Tema 4. Caracter sticas y protocolos de los buses

1. 1 Tema 4. Caracter�sticas y protocolos de los buses

2. 2 1. introducci�n Funci�n: permitir la correcta comunicaci�n entre los dispositivos interconectados

3. 3 1. introducci�n Elementos implicados en una transferencia: Bus master: Inicia y dirige las transferencias (CPU, DMA, ...) Bus slave: Obedece y accede a las peticiones del master (memoria, interfaz E/S, ...) Tipos b�sicos de transferencia: Escritura: Lectura: Ciclo de bus: cualquier transferencia completa Operaciones b�sicas: 1. Direccionamiento del slave 2. Especificaci�n del tipo de operaci�n (lectura o escritura) 3. Transferencia del dato 4. Finalizaci�n del ciclo de bus Control de la transferencia: Sincronizaci�n: determinar el inicio y el final de cada transferencia Arbitraje: controlar del acceso al bus en caso de varios masters

4. 4 1. introducci�n Capacidad de conexi�n: n�mero m�ximo de dispositivos conectables Longitud de bus: m�xima distancia que puede separar a dos dispositivos conectados Ancho de bus: n�mero total de l�neas ejemplos: i8086: 40; MC68000: 64; Multibus II: 96; VME: 128 Ancho de datos: n�mero total de l�neas para datos Ancho de banda: caudal m�ximo de informaci�n que puede transmitirse ejemplos: VME: 40 Mb/s; PCI: 132 Mb/s; POWERpath-2: 1�2 Gb/s; AlphaServer 8000: 2�1 Gb/s Protocolo de transferencia o de sincronizaci�n: m�todo utilizado para sincronizar master y slave Protocolo de arbitraje: m�todo utilizado para la resoluci�n de conflictos de acceso por varios masters

5. 5 2. clasificaci�n de las l�neas del bus L�neas de datos (bus de datos): transmiten datos L�neas de direcciones (bus de direcciones): designan la fuente o el destino de un dato L�neas de control: gobiernan el acceso y el uso de las l�neas de datos y direcciones L�neas de operaci�n: determinan el tipo de operaci�n que debe realizar el slave L�neas de sincronizaci�n: determinan el comienzo y final de cada transferencia L�neas de arbitraje: determinan cual de los elementos conectados puede usar el bus

6. 6 2. clasificaci�n de las l�neas del bus L�neas unidireccionales con un transmisor y m�ltiples receptores En cada instante, s�lo un dispositivo puede escribir sobre la l�nea Ejemplo: l�neas de direcci�n Tipo de driver: TRI-STATE (tres estados de salida: high, low, off) L�neas unidireccionales con m�ltiples transmisores y un receptor M�ltiples dispositivos pueden escribir sobre la l�nea de forma simult�nea Se�al resultante: O-l�gica (cableada) de las distintas fuentes Ejemplo: l�neas de petici�n de interrupci�n Tipo de driver: OPEN-COLLECTOR (dos estados de salida: activo e inactivo) L�neas bidireccionales Un mismo dispositivo puede transmitir o recibir a trav�s de las l�neas Ejemplo: l�neas de datos Tipo de driver: TRANSCEIVER (tiene capacidad para transmitir o recibir)

7. 7 3. protocolos de transferencia Funci�n: Sincronizar los elementos implicados en una transferencia (master y slave) Determinar el comienzo y el final de cada transferencia Tipos de transferencia: Lectura Escritura Lectura de bloque Escritura de bloque Lectura-modificaci�n-escritura Lectura despu�s de escritura Tipos de protocolos de transferencia: S�ncrono As�ncrono Semis�ncrono Ciclo partido

8. 8 3. protocolos de transferencia

9. 9 3. protocolos de transferencia Las transferencias est�n gobernadas por una �nica se�al de reloj compartida por todos los dispositivos Cada transferencia se realiza en un n�mero fijo de periodos de reloj (1 en el ejemplo) Los flancos del reloj (de bajada en el ejemplo) determinan el comienzo de un nuevo ciclo de bus y el final del ciclo anterior

