Arbitraggio del Bus - Arbitraggio distribuito parallelo

Arbitraggio distribuito parallelo.

      Un’ultima modalità di arbitraggio del bus che sarà analizzata è quella decentralizzata in cui i dispositivi sono disposti in uno schema parallelo.
      Questa tecnica è usata da molti bus di uso industriale come il Multibus II o il Futurebus ma è stata utilizzata anche su PC che utilizzano il NuBus di Apple o il Microchannel di IBM, ed è anche utilizzata sul bus SCSI. Uno dei vantaggi è quello che permette di usare un numero maggiore di master senza particolari complicazioni e non ha i limiti di velocità presenti in una struttura daisy chain.
      L’assenza dell’arbitro presuppone che i singoli master decidano autonomamente, in base al grado di priorità loro assegnato, chi ha il diritto di accedere al bus. Ciò ovviamente comporta una maggiore complessità nella logica di controllo presente su ogni periferica.
      L’arbitraggio è basato su un meccanismo di autoselezione codificata: ogni potenziale master immette il proprio codice sul bus, il livello logico di ogni master candidato legge il valore sul bus e modifica il valore che sta immettendo secondo un protocollo distribuito. Alla fine il dispositivo a più alta priorità trova che il suo codice è uguale alla configurazione assunta dal bus, e quindi può iniziare a pilotare il bus.
      Per comprendere come avviene la fase di arbitraggio ci riferiremo al bus Nubus¹⁰ , ma i concetti esposti valgono anche per altri tipi di bus.
      Nel Nubus ogni master possiede un ID unico fissato, assegnato tramite un indirizzamento geografico, cioè in base allo slot che la periferiche occupa, che rappresenta anche un livello di priorità fissato che però, può variare a discrezione del sistemista. Il codice è a quattro bit: 0000 indica la priorità più alta, mentre 1111 quella più bassa.
      La figura 9 rappresenta un esempio di logica di arbitraggio che possiede ogni dispositivo. I segnali con il simbolo / indicano che sono asseriti quando il loro valore è basso. Le linee ARBx/ sono linee del bus comuni a tutti i master mentre su IDx/ è presente il codice univoco binario di ogni scheda. Il segnale “arb” indica se la periferica è in competizione per il bus e il segnale “grant” indica se il valore che si trova su ARBx/ coincide con quello presente sulle linee IDx/ del dispositivo.

Figura 9 Esempio di logica di arbitraggio distribuito del NuBus. Le linee IDx rappresentano la posizione dello slot e quindi il livello di priorità. Le linee ARBx rappresentano quattro linee di arbitraggio del bus comuni a tutti i dispositivi. Il segnale arb/ è asserito se il dispositivo sta concorrendo per il bus. Il segnale grant è asserito se il master ha ottenuto il bus.

      I valori che la logica di arbitraggio andrà a scrivere sul bus possono essere ottenuti dalle seguenti espressioni logiche:

      ARB3 = ID3 * arb

      ARB2 = ID2 * arb * (ID3 + ARB3/)

      ARB1 = ID1 * arb * (ID3 + ARB3/) * (ID2 +ARB2/)

      ARB0 = ID0 * arb * (ID3 + ARB3/) * (ID2 + ARB2/) * (ID1 + ARB1/)

      dove il simbolo * rappresenta AND e il simbolo + rappresenta OR.

      Le quattro linee di arbitraggio ARBx del bus sono pilotate da ogni dispositivo mediate un uscita a collettore aperto. Possono essere, quindi, pilotate da più dispositivi simultaneamente senza creare conflitti. Poiché il nubus è a logica negativa, quando più dispositivi andranno a scrivere il loro livello su una delle linee di arbitraggio, il valore più basso sarà quello vincente. D’altra parte questo era già chiaro quando si è detto che il livello di priorità 0000 è più alto di 1111. Quindi tutti i master che competono per il controllo del bus partecipano alla fase di arbitraggio e osservano i valori sul bus. Se trovano valori a priorità più alta si mettono in uno stato di off uscendo dalla competizione corrente.
      Quando un dispositivo richiede l’accesso al bus, asserisce la linea di richiesta (RQST/) e la manterrà tale finché il bus non sarà libero e finché non ne avrà ottenuto il controllo. Tutti i potenziali master che hanno asserito la linea di richiesta pongono il loro codice ID sul bus. Dopodiché trascorso un periodo di arbitration daley di circa due cicli di clock il valore sulle linee del bus ARBx/ sarà il codice ID del dispositivo a più alta priorità.

      Facciamo adesso un esempio pratico in modo da chiarire questi concetti.
      Supponiamo che tre master concorrano per effettuare la propria transazione sul bus. I tre master, identificati dal loro ID, sono 0010 (2), 0100 (4) e 0101 (5), i quali mettono simultaneamente sul bus i loro codici, rispettivamente 1101, 1011, 1010. Le linee di arbitraggio assumeranno i valori wired-OR risultanti e pertanto la logica di ogni dispositivo leggerà il valore 1000 sul bus. A questo punto il master (2) che pone il valore 1101 vede che ARB2 sul bus è a priorità più alta quindi esce dalla competizione. L’uscita del dispositivo (2) fa sì che il bus assuma il valore 1010 che è appunto l’OR dei due soli concorrenti rimasti (4) e (5). Il dispositivo (4) leggendo il valore di ARB0 si accorge che è a priorità più alta del suo e di conseguenza rinuncia, lasciando sul bus il valore 1010 che è proprio quello del master (5) che otterrà il controllo del bus.
      Alla fine della fase di arbitraggio il dispositivo che ottiene il bus avrà il segnale di grant asserito.
      A questo punto resta un solo punto da chiarire, ovvero come il Nubus garantisca il fairness. Si è detto che quando un dispositivo vuole accedere al bus asserisce la propria linea di richiesta e la mantiene tale finché non lo ha ottenuto. Questo comporta che fino a quando il dispositivo non ha accesso al bus nessun altro master può farne richiesta. Torniamo all’esempio sopra dei tre master. Una volta che il dispositivo (5) ha finito la sua transazione, i master (2) e (4), che hanno mantenuto la loro richiesta, possono cominciare la fase di arbitraggio per stabilire chi di loro sarà il prossimo utilizzatore del bus. Durante questo ciclo nessun altro può fare richieste e accedere alla competizione per il bus. Quindi se, per esempio, il master (5) necessita ancora del bus dovrà attendere che sia il dispositivo (4) che il (2) abbiano effettuato le loro transazioni.
      In alcuni casi particolari quando un dispositivo ha necessità di eseguire più transazioni, può servirsi del bus locking¹¹ . Quando un master vince il bus può continuare a farlo semplicemente non disasserendo il segnale di richiesta e mantendo il suo ID sulle linee ARBx. Un saggio uso di questo meccanismo rientra nell’ampio concetto di fairness.
      Un’ultima caratteristica del NuBus, già incontrata per altri bus, e quella del bus parking. Un bus master che ha disasserito la sua linea di richiesta e che ha appena eseguito una transazione, si “parcheggia” sul bus in modo da potersene servire altre volte fino a quando un altro dispositivo richiede il bus. L’implementazione di questa tecnica riduce il tempo medio di acquisizione del bus in un sistema in cui i dispositivi sono pochi.