Arbitraggio del BUS. Arbitraggio in daisy chain a controllo centralizzato. ad 1 livello a più livelli

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1 Arbitraggio del BUS L'arbitraggio è la funzione di gestione del possesso del bus. Spesso, infatti, accade che CPU, memoria e altri dispositivi ne richiedano simultaneamente l'utilizzo. In questi casi, esistono varie tecniche per decidere chi ha diritto al trasferimento. Prima di analizzarle in dettaglio, ne presentiamo uno schema riassuntivo: Arbitraggio in daisy chain a controllo decentralizzato Arbitraggio in daisy chain a controllo centralizzato ad 1 livello a più livelli Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 1

2 Arbitraggio del BUS Arbitraggio a richieste indipendenti a controllo centralizzato Arbitraggio a richieste indipendenti a controllo distribuito a priorità decodificata a priorità non decodificata o serializzato o a linee spezzate Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 2

3 Daisy chain a controllo decentralizzato Grant CPU DMA 1 DMA 2 DMA n BUSREQ Ciascun dispositivo ha una sua priorità, dipendente dalla distanza dalla CPU: priorità minima per il DMA più lontano, massima per quello più vicino. Quando un dispositivo ha necessità di accedere al bus, manda un segnale di BUSREQ alla CPU. Quest'ultima interrompe ciò che sta facendo e manda in risposta un segnale di GRANT che attraversa tutti i dispositivi alla ricerca di quello che ha effettuato la richiesta. Il dispositivo richiedente, quando raggiunto dal GRANT, ha la certezza che la CPU è ferma in attesa del suo accesso al bus e può così effettuare la transazione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 3

4 In caso di più richieste, dato il collegamento a margherita, verrà servito (tra quelli che hanno effettuato la richiesta) il dispositivo più vicino alla CPU, poiché verrà attraversato dal GRANT per primo e bloccherà la propagazione del segnale ai successivi Un sistema che implementasse la schematizzazione vista, però, avrebbe un'alta probabilità di bloccarsi. Questo perché GRANT è un segnale funzionante a livello e, una volta attraversato un dispositivo della catena, non può essere interrotto. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 4

5 ESEMPIO: Supponiamo di che DMA5 abbia inoltrato una richiesta alla CPU, che questa abbia risposto con GRANT e che GRANT abbia già attraversato DMA2. Quest'ultimo, in caso di necessità di accesso al bus, inoltrerebbe il segnale di BUSREQ2 alla CPU e si metterebbe in attesa del segnale di ritorno. A questo punto, interpreterebbe come proprio il segnale di GRANT diretto a DMA5, cominciando così una transazione sicuramente destinata a entrare in conflitto con quella dell'altro dispositivo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 5

6 Daisy chain a controllo centralizzato Lo schema di principio è il seguente: La struttura è analoga al caso precedente, ha in più un segnale di acknowledge che comunica alla CPU che il dispositivo è pronto per usare il bus. Quando un dispositivo ha necessità di utilizzare il bus segnala con BUSREQ alla CPU la volontà di compiere l'accesso, la CPU risponde con GRANT ma non interrompe la sua attività. Sarà il segnale di BUSACK a comunicarle che la transazione sta per avere inizio. Solo allora sospenderà l'esecuzione del processo in corso, sospenderà l'invio di GRANT e rilascerà il bus. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 6

7 In questo modo: 1. il bus non è mai inutilizzato, poiché la CPU continua ad usarlo anche mentre invia GRANT e attende BUSACK; 2. il sistema non si blocca come nel caso precedente, perché anche se ci sono più richieste e nessuno capisce a chi è diretto il GRANT, BUSACK non viene generato e dopo un po' la CPU toglie anche GRANT; l'arbitraggio si può sovrapporre alla transazione perché una volta arrivato BUSACK il GRANT è 'resettato' ed è possibile ricevere una nuova richiesta. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 7

8 Richieste a più livelli Per risolvere il problema del 'basso valore di priorità' della CPU, si utilizza una struttura con più livelli di richiesta con priorità diverse Nella CPU avremo un registro contenente il valore della priorità del programma: verranno servite solo le richieste con priorità maggiore di quella del programma. Ad esempio, se la priorità del programma è 3 e abbiamo 7 livelli di richieste, accetteremo solo le richieste dei livelli 0, 1, 2, 3 (per convenzione le richieste a priorità maggiore sono indicate col valore più basso). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 8

9 Richieste indipendenti a controllo centralizzato L'utilizzo di una struttura di tipo daisy chain in un sistema multiprocessore ne vanificherebbe i vantaggi. Per questo motivo, in un tale tipo di sistema il compito di gestire l'arbitraggio non viene dato a una CPU ma a un dispositivo esterno che accolga separatamente le richieste di ciascuna CPU. In questo modo, viene rispettata la necessità che le CPU abbiano pari priorità. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 9

10 Introduzione Un bus è una struttura che interconnette due o più dispositivi. Un bus è una struttura condivisa: i valori che un dispositivo scrive su di esso sono accessibili a tutti gli altri dispositivi connessi. Si possono avere bus: interni ad un singolo circuito integrato per la connessione di più circuiti integrati su una scheda per la connessione di più schede in un sistema (backplane). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 10

