Файл: 1-337.pdf

176 Глава 4. Организация шин

выставляют запросы, эти запросы транслируются на вход центрального арбитра.

Получив сигнал ЗШ, арбитр анализирует состояние линии занятия шины, и если

шина свободна, формирует сигнал ПШ. Сигнал предоставления шины последова-

тельно переходит по цепочке от одного ведущего к другому. Если устройство, на
которое поступил сигнал ПШ, не запрашивало шину, оно просто пропускает сигнал
дальше по цепочке. Когда ПШ достигнет самого левого из запросивших ведущих,

последний блокирует дальнейшее распространение сигнала ПШ по цепочке и бе-
рет на себя управление шиной.

Еще раз отметим, что очередной ведущий не может приступить к управлению

шиной до момента ее освобождения. Центральный арбитр не должен формиро-
вать сигнал ПШ вплоть до этого момента.

Цепочечная реализация предполагает статическое распределение приоритетов.

Наивысший приоритет имеет ближайшее к арбитру ведущее устройство (устрой-

ство, на которое арбитр выдает сигнал ПШ). Далее приоритеты ведущих в цепочке
последовательно понижаются.

Основное достоинство цепочечного арбитража заключается в простоте реали-

зации и в малом количестве используемых линий. Последовательные схемы ар-
битража позволяют легко наращивать число устройств, подключаемых к шине.

Схеме тем не менее присущи существенные недостатки. Прежде всего, после-

довательное прохождение сигнала по цепочке замедляет арбитраж, причем время

арбитража растет пропорционально длине цепочки. Статическое распределение
приоритетов может привести к полному блокированию устройств с низким уров-
нем приоритета (расположенных в конце цепочки). Наконец, как и параллельный
вариант, централизованный последовательный арбитраж не очень удобен в плане

диагностики работы шины.

Децентрализованный арбитраж

При

 децентрализованном

 или

 распределенном арбитраже

 единый арбитр отсут-

ствует. Вместо этого каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине,
и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с дру-
гом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с цен-
трализованной схемой децентрализованный арбитраж менее чувствителен к отка-
зам претендующих на шину устройств.

Рис. 4.13. Схема децентрализованного параллельного арбитража

Арбитраж шин 177

Одна из возможных схем, которую можно условно назвать схемой децентрали-

зованного параллельного арбитража, показана на рис. 4.13. Каждый ведущий имеет
уникальный уровень приоритета и обладает собственным контроллером шины,
способным формировать сигналы предоставления и занятия шины. Сигналы за-
проса от любого ведущего поступают на входы всех остальных ведущих. Логика
арбитража реализуется в контроллере шины каждого ведущего.

Под децентрализованный арбитраж может быть модифицирована также схема,

приведенная на рис. 4.12. Подобный вариант, называемый кольцевой схемой, по-
казан на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Кольцевая схема

Здесь сигнал может возникать в различных точках цепочки, замкнутой в кольцо.

Переход к новому ведущему сопровождается циклической сменой приоритетов.
В следующем цикле арбитража текущий ведущий будет иметь самый низкий уро-

вень приоритета. Соседний ведущий справа получает наивысший приоритет, а да-

лее каждому устройству в кольце присваивается уровень приоритета на единицу
меньше, чем у соседа слева. Иными словами, реализуется циклическая смена при-
оритетов с учетом последнего запроса.

Текущий ведущий, управляющий шиной, генерирует сигнал ПШ, который про-

ходит через все ведущие устройства, не запросившие шину. Ведущий, сформиро-
вавший запрос и имеющий на входе активный сигнал ПШ, запрещает прохождение
этого сигнала далее по цепочке, но не может взять на себя управление шиной до
момента ее освобождения текущим ведущим. Когда текущий ведущий обнаружи-
вает, что «потерял» сигнал ПШ на своем входе, он обязан при первой возможности

освободить шину и снять сигнал занятия шины.

Для большинства шин все-таки более характерна другая организация децентра-

лизованного арбитража. Такие схемы предполагают наличие в составе шины груп-

пы арбитражных линий, организованных по схеме «монтажного ИЛИ». Это
позволяет любому ведущему видеть сигналы, выставленные остальными устрой-

ствами. Каждому ведущему присваивается уникальный номер, совпадающий
с кодом уровня приоритета данного ведущего. Запрашивающие шину устройства
выдают на арбитражные линии свой номер. Каждый из запросивших ведущих, об-
наружив на арбитражных линиях номер устройствах более высоким приорите-

том, снимает с этих линий младшие биты своего номера. В конце концов на арбит-
ражных линиях остается только номер устройства, обладающего наиболее высоким
приоритетом. Победителем в процедуре арбитража становится ведущий, опознав-

178 Глава 4. Организация шин

ший на арбитражных линиях свой номер. Подобная схема известна также как

 рас-

пределенный арбитраж с самостоятельным выбором,

 поскольку ведущий сам оп-

ределяет, стал ли он победителем в арбитраже, то есть выбирает себя самостоя-
тельно.

