Децентрализованный арбитраж

При децентрализованном или распределенном арбитраже единый арбитр отсут­ствует. Вместо этого каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине, и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с дру­гом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с цен­трализованной схемой децентрализованный арбитраж менее чувствителен к отка­зам претендующих на шину устройств.

Рис. 4.13. Схема децентрализованного параллельного арбитража

Одна из возможных схем, которую можно условно назвать схемой децентрализованного 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 любого ведущего поступают на входы всех остальных ведущих. Логика арбитража реализуется в контроллере шины каждого ведущего, Под децентрализованный арбитраж может быть модифицирована также схема, показанная на рис. 4.12. Подобный вариант, называемый кольцевой схемой, показан 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 уро­вень приоритета. Соседний ведущий справа получает наивысший приоритет, а да­лее каждому устройству в кольце присваивается уровень приоритета на единицу меньше, чем у соседа слева. Иными словами, реализуется циклическая смена при­оритетов с учетом последнего запроса.

Текущий ведущий, управляющий шиной, генерирует сигнал ПШ, который про­ходит через все ведущие устройства, не запросившие шину. Ведущий, сформиро­вавший 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 обнаруживает, 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 децентрализованного арбитража. Такие схемы предполагают наличие в составе шины группы арбитражных линий, организованных по схеме «монтажного ИЛИ». Это позволяет любому ведущему видеть сигналы, выставленные остальными устройствами. 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, обнаружив на арбитражных линиях номер устройства с более высоким приоритетом, снимает с этих линий младшие биты своего номера. В конце концов на арбитражных линиях остается только номер устройства, обладающего наиболее высоким приоритетом. Победителем в процедуре арбитража становится ведущий, опознав-

178

ший на арбитражных линиях свой номер. Подобная схема известна также как распределенный арбитраж с самостоятельным выбором, поскольку ведущий сам определяет, стал ли он победителем в арбитраже, то есть выбирает себя самостоятельно.

Идея подобного арбитража была предложена М. Таубом (Matthew Та К 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 сигналов синхронизации и управления. Вторую группу линий условно назовем шиной приоритета и обозначим В. В зависимости от принятого числа уровней приоритет 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 прави­лом: если i-й разряд кода приоритета равен О (Р_i = 0), а на i-й линии шины В в дан­ный 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, распознав­шее на шине свой код приоритета, считается выигравшим арбитраж. После завер­шения своей транзакции выигравшее устройство снимает с шины В свой код при­оритета, при этом ситуация на линиях В меняется. Ведущие, претендовавшие на шину, восстанавливают ранее обнуленные разряды, и начинается новый цикл ар­битража.

Поясним алгоритм примером. Пусть в некоторый момент времени запрос на шину выставили три ведущих с номерами 10,8 и 5. Положим, что уровни приори­тета ведущих совпадают с их номерами, то есть на четырехразрядную шину В бу­дут выданы соответственно коды 1010, (10₁₀), 1000₂ (8₁₀) и 0101₂ (5₁₀). Так как над одноименными разрядами кодов выполняется операция логического сложения (устройства подключены к линиям по схеме «монтажного ИЛИ»), на шине В уста­новится код 1111₂. Согласно рассмотренному выше правилу первое и второе уст­ройства обязаны обнулить разряды с 2-го по 0-й (0-й разряд — младший), а тре­тье — все разряды. В итоге на шине В установится новый код 1000₂, и первое устройство сможет немедленно восстановить ранее обнуленные разряды. Таким образом, на шине В будет код 1010₂, то есть код приоритета устройства с номером w-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 стабилизацию на арбитражных линиях номера устройства-победителя. Это время должна быть учтено в протоколе шины.

Чтобы исключить постоянное блокирование ведущих, обладающих низким приоритетом, Тауб впоследствии модернизировал свою схему, дополнив ее модулем равнодоступности (fairness module). Модуль запрещает выигравшему ведущему выдавать новые запросы до завершения обслуживания всех ожидающих запро

179

сов. Следует отметить, что это не гарантирует, а только помогает каждому ведущему 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 шиной на общем уровне. Тем не менее должны быть предусмотрены средства для обнаружения неисправных контроллеров, например на основе тайм-аута. Основной недостаток децентрализованных схем — в относительной сложности логики арбитража, которая должна быть реализована в аппаратуре каждого ведущего.

В некоторых ВМ применяют комбинированные последовательно-параллель­ные 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 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. Целью уменьшения числа таких линий может формироваться номер запрашива­ющего ведущего, для чего вместо 2^п достаточно п линий. Кроме того, используются также линии запроса шины и линия сигнала занятия шины.