Calcolatori elettronici/I bus

Il bus è la struttura di interconnessione condivisa tra la CPU e il resto del sistema (memoria, periferiche). È composto da:

• bus di indirizzi: segnali di indirizzo
• bus dati: segnali di dato
• bus controllo: segnali di controllo

Solo un dispositivo per volta può scrivere sul bus; possono essere più di uno i dispositivi che leggono dal bus. Quando un dispositivo diventa il bus master (o master del bus), prende il controllo del bus e decide a ogni ciclo il tipo di operazione da effettuare (ad es. ciclo di lettura dalla memoria, ciclo di scrittura su un periferico, ciclo di Interrupt Acknowledge).

Implementazione

• bus interno a un circuito integrato (ad es. il processore);
• pista a bordo di una scheda su cui sono montati più circuiti integrati;
• bus di backplane: può collegare più schede.

In un bus multiplexato le stesse linee portano a seconda dei momenti segnali di dato o di indirizzo → si risparmiano linee di bus, ma è necessaria una circuiteria per la connessione alla memoria e la velocità è minore rispetto ai bus non multiplexati.

Nelle architetture a bus multiplo, più bus sono organizzati gerarchicamente in base alla velocità e sono connessi tra loro attraverso dei processori di IO oppure dei bridge, che si occupano al momento opportuno di leggere il segnale dal bus di livello superiore e di restituirlo al bus di livello inferiore.

Da/su un bus condiviso possono leggere/scrivere più moduli. I bus dedicati sono impropriamente strutture di comunicazione tra due moduli. Il bus condiviso è più economico, ma ha prestazioni meno elevate rispetto al bus dedicato, perché non può supportare più di una comunicazione in contemporanea.

Sincronizzazione

Bus sincroni

Tutti i dispositivi collegati a un bus sincrono condividono un unico segnale di clock, e la frequenza di clock è imposta dal dispositivo più lento. È preferibile che non ci siano dei dispositivi troppo lenti o troppo lontani tra di loro o dalla sorgente di clock a causa dei ritardi fisici del segnale.

Ogni volta che un dispositivo slave non riesce a completare un'operazione sul bus entro il tempo prestabilito, il bus master deve aggiungere dei colpi di clock, chiamati cicli di wait, fino a quando il dispositivo non completa l'operazione e non attiva il segnale di ready. I cicli di wait devono essere però richiesti il meno possibile, ad esempio da dispositivi acceduti raramente o da memorie impegnate nel refreshing.

Bus asincroni

La soluzione a bus asincrono non prevede un segnale di clock comune, ma ogni ciclo di bus è delimitato dai segnali di controllo strobe e acknowledge:

• strobe: il dispositivo sorgente comunica che il segnale è stato scritto sul bus;
• acknowledge: il dispositivo di destinazione comunica che ha terminato la lettura del segnale dal bus.

La durata del trasferimento dipende solo dalle velocità dei due dispositivi coinvolti. La soluzione sincrona è più complessa e costosa rispetto a quella asincrona perché sono necessari dei segnali di controllo e una logica che li piloti.

Arbitraggio

Quando una risorsa è condivisa, serve un meccanismo di arbitraggio per gestire le situazioni di contesa:

• arbitraggio del bus: la CPU e il DMA Controller vogliono diventare bus master nello stesso momento, ma ad ogni istante un solo dispositivo può funzionare da master del bus;
• più processori voglio fare accesso in contemporanea a un disco fisso;
• più dispositivi vogliono effettuare una richiesta di interruzione al processore: Interrupt

Arbitraggio distribuito

L'arbitraggio distribuito non prevede alcun arbitro. Nel caso del bus SCSI, ad esempio, ogni dispositivo che vuole essere promosso a bus master deve prima accertarsi che non esista un altro dispositivo a priorità più alta (cioè su una linea DB(i) con numero i maggiore) che a sua volta intende diventare il bus master.

Arbitraggio centralizzato

L'arbitraggio centralizzato prevede un arbitro che decide chi promuovere a bus master per il prossimo ciclo di bus. Tutti i dispositivi sono collegati al segnale Bus Busy che indica se il bus è attualmente libero o occupato da un bus master.

Richieste indipendenti

Con il meccanismo delle richieste indipendenti ogni dispositivo è collegato all'arbitro tramite una coppia di segnali di controllo:

• Bus Request: il dispositivo richiede di essere promosso a bus master;
• Bus Grant (o Acknowledge): l'arbitro concede al dispositivo la promozione a bus master.

È una soluzione costosa perché servono molti segnali di controllo e un arbitro che implementi una strategia intelligente.

Daisy Chaining

Nel Daisy Chaining i vari segnali Bus Request delle unità sono collegati in wired-or. Quando arriva una richiesta il Bus Grant, segnale unico, inizia a scorrere nella catena delle unità alla ricerca di quella che ha fatto la richiesta:

• se l'unità corrente è quella che ha fatto la richiesta, essa attiva il Bus Busy e prende il controllo del bus;
• se l'unità corrente invece non ha fatto richiesta, passa il Bus Grant all'unità successiva.

È una soluzione semplice ed economica perché il numero dei segnali è indipendente dal numero di unità, ma presenta delle caratteristiche svantaggiose:

• poco flessibile: le priorità sono fisse, e l'ultimo dispositivo nella catena ha la priorità minima;
• lenta: il Bus Grant impiega un certo tempo a scorrere la catena;
• poco affidabile: se un'unità precedente nella catena smette di funzionare, la catena si interrompe.

Polling

Esempio di arbitraggio centralizzato con polling.

La soluzione con polling differisce dal Daisy Chaining per il meccanismo del Bus Grant. Quando il bus si libera e almeno un'unità ha fatto la richiesta (tramite connessione wired-or), l'arbitro scandisce la catena interrogando i dispositivi uno alla volta, e si ferma al primo che risponde e attiva il Bus Busy. A ogni unità è associato un codice identificativo binario, che durante la scansione della catena viene fornito dall'arbitro su un'altra linea a cui sono collegate tutte le unità.

Vantaggi

• maggiore flessibilità all'interno dell'arbitro: cambiando l'ordine con cui l'arbitro scandisce i dispositivi è possibile implementare qualsiasi meccanismo di gestione delle priorità;
• maggiore tolleranza ai guasti: se un'unità si guasta le altre continuano a funzionare.