10. 10 3. protocolos de transferencia Temporizaci�n: Tiempo de decodificaci�n (decode time): tiempo necesario para que slave decodifique la direcci�n Tiempo de estabilizaci�n (setup time): tiempo antes del flanco de reloj que deben permanecer estables las se�ales para asegurar su correcto almacenamiento Tiempo de permanencia (hold time): tiempo despu�s del flanco de reloj que deben permanecer estables las se�ales para asegurar su correcto almacenamiento Tiempo de desplazamiento relativo de las se�ales (skew time): diferencia de tiempo entre la llegadas al receptor de dos se�ales que partieron del emisor simult�neamente

11. 11 No existe se�al de reloj Los dispositivos implicados en la transmisi�n fijan el comienzo y el final de la misma mediante el intercambio de se�ales de control (handshake) Se utilizan 2 se�ales de sincronizaci�n: Master SYNC (procedente del master) Slave SYNC (procedente del slave) Protocolo completamente interbloqueado: A cada flanco del master le sigue uno del slave Ciclo de escritura: 1: (M a S) Hay un dato en el bus 2: (S a M) He tomado el dato 3: (M a S) Veo que lo has tomado 4: (S a M) Veo que lo has visto (Bus libre) Ciclo de lectura: 1': (M a S) Quiero un dato 2': (S a M) El dato est� en el bus 3': (M a S) He tomado el dato 4': (S a M) Veo que lo has tomado (Bus libre) 3. protocolos de transferencia

12. 12 3. protocolos de transferencia Ventajas: Facilidad para conectar elementos de diferentes velocidades Fiabilidad: la recepci�n siempre se confirma. Desventajas: El intercambio de se�ales de control introduce retardos adicionales A igualdad de velocidades de los dispositivos, menos eficiente que el s�ncrono Ejemplos: Unibus (PDP-11), MC680XX(10,20,30), Bus VME, FutureBus+

13. 13 Las transferencias se rigen por una �nica se�al de reloj Cada transferencia puede ocupar uno o varios periodos de reloj Se�al de WAIT (puede activarla cualquier Slave sin no es capaz de realizar la transf. en 1 solo ciclo) Dispositivos r�pidos: operan como en un bus s�ncrono (una transferencia por ciclo) Dispositivos lentos: activan la se�al de WAIT y congelan actuaci�n del Master (una transferencia puede ocupar varios ciclos) Ejemplos: i80x86, MC68040, Multibus II, Bus PCI, DEC 7000/10000 AXP 3. protocolos de transferencia

14. 14 Mejora el rendimiento del bus en las operaciones de lectura El ciclo de lectura se divide en dos transacciones separadas El Master env�a al Slave la petici�n de lectura y deja el bus libre Cuando el Slave dispone del dato solicitado, inicia un ciclo de bus y env�a el dato al Master (Slave act�a como master del bus) Desventajas: L�gica m�s compleja: ambos dispositivos deben ser capaces de actuar como Master y como Slave Necesidad de incluir un protocolo de arbitraje Ejemplos: VAX-11/780, iAPX-432 3. protocolos de transferencia

15. 15 4. protocolos de arbitraje Funci�n: Garantizar el acceso al bus libre de conflictos cuando existen varios masters alternativos Procesador + Controladores DMA Procesador + Procesador de E/S + Coprocesador matem�tico + ... Sistema multiprocesador Tipos de protocolos de arbitraje Centralizados: existe un �rbitro del bus o master principal que controla el acceso al bus Protocolo en estrella Protocolo daisy-chain de dos hilos Protocolo de tres hilos Protocolo de cuatro hilos Distribuidos: el control de acceso al bus se lleva a cabo entre todos los posibles masters de una forma cooperante Protocolo de l�neas de identificaci�n Protocolo de c�digos de identificaci�n

16. 16 4. protocolos de arbitraje Cada master se conecta al �rbitro mediante dos l�neas individuales: BUS REQUEST (REQ): l�nea de petici�n del bus BUS GRANT (GNT): l�nea de concesi�n del bus

17. 17 4. protocolos de arbitraje

18. 18 4. protocolos de arbitraje

19. 19 4. protocolos de arbitraje L�neas de arbitraje: BUS REQUEST: l�nea de petici�n de bus BUS GRANT: l�nea de concesi�n del bus BUS BUSY: l�nea de bus ocupado