11 Architetture di Bus Si possono avere 2 tipi di architetture a bus: bus singolo: è la configurazione più semplice bus multiplo: è utile laddove si desiderano prestazioni elevate, oppure quando si devono connettere diverse classi di dispositivi, con caratteristiche tra loro diverse. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 11

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13 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 13

14 Struttura di un Bus Un bus è composto da 3 gruppi di segnali: segnali di dato: normalmente sono in numero pari ad un multiplo di 8; possono essere bidirezionali o unidirezionali (in tal caso è necessario un numero doppio di linee); segnali di indirizzo: identificano lo slave con cui il master vuole comunicare (nonchè quale parte dello slave è coinvolta); possono essere multiplexati con I segnali di dato per ridurre le linee del bus e/o i pin dei dispositivi connessi; segnali di controllo: forniscono informazioni di stato, di temporizzazione, di tipo (dei dati sul bus). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 14

15 Problemi Multiplexato o dedicato? - Il primo è più economico come hardware, il secondo è più veloce. Comunicazioni sincrone o asincrone? - Dipende dalla distanza Quale interfaccia? - Esistono degli standard (es. Multibus, VME, EISA, Futurebus+). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 15

16 Master e Slave Considereremo un sistema a bus singolo nel quale le unità connesse sono di 2 tipi: unità master: inizia ogni procedura di trasferimento dati e sceglie lo slave con cui comunicare; è anche denominata Bus Control Unit e spesso coincide con la CPU; unità slave: risponde ai comandi dell unità master; le memorie sono unità slave. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 16

17 Bus Sincroni/Asincroni Bus Sincroni: ogni unità di dato è trasferita in un periodo di tempo prefissato (normalmente un periodo di clock); le unità sorgente e destinazione utilizzano lo stesso segnale di clock, che fa parte del bus stesso; alternativamente, le 2 unità possono avere clock separati, ma alla stessa frequenza, e scambiare periodicamente segnali di sincronizzazione; la frequenza del clock è imposta dai dispositivi più lenti; il meccanismo funziona su distanze ridotte. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 17

18 Bus Sincroni/Asincroni (II) Bus Asincroni: ogni sessione di comunicazione può avere una sua velocità, determinata da appositi segnali di controllo che accompagnano i segnali di dato; si acquisisce così la massima flessibilità, a spese di una maggiore complessità del protocollo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 18

19 Interfaccia al Bus Le unità connesse al bus utilizzano 2 tipi di dispositivi: driver: per pilotare le linee del bus receiver: per leggere i valori sul bus. I due dispositivi sono spesso raggruppati in un unica entità denominata transceiver. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 19

20 Tristate La tecnologia tristate è quella comunemente utilizzata perimplementare i driver: l uscita di questi può assumere 3 valori: 0, 1, Z. Quando una linea assume il valore Z (alta impedenza), essa corrisponde ad un circuito aperto. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 20

21 Connessione tramite tristate Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 21

22 Problemi L utilizzo di un sistema a bus richiede la soluzione di due principali problemi: la definizione delle tempistiche per i segnali sul bus l introduzione di un meccanismo per la gestione dei conflitti nell accesso al bus. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 22

23 Tempistica e Protocollo Le specifiche di un bus comprendono la descrizione del protocollo che i segnali dovranno seguire, nonchè i limiti di tempo che dovranno essere rispettati. Nel seguito sono riportati alcuni diagrammi che sintetizzano il protocollo e la tempistica per alcune operazioni su bus. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 23

24 Bus Sincrono - Lettura Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 24

25 Bus Sincrono Scrittura T T Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 25

26 Bus Sincrono - Lettura con Stati di Wait Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 26

27 Bus Asincroni Si possono avere due casi: controllo unidirezionale: i segnali di temporizzazione sono generati da uno solo dei due dispositivi coinvolti; controllo bidirezionale, o interlacciato: ambedue i dispositivi partecipano alla generazione dei segnali di temporizzazione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 27

28 Bus Asincrono con Controllo Unidirezionale Bus Asincrono con Controllo Unidirezionale Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 28

29 Latch (controllo del produttore) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 29

30 Latch (controllo del consumatore) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 30

31 Bus Asincroni con Controllo Bidirezionale Permettono di verificare che il trasferimento sia andato a buon fine. Per fare questo introducono un ulteriore segnale di Acknowledge, generato dall unità che non ha richiesto il trasferimento. La sequenza di valori che i segnali devono assumere prende il nome di handshaking. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 31

32 Bus Asincrono con Controllo Bidirezionale: trasferimento iniziato dall unità sorgente Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 32

33 Bus Asincrono con Controllo Bidirezionale: trasferimento iniziato dall unità destinazione Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 33

34 Arbitraggio Il meccanismo di arbitraggio del bus entra in funzione quando 2 o più unità fanno contemporaneamente richiesta di accesso al bus. Il meccanismo deve allora designare il nuovo dispositivo master. L arbitraggio può avvenire in maniera: centralizzata: esiste un arbitro, che a volte fa parte della CPU distribuita: ogni modulo contiene la logica necessaria per implementare un meccanismo di arbitraggio che permette di definire il nuovo master. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 34

