Конспект лекций общепрофессиональной дисциплины ОП.01 Архитектура компьютерных систем (стр. 17 )

  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, опознавший 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 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 сигна­лов 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 ^-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-ii разряд кода приоритета равен О (Рi = 0), а на i-й линии шины В в дан­ный момент присутствует единица (Вi = 1), то ведущий обнуляет в выставляемом коде все младшие разряды, от 0-го до i - ro. 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.

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. С целью уменьшения числа таких линий может формироваться номер запрашива­ющего ведущего, для чего вместо 2" достаточно п линий. Кроме того, используют­ся 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 контрол­лер 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). Обнару­жив сигнал, контроллер разрешает ведущему использовать шину. Последователь­ность опроса ведущих может быть организована в порядке убывания адресов, либо меняться в соответствии с алгоритмом динамического приоритета.

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 ад­реса и генератора адреса. В начале опросной последовательности формируется адрес, который распознается контроллером. Если соответствующий ведущий ожи­дает 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 квитирова­нием, использующую сигнал ЗШ, формируемый генератором адреса, и сигнал ПШ, генерируемый дешифратором адреса.

Рис. 4.16. Организация децентрализованного опроса ведущихх

При децентрализованном опросе отказ в одной из точек приводит к отказу всей системы арбитража. Такая ситуация, впрочем, может быть предотвращена с по­мощью механизма тайм-аута: по истечении заданного времени функции отказав­шего контроллера берет на себя следующий контроллер.

8.  ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПАМЯТИ

Характеристики и классификация запоминающих устройств. Иерархия систем памяти

Под запоминающими устройствами (ЗУ, память) будем понимать совокупность устройств для запоминания, хранения и выдачи информации. Память является одним из основных ресурсов компьютера, влияющим как на производительность, так и на функциональность вычислительной машины.

К основным характеристикам устройств памяти можно отнести:

1) Временные характеристики :

- быстродействие - определяется временем выборки, временем обращения и другими параметрами. Время обращения складывается из различных составляющих, например:

tобрЧТ = tдост + tчт + tрег,

где tобрчт - время обращения при чтении, tдост - время доступа к данным, tрег - время регенерации (для динамической памяти), Ь„ - время собственно чтения; tобрЗП = tдост +t подг +t зп

где tобрЗП - время обращения при записи, tподг - время подготовки данных, tзп- время собственно записи. Таким образом, процесс чтения/записи ЗУ в общем случае включает ряд этапов разной сложности и длительности.

- производительность - определяется пропускной способностью ЗУ, то есть - объемом информации, который можно считать/записать из/в ЗУ в единицу времени. Для оценки производительности часто используют показатель длительности цикла обращения к памяти tц, под которым понимают минимальное время между сменой информации на выходе/ входе ЗУ. Длительность цикла не всегда совпадает с временем обращения, в частности, при конвейеризации ЗУ можно добиться увеличения производительности при достаточно большой величине tобр за счет разделения общей задачи чтения/записи на последовательные ступени конвейера.

2) Важнейшей потребительской характеристикой ЗУ является его объем, или емкость памяти (Е), то есть количество запоминаемой информации. В зависимости от типа ЗУ, его места в вычислительной системе, объем может меняться от десятков байт (для регистровой памяти ЦП) до десятков и сотен гигабайт (для массивов накопителей на магнитных дисках).

Наряду с характеристикой емкости памяти применяют также удельную емкость по отношению к единице площади или объема кристалла. Такая характеристика в большей степени характеризует технологические особенности ЗУ.

3) Третьей важнейшей потребительской характеристикой ЗУ, как и любого вычислительного устройства, является его стоимость, которая также может меняться в самых широких пределах в зависимости от объема, производительности и других характеристик. Распространенной характеристикой является удельная стоимость в расчете на единицу информации (стоимость одного бита/байта, кило - и мегабайта и т. д.)

Помимо перечисленных можно отметить множество других характеристик ЗУ, в том числе: технологию изготовления, потребность во внешнем источнике питания для хранения информации, длительность хранения, количество циклов чтения и записи, геометрические размеры, и так далее.

С учетом приведенных характеристик, а также - назначения ЗУ, места, занимаемого ЗУ в вычислительной системе, можно привести, например, следующую классификацию ЗУ:

1. По удаленности от процессора :

- сверхоперативная (регистры процессора, КЭШ память);

- основная (оперативная) память ;

- дополнительная память (внешняя) ;

- вторичная память (также внешняя) ;

- массовая память (внешняя, как правило, на доступных сменных носителях).

2. По организации записи :

- постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM - read-only memory)

- однократно программируемое изготовителем устройство только для чтения;

- перепрограммируемое запоминающее устройство - ППЗУ (PROM) - возможно перепрограммирование, которое, однако, требует специальной процедуры, кол-во циклов записи намного меньше циклов чтения;