1
5. PRENOSNI PUTEVI IZME
Đ
U FUNKCIONALNIH JEDINICA
RA
Č
UNARSKOG SISTEMA
5.1. Osobine i klasifikacija ra
č
unarskih magistrala
Iz same definicije strukture ra
č
unarskog sistema i hijerarhijskih nivoa te strukture, uo
č
ava se
da je suštinsko pitanje redosled i na
č
in povezivanja pojedinih elementarnih komponenti. Ve
ć
na
nivou procesora, kao što je to opisano, formira se jedinstven prenosni put, interna magistrala,
radi izbegavanja velikog broja linija koje spajaju registre.
Na višem nivou strukture, potrebno je na efikasan na
č
in organizovati razmenu informacija
izme
đ
u pojedinih funkcionalnih jedinica ra
č
unarskog sistema. U tu svrhu, kao najefikasnije
rešenje, formira se jedinstven prenosni put, u obliku fizi
č
kog medijuma koji prenosi elektri
č
ne
signale – nosioce instrukcija i podataka. Ovaj skup zajedni
č
kih, deljenih sprežnih signala naziva
se
magistralom
ra
č
unarskog sistema. Da bi se naglasila njena suštinska razlika u odnosu na
internu magistralu, nekad se koristi i termin
spoljna magistrala
.
Slika 5.1 Magistralna organizacija ra
č
unarskog sistema
Magistrala me
đ
usobno povezuje centralni procesor, memoriju i periferijske U/I module, i
osnova je za izgradnju složenih ra
č
unarskih struktura.
O
č
igledna je pogodnost magistralne organizacije u pogledu cene i jednostavnosti relizacije,
kao i mogu
ć
nosti proširenja ra
č
unarskog sistema dodavanjem novih modula. Ukoliko je odre
đ
eni
tip magistrale standardizovan, to dodatno stvara mogu
ć
nost nesmetane upotrebe modula
razli
č
itih prizvo
đ
a
č
a.
Istovremeno, svaka magistrala unosi i odre
đ
ena ograni
č
enja u pogledu maksimalnih
performansi ra
č
unarskog sistema. To se odnosi pre svega na propusni opseg magistrale, koji
limitira maksimalnu brzinu komunikacije sa U/I periferijama. Istovremeno, elektri
č
ne osobine
magistrale definišu njenu najve
ć
u dužinu i broj modula koji se na nju mogu povezati.
Ure
đ
aji koji se povezuju preko magistrale, me
đ
usobno se vrlo razlikuju u pogledu kašnjenja
i brzine prenosa. Zato se uvode specijalizovane magistrale, pri
č
emu svaki tip magistrale mora
obezbediti mehanizme komunikacije koji
ć
e omogu
ć
iti adekvatno savladavanje ovih razlika.
Magistrale specijalizuju za specifi
č
nu namenu, ta
č
nije za odre
đ
en skup funkcionalnih
jedinica koje se na nju povezuju. Zato je uobi
č
ajeno razlikovanje
procesorske
,
sistemske
i
U/I
magistrale
, kod kojih, u iznetom redosledu, opada brzina prenosa i propusnost, a raste zna
č
aj
Sistemska magistrala
Procesor
Mrežni
adapter
Memorija
P
ro
ce
sor
sk
a m
a
g.
Video
kontroler
DVD
Disk
UI
m
a
g
is
tr
al
a
Serijski
adapter
Štampac
Spore UI
periferije
2
fleksibilnosti i proširivosti magistrale. Procesorska magistrala, nekad ozna
č
ena i kao lokalna,
mora biti najbrža, jer je posve
ć
ena komunikaciji procesora sa memorijom i grafi
č
kim video
kontrolerom. Sistemska magistrala povezuje procesor sa brzim periferijama, vitalnim za rad i
performanse ukupnog ra
č
unarskog sistema, naj
č
eš
ć
e sa spoljnim memorijama i brzim mrežnim
kontrolerima. Najsporija je U/I magistrala, namenjena sprezanju sa sporijim perifernim
jedinicama, raznovrsnim po tipu i funkciji.
U svetu postoji velik broj standarda za ra
č
unarske magistrale,
č
iji se izvori mogu svrstati u
tri grupe. U prvu grupu izvora spadaju tehni
č
ka rešenja odre
đ
enog proizvo
đ
a
č
a, koja se zbog
velike rasprostranjenosti i popularnosti usvajaju kao koriš
ć
en (
de facto
) standard. Najizrazitiji
primer ovakvog uvo
đ
enja standarda je svakako ISA magistrala IBM PC ra
č
unara, u svim svojim
varijantama (XT, AT). Drugi zna
č
ajan izvor standarda su tehni
č
ka rešenja pojedinih proizvo
đ
a
č
a
koja su prilago
đ
ena i od strane nacionalnih i me
đ
unarodnih organizacija za standarde predložena
kao zvani
č
an standard (npr. VME, Multibus II, itd.). Kona
č
no, tre
ć
i izvor standarda se javlja
kada grupe nezavisnih proizvo
đ
a
č
a opreme, motivisane posebnim interesima i nezavisno od
organizacija za standarde razvijaju i definišu standarde za svoje potrebe i stavljaju ih na
raspolaganje širem krugu korisnika (npr. PCI ili STD standard). Za proces standardizacije je
karakteristi
č
no da definisani standardi
č
esto nisu rezultat isklju
č
ivo radne snage tehni
č
kih
argumenata, nego su bitno uslovljeni i komercijalnim interesima velikih proizvo
đ
a
č
a, tehni
č
kim
zahtevima grupa i korisnika od posebnog interesa.