35 Arbitraggio distribuito: il bus SCSI Il bus SCSI possiede 8 linee DB(0),, DB(7) che vengono utilizzate sia per il trasferimento dati che per l arbitraggio. Durante l arbitraggio, ogmi linea è associata ad un dispositivo: la line a DB(7) ha la priorità massima. Quando la linea BSY diventa inattiva, tutti i dispositivi (al più 8) che desiderano fare accesso al bus alzano la rispettiva linea DB(i). Tutti i dispositivi osservano il valore sulle linee DB(0),, DB(7), ed il dispositivo con priorità massima vince la contesa; gli altri attendono che BSY torni inattiva. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 35

36 Arbitraggio Centralizzato Esistono 3 meccanismi di arbitraggio centralizzato: daisy-chaining polling richieste indipendenti. Essi differiscono per: numero di linee di controllo richieste velocità di risposta del bus controller flessibilità nella gestione delle priorità tolleranza ai guasti. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 36

37 Daisy Chaining: struttura Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 37

38 Daisy Chaining: funzionamento una unità fa richiesta del bus (BUS REQUEST) attendendo che il bus sia libero (BUS BUSY) l arbitro attiva il segnale di BUS GRANT ogni unità, quando riceve il BUS GRANT: - se ha richiesto il bus: attiva BUS BUSY - se non ha richiesto il bus: attiva BUS GRANT verso l unità a valle. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 38

39 Daisy Chaining: caratteristiche + richiede solo 3 segnali di controllo - non permette di modificare le priorità - non è adatta a numeri elevati di dispositivi connessi - non è tollerante ai guasti. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 39

40 Polling: struttura Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 40

41 Polling: funzionamento Una unità fa richiesta del bus (BUS REQUEST), attendendo che il bus sia libero (BUS BUSY) l arbitro scandisce tutte le unità collegate, mettendo sul Poll Counter gli indirizzi di ciascuna, in sequenza quando una unità viene indirizzata, ed ha fatto richiesta, attiva il segnale di BUS BUSY; a questo punto l arbitro interrompe la scansione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 41

42 Polling: caratteristiche - richiede 2+log(n) segnali di controllo per gestire n unità + la gerarchia delle unità può essere cambiata modificando la sequenza di scansione + il sistema è tollerante ad un eventuale guasto in una unità. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 42

43 Richieste Indipendenti: struttura Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 43

44 Richieste Indipendenti: funzionamento l unità i-esima fa richiesta del bus (BUS REQUEST i), attendendo che il bus sia libero (BUS BUSY) l arbitro gestisce tutte le richieste, e concede il bus all unità con priorità maggiore (BUS GRANT j) l unità j assume il controllo del bus (BUS BUSY j). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 44

45 Richieste Indipendenti: caratteristiche - richiede 2*n+1 segnali di controllo per gestire n unità + le priorità dei dispositivi dipendono dai meccanismi implementati dall'arbitro + il sistema può tollerare ad un eventuale guasto in una unità. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 45

46 Esempio: VMEbus Il bus VMEbus (Versa Module European bus) prevede 32 linee per i dati, 32 per gli indirizzi, ed altre per il controllo. Ogni scheda deve presentare un connettore da 96 pin. È il successore del Versabus, che ha ampiezza pari a 16 bit. È stato definito congiuntamente nel 1981 da Motorola, Mostek e Philips/Signetics ed è adatto a sistemi di piccole e medie dimensioni. Si presta particolarmente per essere utilizzato con processori È un bus di tipo asincrono con schema di arbitraggio centralizzato. La frequenza di trasferimento dei dati si aggira sui 30 Mbyte/s. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 46

47 Esempio: il bus SCSI Lo SCSI (Small Computer System Interface) è stato standardizzato dall ANSI con la denominazione X È rivolto ai sistemi di piccole e medie dimensioni e prevede un bus cui si possono collegare sino ad 8 dispositivi (principalmente dischi), ciascuno dotato di un proprio controllore. I controllori possono essere di due tipi: iniziatori e target. I trasferimenti di dati sono sempre controllati dal controllore target, mentre l iniziatore sceglie il target e definisce l operazione da eseguire. Ogni trasferimento prevede l instaurazione di una connessione logica. Ha una lunghezza massima di 25 metri. Può essere sincrono o asincrono. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 47

48 Esempio: PCI È un bus di backplane, adatto a collegare schede di tipo diverso. Ha un'ampiezza variabile (32 o 64 bit) per la parte dati. Il bus dati ed il bus indirizzi condividono gli stessi segnali. Può gestire sino a 32 dispositivi, e adotta un arbitraggio di tipo centralizzato. È di tipo sincrono, e può funzionare ad una frequenza massima di 66 MHz, raggiungendo una velocità di trasferimento di picco pari a 80 MByte/s. Ha una lunghezza massima di 50 cm. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Gestione del Bus 48