20. 20 4. protocolos de arbitraje

21. 21 4. protocolos de arbitraje Permite solapar la transferencia del ciclo actual con el arbitraje del ciclo siguiente L�neas de arbitraje: BUS REQUEST: l�nea de petici�n de bus BUS GRANT: l�nea de concesi�n del bus BUS BUSY: l�nea de bus ocupado BUS ACK: l�nea de confirmaci�n La activa el master que solicit� el bus en respuesta BUS GRANT, cuando el bus est� ocupado Cuando est� activada el �rbitro queda inhibido Ejemplo: Unibus (PDP-11), MC68000

22. 22 4. protocolos de arbitraje Funcionamiento: Cuando un master quiere tomar el control del bus activa su l�nea de identificaci�n Cada l�nea de identificaci�n tiene asignada una prioridad: Prioridad(ID0)<Prioridad(ID1)< ....< Prioridad(IDn-1) Si varios masters activan simult�neamente sus l�neas de identificaci�n, gana el de mayor prioridad Funcionamiento alternativo: las prioridades pueden ser variables Desventajas: N�mero de dispositivos limitado por el n�mero de l�neas de arbitraje Ejemplos: Prioridad fija: VAX SBI, SCSI Prioridad variable: DEC 70000/10000 AXP, AlphaServer 8000

23. 23 4. protocolos de arbitraje Funcionamiento: Cada master tiene un c�digo de identificaci�n de n bits (m�ximo 2n masters) Existen n l�neas de arbitraje: ARB0, ARB1, ..., ARBn-1 Cuando un master quiere tomar el control del bus pone su c�digo en las n l�neas de arbitraje Si varios masters compiten por el bus, gana el de mayor identificador Ejemplos: Multibus II, Futurebus+

24. 24 Bus datos (16 bits) l�neas D0-D15 Bus de direcciones (24 bits) l�neas A1-A23 (no existe l�nea A0) LDS* (Lower Data Strobe)Selecciona el byte menos significativo UDS* (Upper Data Strobe)Selecciona el byte m�s significativo Control de operaci�n: R/W* (Read/Write) 1 ? Lectura; 0 ? Escritura Protocolo de transferencia as�ncrono: AS* (Address Strobe): equivale a MASTER SYNC DTACK* (Data Transfer Acknowledge): equivale a SLAVE SYNC Protocolo de arbitraje de 4 hilos con MC68000 como arbitro: BR* (Bus Request): equivale a BUS REQUEST BG* (Bus Grant): equivale a BUS GRANTBGACK* (Bus Grant Acknowledge): equivale a BUS ACKLas se�ales AS* y DTACK*: hacen la funci�n de BUS BUSY (si est�n activadas indican que el bus est� ocupado) El MC68000 utiliza un reloj interno para marcar el inicio de todas las operaciones que realiza sobre el bus, este reloj NO es compartido por los slaves (el protocolo es as�ncrono) 5. ejemplos: MC68000

25. 25 5. ejemplos: MC68000

26. 26 NOTA: El MC68000 es a la vez master y �rbitro. Por defecto tiene control del bus y por ello AS* y DTACK* (que act�an como BUS BUSY) est�n habitualmente activadas. Cuando otro master alternativo desea utilizar el bus, el MC68000 solapa el arbitraje con la transferencia actual. Arbitraje: 1) el master alternativo activa BR* 2) el MC68000 activa BG* para indicar que el bus estar� libre al final del ciclo actual (cuando se desactiven AS* y DTACK*) 3) cuando el master alternativo controla el bus activa BGACK*, y el �rbitro responde desactivando BG* 4) el control del bus retorna al MC68000 cuando el master alternativo desactiva BACK* 5. ejemplos: MC68000

27. 27 Bus de datos (16 bits) multiplexado con parte baja de bus de direcciones l�neas AD0-AD15 Bus de direcciones (20 bits) l�neas AD0-AD15/A16-A19 Control de operaci�n: RD*: lectura WR*: escritura MEM/IO* 1 ? con memoria; 0 ? con E/S ALE (Address Latch Enable)Direcci�n v�lida Protocolo de transferencia semis�ncrono: CLK: reloj ciclo de bus = 4 ciclos de reloj m�nimo READY: equivale a WAITActivada al inicio de cada transferencia, la desactiva el slave si no puede completar la transferencia en el tiempo m�nimo (4 ciclos) Protocolo de arbitraje de 2 hilos: HOLD: equivale a REQUEST HLDA: equivale a GRANT 5. ejemplos: i8086

28. 28 5. ejemplos: i8086

29. 29 5. ejemplos: i8086