S obzirom da su magistrale namenjene funkciji prenosa informacija u okviru ra
č
unarskog
sistema, njihova osnovna obeležja su slede
ć
a:
•
Širina magistrale
, iskazana u bitima, ukazuje na broj linija preko kojih se informacije
istovremeno prenose na magistrali. Širina adresne magistrale direktno odre
đ
uje
memorijski opseg koji je mogu
ć
e koristiti. Pri navo
đ
enju ovog parametra obi
č
no se misli
na širinu magistrale podataka, kao osnovnog za efikasnost konkretne magistrale.
•
Brzina magistrale
odre
đ
enja je u
č
estanoš
ć
u radnog takta, jer se obi
č
no u jednom taktu
preko jedne linije prenese jedan bit informacije. Ipak, postoje rešenja koja u istu svrhu
troše dva takta (ISA), ili naprotiv udvostru
č
avaju propusnost magistrale šalju
ć
i dva bita u
jednom taktu (AGP).
•
Propusnost magistrale
, ili njen prenosni opseg, odnosi se na opseg podataka koji se
teoretski može preneti preko magistrale u datom vremenu. Ovaj parametar se izvodi na
osnovu predhodno navedenih i daje zbirnu ocenu efikasnosti jedne magistrale.
Da bi se omogu
ć
io rast i nadgra
đ
ivanje sistema, i proizvo
đ
a
č
i i korisnici
č
esto pribegavaju
sprezanju magistrala niskog i visokog nivoa, tako da se podsistem konfigurisan oko magistrala
nižih nivoa tretira kao U/I jedinica sistema visokih performansi. Ovakav pristup ne samo da
omogu
ć
ava bezbolan prelaz na savršenije arhitekture uz o
č
uvanje najve
ć
eg dela po
č
etne
investicije, nego
č
esto predstavlja i preporu
č
ljivu strategiju razvoja novih sistema. U principu,
ova povezivanja realizuju se ili konvertorima brzina i protokola na magistrali, ili posredstvom
memorije sa dva pristupa.
5.2. Organizacija magistrale
Efikasno sprezanje centralnog procesora sa periferijama zahteva optimalno izvršenje U/I
aktivnosti, uz spre
č
avanje zagušenja na prenosnom putu. Šarolikost U/I ure
đ
aja u pogledu brzine
i režima prenosa podataka postavlja brojne probleme,
č
ije se rešenje naj
č
eš
ć
e traži u izdvajanju
pojedinih segmenata sprežne arhitekture i njihovoj specijalizaciji za deo zahtevanih funkcija. Ovi
segmenti predstavljaju autonomne celine, i kao takve se mogu izdvojeno i razmatrati.
4
transakcije, i signalima odziva prate
ć
e jedinice o uspešnosti prenosa. Skup pravila po kojima se
regulišu transakcije na magistrali, naziva se protokol magistrale.
Slika 5.3 Transakcija na magistrali
Pored pojedina
č
nog adresiranja, u sistemu izgra
đ
enom oko magistrale može biti podržano i
difuzno adresiranje, kojim se istovremeno adresira grupa modula. Pojedini sistemi omogu
ć
uju i
neke poboljšane tehnike adresiranja kao što su npr. poziciono (jednozna
č
no adresiranje
identi
č
nih modula koji se nalaze na razli
č
itim pozicijama u sistemu), odnosno logi
č
ko
(adresiranje globalnih memorijskih lokacija bez obzira na njihvou trenutnu fizi
č
ku poziciju u
sistemu).
Arbitriranjem se odre
đ
uje kojem modulu
ć
e se dodeliti magistrala u slu
č
aju da više modula istovremeno
ispostavi zahtev za dodelom magistrale. Arbitriranje može biti centralizovano ili decentralizovano. U
slu
č
aju centralizovanog, arbitriranje je povereno posebnoj komponenti koja prima i obra
đ
uje sve zahteve,
i vrši dodelu magistrale (
Slika 5.4). Rešenja koja se pri tome koriste, sli
č
na su onima razvijenim za potrebe sistema
prekida. Kod decentralizovanog arbitriranja, svi moduli lokalnim kolima prate zahteve svojih
konkurenata i preuzimaju kontrolu nad magistralom u slu
č
aju kada im je to dopušteno važe
ć
im
pravilima arbitriranja i dodeljenim prioritetom. Jedno od rešenja ove klase je i arbitracija sa
kolizijom, sli
č
no protokolu pristupa kod klasi
č
nog Ethernet-a.
