), βλέπει την αίτηση, διαβάζει την διεύθυνση από τον δίαυλο και υψώνει(1) την γραµµή ΑCK, που σηµαίνει ότι έλαβε γνώση της αίτησης. Β5: Η ΚΜΕ (t2) βλέπει την γραµµή ACK υψωµένη και κατεβάζει(0) τα σήµατα ΜREQ, RD και µηδενίζει ολόκληρο το ADDRESS BUS. B6: Η µνήµη (t3) βλέπει το ΜREQ σήµα κάτω και κατεβάζει(0) και το ACK RD MREQ DR AcK 4 t1 t t3 t4 7 t t6 t Σχήµα 3.15 Πρωτόκολλο χειραψίας σε ασύγχρονο διάδροµο Β7: Η µνήµη (t4) εκτελεί ένα κύκλο ανάγνωσης, τοποθετεί το ζητούµενο δεδοµένο στον διάδροµο και υψώνει(1) το σήµα DR( Ready) που σηµαίνει ότι τα δεδοµένα είναι έτοιµα

17 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 71 Β8: Η ΚΜΕ (t5) βλέπει το σήµα RD να είναι υψωµένο, διαβάζει τα δεδοµένα από τον δίαυλο και υψώνει (1) το σήµα ACK, σηµάδι ότι τα δεδοµένα διαβάστηκαν. Β9: Η µνήµη (t6) βλέπει ACK υψωµένο και κατεβάζει(0) το σήµα DR και µηδενίζει ολόκληρο το DATA BUS. Β10: Η ΚΜΕ (t7) βλέπει κατεβασµένο το RD και απελευθερώνει(0)το σήµα ACK σηµάδι ότι η µεταφορά ολοκληρώθηκε Στο επόµενο σχήµα 3.16 παρουσίαζouµε την ίδια επικοινωνία χρησιµοποιώντας την µέθοδο πoλύπλεξης στις γραµµές ελέγχου address και data. RD MREQ DR AcK 4 t1 5 t t3 t4 7 7 t5 8 9 t6 9 t7 10 Σχήµα 3.16 Πρωτόκολλο χειραψίας σε ασύγχρονο διάδροµο µε πολύπλεξη Οι περισσότεροι δίαυλοι είναι σύγχρονοι γιατί είναι πολύ εύκολη η υλοποίηση τους. Ο κύριος (Master) σηκώνει κάποια σήµατα και ο υπηρέτης ανταποκρίνεται. Τα περισσότερα συστήµατα έχουν σύγχρονο δίαυλο. Το µειονέκτηµα του σύγχρονου δίαυλου είναι ότι δεν µπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις πρώτον γιατί υποχρεώνει τα γρήγορα περιφερειακά να υπακούουν στο δικό του ρόλοι και δεύτερο εισάγει καθυστερήσεις περιµένοντας του κτύπους του ρολογιού για την έναρξη ενός γεγονότος.

18 Kεφάλαιο 3 Συστήµατα ιασύνδεσης Μονάδων 72