17. Организация шин. Параметры шин. Циклы шины.

Организация шин: определения

Шина – общая электрическая магистраль между несколькими устройствами. Изначально ПК содержали лишь одну шину – системную шину, также называемую внутренней. Внешние шины используются для организации интерфейса с устройствами за пределами типичной процессорной системы.

Примеры: USB, Fire Wire. Эти шины обычно используются для общения с устройствами ввода/вывода.

Сигналы управляющей шины

• Чтение/запись памяти
• Чтение/запись I/O
• Готовность
• Запрос и разрешение шины
• Прерывание и подтверждение прерывания
• Запрос DMA, подтверждение DMA
• Синхросигнал
• Сброс

Параметры шин

• Ширина шины
• Частота шины
• Перекос (Skew)
• Тип шины
• Синхронизация шины
• Арбитраж

Ширина и частота шины, перекос

• Ширина шины определяет её пропускную способность.
• Широкая шина требует больше места, как из-за количества проводников, так и для обеспечения одинаковой длины проводников. Широкая шина требует много материалов, следовательно, она дорогая. В широкой шине серьезную проблему представляет эл.-маг. излучение, наводящее помехи между соседними проводниками шины.
• Проблема ширины шин часто решается путем мультиплексирования линий адреса и данных в одну шину. В таком случае используется одна физическая шина, а в ходе работы сначала по ней передается адрес, затем данные.
• Повышение частоты шины создает проблемы обратной совместимости и совместимости с медленными устройствами.
• При высокой тактовой частоте критическое значение приобретает перекос (skew), вызванный расхождением в распространении сигналов по разным линиям. Поэтому для работы с большими тактовыми частотами используются последовательные шины.

Тип шин, операции шин

Типы:

1. Специализированные: шина данных, адресная шина.
2. Мультиплексированные: одна шина используется для передачи данных и адреса в разные промежутки времени.

Операции:

1. Чтение
2. Запись
3. Передача блоками
4. Прерывание
5. Чтение-модификация-запись – это операция, используемая в многопроцессорных системах.
   Позволяет организовать исключительный, атомарный доступ к разделяемой информации, называемой критической секцией.

Синхронизация шин

Синхронные

Любая операция занимает целое число тактов.

Достоинство: простота работы, простота изготовления.

Недостатки: снижение общей эффективности передач, вся система привязана к одной частоте, более того, шина должна работать с частотой самого медленного из подключенных к ней устройства.

Асинхронные

Не зависят от тактового генератора. Циклы занимают столько, сколько требуется, и могут различаться для различных устройств одной шины. Такие шины управляются событиями. В них существует необходимость реализовывать handshake.

Достоинства: возможность поддержки устройств с различной частотой.

Недостатки: c ними сложнее работать. Их сложнее реализовать.

Арбитраж: определения

• Инициатор (Master) – ведущее устройство, инициирующее передачу данных.
• Ведомое устройство (Slave) – подчиненное устройство.
• Драйвер шины (Bus Driver) – цифровой усилитель, через который мастер подключается к шине.
• Приемник шины (Bus Receiver) – схема, с помощью которой к шине подключается slave.
• Приемопередатчик (Bus Transceiver) – схема, с помощью которой к шине подключаются устройства, которые в разные моменты выполняют роль Master и Slave.

Арбитраж

• Арбитр – устройство, разрешающее конфликты доступа к шине.
• Протокол – набор правил, которым должны подчиняться все устройства, подключаемые к шине.

Виды арбитража:

1. Статический – доступ к шине осуществляется в заранее определенном порядке. Прост в реализации, неэффективен, не отражает нужд пользователей шины.
2. Динамический – осуществляется по требованию мастера. Для реализации необходимо, чтобы у каждого мастера были линии запроса шины (request) и разрешения шины (grant). Если мастеру требуется шина, устанавливается сигнал на линию request. Транзакция может быть начата только после получения разрешения по линии grant.

Цикл шины

Цикл шины – направленная на выполнение определенной функции шины периодически повторяемая связанная последовательность управляющих работой шины сигналов, а также передач кодов по ее линиям.

Примеры циклов: циклы чтения, записи, прерывания и др.

По отношению к тактовым синхроимпульсам шины делятся на синхронные и асинхронные.

У синхронных шин все действия цикла шины привязаны к определенным фазам синхроимпульса – началу, середине, концу и т. д. Они имеют строго определенную длительность, а цикл такой шины всегда занимает целое количество тактов. У асинхронных шин такая привязка отсутствует