Vode
ć
i
Prate
ć
i
Zahtev
Prenos podataka
Bus
Arbiter
M odul1
M odul
n
M odul2
Grant
Grant
Grant
Release
Request
Arbiter sa serijskom vezom m odula
Bus
Arbiter
M odul1
M odul n
M odul 2
G rant
Req
Arbiter sa paralelnom vezom modula
5
Slika 5.4 Centralizovano arbitriranje na magistrali
Prenos signala na magistralama može se odvijati asinhrono i sinhrono.
Asinhrone magistrale ne prenose takt i mogu prihvatiti ure
đ
aje najšireg opsega brzina
(naj
č
eš
ć
e klasi
č
ne periferijske U/I ure
đ
aje). Uspešan prenos podataka izme
đ
u asinhronih ure
đ
aja
(onih
č
iji taktovi nisu me
đ
usobno sinhronizovani), zahteva odgovaraju
ć
i fizi
č
ki protokol. Njegov
osnovni cilj je ozna
č
avanje trenutka pogodnog za transfer podataka, kao i perioda u kom je
generisana adresa ispravna (validna). Dve su osnovne tehnike za to: biranje (
strobing
) i
rukovanje (
hadshaking
).
Slika 5.5 Tehnika biranja (
strobing
)
Na prethodnoj slici je prikazana tehnika biranja, u varijantama kada prenos inicira odredišni
ili polazni ure
đ
aj. U prvom slu
č
aju, signal
strobe
prethodi slanju podataka od strane izvora. U
drugom slu
č
aju, izvor istim signalom ozna
č
ava validnost podataka na magistrali. Prednost ovog
metoda je jednostavnost, a osnovni nedostatak odsustvo odziva, odnosno bilo kakve indikacije o
uspehu prenosa. Dodatno, ukoliko je na magistralu vezano više ure
đ
aja, trajanje
strobe
-a mora
biti podešeno na nivo koji odgovara najsporijem ure
đ
aju.
Upravo je to razlog uvo
đ
enja tehnike rukovanja, koja koristi dva kontrolna signala:
ƒ
Zahtev
(
request
) kojim inicijator zahteva prenos podataka, i
ƒ
Odgovor
(
reply
) kojim prozvani ure
đ
aj ozna
č
ava svoju reakciju (vršenje transfera).
Zahvaljuju
ć
i ovim signalima, u toku transakcije se razlikuju
č
etiri stanja.
Slika 5.6 Redosled signala rukovanja pri prenosu koji inicira odredišni ure
đ
aj
Slika 5.6 prikazuje redosled akcija pri prenosu koji inicira odredišni ure
đ
aj:
1.
Odredište postavi
Zahtev
;
2.
Izvor pošalje podatke na magistralu;
3.
Posle kratkog
č
ekanja da se signali smire, izvor signalom
Odgovor
ozna
č
ava
prisustvo podataka;
Odrediste
Izvor
Strobe
DBUS
DBUS
Strobe
a) Prenos koji inicira odredisni uredjaj
Odrediste
Izvor
Strobe
DBUS
DBUS
Strobe
a) Prenos koji inicira izvor
Odrediste
Izvor
Zahtev
DBUS
DBUS
Zahtev
a) Prenos koji inicira odredisni uredjaj
Odgovor
Odgovor
7
Kod magistrala sa više potencijalnih vode
ć
ih modula, koristi se tehnika deljenja transakcije
(
split transactions
). Na taj na
č
in se izbegavaju
č
ekanja i maksimizira iskoriš
ć
enost propusnog
opsega magistrale. Osnovna ideja je u tome da se doga
đ
aji na magistrali podele na dva segmenta:
upit i odgovor. U vremenu izme
đ
u upita i odgovora, magistrala je raspoloživa za pokretanje nove
transakcije. Ovakvo rešenje se
č
esto naziva proto
č
nom magistralom, ili magistralom sa
distribucijom paketa.
Slika 5.9 Prenos podataka preko proto
č
ne magistrale
Pored pojedina
č
nog adresiranja, u sistemu izgra
đ
enom oko magistrale može biti podržano i
difuzno adresiranje (broadcast), kojim se istovremeno adresira grupa modula. Pojedini sistemi
omogu
ć
uju i neke poboljšane tehnike adresiranja kao što su npr. poziciono (jednozna
č
no
adresiranje identi
č
nih modula koji se nalaze na razli
č
itim pozicijama u sistemu), odnosno
logi
č
ko (adresiranje globalnih memorijskih lokacija bez obzira na njihvu trenutnu fizi
č
ku
poziciju u sistemu).
Od posebnog zna
č
aja za rad sistema je i mehanizam prekida kojim se podržava opsluživanje
vanrednih zahteva modula za koriš
ć
enjem magistrale. Za razli
č
ite realizacije magistrala, ovi
mehanizmi mogu biti veoma razli
č
iti po složenosti i performansi.
CLK
data
addr
wait
Active
w_l
Addr 1
RDATA1
WR DATA3
XXX
ADDR 2
RDATA2
ADDR 3
