Принципы организации арбитража магистрали

Нормальное функционирование системы ПДП любой структуры очень во многом зависит от правильного выбора дисциплины обслуживания устройств магистрали, т.е. от правильного выбора системы приоритетных соотношений. Особенно остро эта проблема стоит в вычислительных системах, использующих bus mastering, поскольку общая производительность системы существенно зависит от равномерности загрузки всех ведущих устройств магистрали. Последнее можно обеспечить только рациональным выбором дисциплины арбитража (в дальнейшем просто арбитража). Существуют многочисленные варианты арбитража, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, причем ни один из них не может быть назван идеальным для любых вычислительных систем. Оптимальный вариант арбитража всегда зависит от конкретной конфигурации вычислительной системы и ее целевого назначения, типа используемых процессоров, конфигурации и назначения ведущих устройств магистрали, способов взаимодействия с системой прерывания и многих других факторов. Способ арбитража определяет и название арбитра, используемого в конкретной вычислительной системе.

Наиболее популярными вариантами арбитров в настоящее время являются: одноуровневый, с фиксированными приоритетами, с циклическим изменением приоритетов, круговой. Рассмотрим их более подробно.

Одноуровневый арбитр

Это простейший вариант арбитра, который используется в простых системах bus master DMA цепочечной структуры, изображенной на рис. 11.3. В соответствии со своим названием он обслуживает только один уровень запроса и предоставляет магистраль, используя одну линию ЛРПД, т.е. в системе используется только одна ШАр. В этом случае отпадает необходимость выполнения процедуры поиска возбужденной ЛЗПД с максимальным приоритетом. Отпадает необходимость и в отдельном арбитре магистрали, поэтому термин "одноуровневый арбитр" не совсем уместен, так как реальным арбитражем он не занимается. Каждое ИЗПД само принимает решение принимать или пропускать сигнал РПД. Такие системы bus master DMA, как уже отмечалось, являются наиболее динамичными, даже при достаточно большом количестве ИЗПД, и могут быть построены с минимальной аппаратной поддержкой.

Основной недостаток такого арбитра состоит в том, что постоянное преимущество в использовании магистрали имеют устройства, расположенные в слотах с малыми номерами, т.е. близкие к слоту "0".

Арбитр с фиксированными приоритетами

Это также достаточно простой вариант арбитра, который предполагает, что за каждым входом ШАр (система bus master DMA) или ЛЗПД (система slave DMA) закреплен определенный уровень приоритета, который не может быть изменен в процессе обслуживания устройств магистрали. В большинстве случаев количество входов в арбитр или контроллер ПДП не превышает 4-8. Для увеличения количества входов, особенно в контроллерах систем slave DMA, обычно допускается их каскадное включение. Основной недостаток такого арбитра состоит в том, что постоянное преимущество в использовании магистрали имеют устройства, использующие вход арбитра с максимальным приоритетом.

Арбитр с циклическим изменением приоритета

Этот вариант арбитра является развитием варианта арбитра с фиксированными приоритетами. Алгоритм функционирования такого арбитра состоит в следующем. Пусть арбитр имеет четыре входа, к которым подключены четыре ШАр – ШАр₀, ШАр₁, ШАр₂, ШАр₃. После инициализации входам арбитра присваиваются фиксированные приоритеты (например, ШАр₀ – высший, а ШАр₃ – низший). Однако после обслуживания устройств одной из ШАр ей автоматически назначают низший приоритет, а приоритеты остальных ШАр изменяются в круговой последовательности. Например, после обслуживания ШАр₂ приоритеты остальных ШАр убывают в таком порядке: ШАр₃, ШАр₀, ШАр₁, ШАр₂. Такой режим позволяет выровнять приоритеты всех ШАр и не допустить преимущественное использование магистрали устройствами одной ШАр. Возможны и другие схемы выравнивания приоритетов.

Основной недостаток такого арбитра состоит в том, что невозможно жестко зафиксировать наивысший приоритет какой-либо ШАр или устройства.

Круговой арбитр

Этот вариант арбитра предоставляет равный приоритет всем ШАр, подключенным к его входам. Пусть, как и в предыдущем случае, к арбитру подключены четыре ШАр. Тогда арбитр предоставляет магистраль в распоряжение устройств каждой ШАр на основе круговой диспетчеризации подобно круговому переключателю на четыре позиции. После запуска вычислительной системы "переключатель" может установиться либо на фиксированную, либо на случайную позицию (вход ШАр). Все зависит от конкретной технической реализации арбитра. Пусть это будет вход ШАр₀. Когда одно из ведущих устройств ШАр₀ осуществит обмен и освободит магистраль, "переключатель" повернется на следующую позицию и предоставит возможность захвата магистрали ведущим устройствам ШАр₁. Если на входе ШАр₁ его не ожидает запрос, арбитр пропустит этот вход и переключится на следующий, т.е. на вход ШАр₂. Таким образом, ведущие устройства всех ШАр обеспечиваются равными правами на захват магистрали.

Основной недостаток такого арбитра аналогичен предыдущему.

Рассмотренные выше варианты, как уже отмечалось, не исчерпывают всего многообразия арбитров, используемых в реальных вычислительных системах. Кроме того, следует помнить, что многие арбитры являются сложными перепрограммируемыми устройствами и могут, после соответствующей инициализации, поддерживать не только различные варианты арбитража, но и использовать комбинированные варианты, наиболее оптимальные для конкретной вычислительной системы.

Лекция 10. Введение в микропроцессорную технику

Понятие микропроцессора Классификация МП. Типы МП. Основные характеристики микропроцессора. Структура типового микропроцессора. Логическая структура микропроцессора. Типы архитектур. Микропроцессорные устройства.

Микропроцессор - программно управляемый элемент вычислительной техники, выполняющий арифметические и логические операции над двоичными данными, имеющий средства взаимодействия с устройствами памяти и устройствами ввода-вывода.