Идея подобного арбитража была предложена М. Таубом (Matthew Taub)

в 1975 году. В алгоритме Тауба под арбитраж выделяются две группы сигнальных
линий, доступные всем устройствам на шине. Устройства подключаются к этим

линиям по схеме «монтажного ИЛИ». Первая группа служит для передачи сигна-
лов синхронизации и управления. Вторую группу линий условно назовем шиной
приоритета и обозначим В. В зависимости от принятого числа уровней приоритета
эта группа может содержать от 4 до 7 линий. Каждому потенциальному ведущему

назначается уникальный уровень приоритета. Приоритет Р представлен

 k

-разрядным

двоичным кодом. Каждому разряду кода приоритета соответствует линия в

шине В. Ведущие, претендующие на управление шиной, выдают на шину В свои коды
приоритета Р. Дальнейшее поведение ведущих определяется следующим прави-

лом: если i-й разряд кода приоритета равен О (Р

i

 = 0), а на i-й линии шины В в дан-

ный момент присутствует единица (В

i

 = 1), то ведущий обнуляет в выставляемом

коде все младшие разряды, от 0-го до

 i

-го. В результате такой процедуры на шине В

остается код наивысшего из выставленных приоритетов. Устройство, распознав-
шее на шине свой код приоритета, считается выигравшим арбитраж. После завер-
шения своей транзакции выигравшее устройство снимает с шины В свой код при-

оритета, при этом ситуация на линиях В меняется. Ведущие, претендовавшие на
шину, восстанавливают ранее обнуленные разряды, и начинается новый цикл ар-
битража.

Поясним алгоритм примером. Пусть в некоторый момент времени запрос на

шину выставили три ведущих с номерами 10,8 и 5. Положим, что уровни приори-

тета ведущих совпадают с их номерами, то есть на четырехразрядную шину В бу-
дут выданы соответственно коды 1010

2

 (10

10

), 1000

2

 (8

10

) и 0101

2

 (5

10

). Так как над

одноименными разрядами кодов выполняется операция логического сложения

(устройства подключены к линиям по схеме «монтажного ИЛИ»), на шине В уста-

новится код 1111

2

. Согласно рассмотренному выше правилу первое и второе уст-

ройства обязаны обнулить разряды с 2-го по 0-й (0-й разряд — младший), а тре-
тье — все разряды. В итоге на шине В установится новый код 1000

2

, и первое

устройство сможет немедленно восстановить ранее обнуленные разряды. Таким
образом, на шине В будет код 1010

2

, то есть код приоритета устройства с номером 10.

Схема арбитража этого устройства опознает на шине свой уровень приоритета и

захватит шину. После завершения транзакции устройство с номером 10 снимет
свой код приоритета, а остальные два устройства восстановят свои. Далее начнет-
ся новая процедура арбитража.

Описанная процедура связана с определенными затратами времени на стаби-

лизацию на арбитражных линиях номера устройства-победителя. Это время должно
быть учтено в протоколе шины.

Чтобы исключить постоянное блокирование ведущих, обладающих низким

приоритетом, Тауб впоследствии модернизировал свою схему, дополнив ее моду-

лем равнодоступности (fairness module). Модуль запрещает выигравшему ведуще-

му выдавать новые запросы до завершения обслуживания всех ожидающих запро-

Арбитраж шин  1 7 9

сов. Следует отметить, что это не гарантирует, а только помогает каждому ведуще-
му получить право на управление шиной.

Вариации рассмотренной схемы широко используются в таких шинах, как

Futurebus, NuBus, MultiBus II, Fastbus.

В целом схемы децентрализованного арбитража потенциально более надежны,

поскольку отказ контроллера шины в одном из ведущих не нарушает работу с ши-
ной на общем уровне. Тем не менее должны быть предусмотрены средства для об-
наружения неисправных контроллеров, например на основе тайм-аута. Основной
недостаток децентрализованных схем — в относительной сложности логики ар-

битража, которая должна быть реализована в аппаратуре каждого ведущего.

В некоторых ВМ применяют комбинированные последовательно-параллель-

ные схемы арбитража, в какой-то мере сочетающие достоинства обоих методов.
Здесь все ведущие разбиваются на группы. Арбитраж внутри группы ведется по
последовательной схеме, а между группами — по параллельной.

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 предо-
ставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах. Дру-
гим 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 прио-
ритета.

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 не-
сколькими контроллерами шины.

Данный механизм использует специальные линии опроса между контролле-

ром (контроллерами) шины и ведущими — по одной линии для каждого ведущего.

С целью уменьшения числа таких линий может формироваться номер запрашива-

ющего ведущего, для чего вместо 2" достаточно

 п

 линий. Кроме того, используют-

ся также линии запроса шины и линия сигнала занятия шины.

Централизованный опрос

Централизованный опрос Иллюстрирует рис. 4.15.

Контроллер шины последовательно опрашивает каждое ведущее устройство на

предмет, находится ли оно в ожидании предоставления шины. Для этого контрол-

лер 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). Обнару-
жив сигнал, контроллер разрешает ведущему использовать шину. Последователь-
ность опроса ведущих может быть организована в порядке убывания адресов, либо
меняться в соответствии с алгоритмом динамического приоритета.

180 Глава 4. Организация шин

Рис. 4.15. Организация централизованного опроса ведущих

Децентрализованный опрос

Организация децентрализованного опроса показана на рис. 4.16.

Каждый ведущий содержит контроллер шины, состоящий из дешифратора ад-

реса и генератора адреса. В начале опросной последовательности формируется

адрес, который распознается контроллером. Если соответствующий ведущий ожи-

дает 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 квитирова-

нием, использующую сигнал ЗШ, формируемый генератором адреса, и сигнал ПШ,

генерируемый дешифратором адреса.

Рис. 4.16. 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 по-

мощью механизма тайм-аута: по истечении заданного времени функции отказав-

шего контроллера берет на себя следующий контроллер.

Протокол шины

Выставляя на шину адрес, ведущее устройство все его биты выдает на линии па-

раллельно, что совсем не гарантирует их одновременного поступления к ведомому,
устройству. Отдельные биты адреса могут преодолевать более длинный путь, дру-