Коммутаторы вычислительных систем

Все коммутационные среды состоят из адаптеров ВМ и коммутаторов, устанавливающих соединения между ними. В практических разработках используются разнообразные схемы построения коммутаторов, как правило, комбинирующие несколько базовых типов коммутаторов.

Коммутаторы бывают простые и составные, компонуемые из простых. Простые коммутаторы имеют малую задержку при установлении полнодоступных соединений, но, могут быть построены только для систем с малым числом вычислителей. Для построения коммутаторов с большим числом входов и выходов разработана теория составных коммутаторов, строящихся из простых путем объединения их в многокаскадные схемы линиями "точка-точка". Способы такого объединения разнообразны и зависят от требований, предъявляемых к коммутатору как к элементу вычислительной системы.

В современных промышленных системах для построения коммутаторов используются БИС. Основная проблема при этом заключается в обеспечении требуемой пропускной способности коммутатора при ограничении на число параллельно передаваемых разрядов данных, обусловленном малым количеством выводов БИС, и стремлении к сокращению количества разъемных соединений. Для передачи данных с высокой скоростью используются низковольтные дифференциальные электрические сигналы или оптические линии связи. Для построения оптических коммутаторов применяются те же способы, что и при создании составных электронных коммутаторов. Однако пока оптические коммутаторы только начинают рассматриваться в проектах вычислительных систем.

2.1. Простые коммутаторы

Простые коммутаторы бывают с временным и пространственным разделением. Достоинствами простых коммутаторов служат: простота управления и высокое быстродействие.

2.1.1. Простые коммутаторы с временным разделением

(шины или шинные структуры). Особенность заключается в использовании общей информационной магистрали для передачи данных между устройствами,

подключенными к шине, как показано на следующем рисунке.

Как правило, шины состоят только из пассивных элементов, и все управление передачами выполняется передающим и принимающим устройствами. Так как между разными устройствами возникает состязание за пользование общим ресурсом, то необходимо управление предоставлением шины передающему устройству.

Для разрешения конфликтов при одновременном запросе на передачу от нескольких устройств используются алгоритмы арбитража - следующие приемы: назначение каждому устройству уникального приоритета, постановка запросов в очередь с дисциплиной обслуживания FIFO — "первый пришел, первый вышел", соединение устройств в цепь или в кольцо с фиксацией тем самым их взаимной

приоритетности. Использование централизованного устройства управления упрощает арбитраж, но порождает проблемы с надежностью и гибкостью при изменении состава устройств.

Устройство, желающее передать данные, должно сначала получить доступ к шине, затем установить связь с адресатом и определить его способность к взаимодействию. После этого передающее устройство извещает принимающее о действиях, которые должно совершить принимающее устройство в ходе взаимодействия. Принимающее устройство распознает свой адрес на шине и отвечает на управляющие сигналы от передающего. Только после этого происходит передача данных.

2.1.1.1. Алгоритмы арбитража

Статические приоритеты

Каждому устройству приписывается уникальный приоритет. Когда несколько устройств одновременно запрашивают шину для передачи, то шина предоставляется устройству с наивысшим приоритетом из числа запросивших. В практической реализации часто используется соединение устройств в цепь, которое фиксирует приоритет каждого устройства местом его подключения к шине, как показано на следующем рисунке.

Устройство, расположенное ближе к централизованному блоку управления шиной, имеет больший приоритет.

Запросы выдаются на общую для всех устройств линию запросов шины BRQ. По принятии сигнала с этой линии централизованный блок управления выдает сигнал на линию BGT предоставления шины, если при этом отсутствует сигнал на линии SACK занятости шины. Первое из запросивших шину устройств, которое получит сигнал по линии BGT, прекращает распространение этого сигнала дальше и информирует блок управления шины выдачей сигнала на линию SACK занятости шины.

Конец лекции X

jyoii / Фиксированные временные интервалы

у Этот алгоритм предоставляет каждому устройству одинаковый временной интервал по циклической дисциплине. Если устройство получило временной интервал и не имеет данных для передачи, т. е. не использует временной интервал, то этот интервал не предоставляется другому устройству. Алгоритм используется в синхронных шинах, в которых применяется один тактовый генератор для всех устройств.

Вследствие предоставления одинаковых условий всем устройствам, шины с этим алгоритмом относятся к классу симметричных шин.

Динамические приоритеты

Устройствам приписываются уникальные приоритеты, но приоритеты динамически изменяются, предоставляя каждому устройству возможность доступа к шине. Применяются в основном два механизма изменения приоритетов: наивысший приоритет предоставляется устройству, наиболее долго не использовавшему шину -LRU, и циклической сменой приоритетов RDC. Первый механизм переприсваивает

приоритет каждого устройства после очередного цикла работы шины.

При RDC механизме реализуется распределенный блок управления шиной. Линия BGT предоставления шины циклически соединяет все устройства шины, как показано на рисунке, представленном ниже.

Устройство, получившее доступ к шине, выступает как контроллер шины при следующем цикле арбитража. Приоритет каждого устройства определяется его расстоянием до устройства, выполняющего в текущий момент роль контроллера и имеющего при этом минимальный приоритет.

FIFO алгоритм

Этот механизм создает симметричные шины. Он обеспечивает максимальную пропускную способность шины. Однако этот механизм труден в реализации. Во-первых, 1. необходимо организовать очередь достаточной длины и, во-вторых, 2. правильно реализовать арбитраж между почти одновременными запросами.

Голосование

При этом механизме линия BGT предоставления шины представляется совокупностью flog? ml линий голосования, где m — число устройств шины, а Гх1 — ближайшее целое число, большее или равное х. Соответствующая организация шины показана на следующем рисунке.

При запросе шины контроллер начинает выдавать на линии голосования адреса устройств. При обнаружении устройством своего адреса оно выставляет сигнал на линию занятости. Голосование прекращается с тем, чтобы возобновиться после

освобождения шины. Приоритет устройств задается порядком выдачи адресов при

голосовании.

Независимые запросы

Каждое устройство имеет индивидуальные линии запроса и предоставления

шины, как показано далее на рисунке. Примером такой шины может служить PCI.

2.1.1.2. Особенности реализации шин

Шины используются внутри микросхем для объединения функциональных устройств микропроцессоров, микросхем памяти, микроконтроллеров. Кроме этого, шины широко применяются для объединения устройств на печатных платах и печатных плат в блоках. В последнем случае шинные структуры, как правило, реализуются посредством печатной платы с набором разъёмов, каждый из которых используется для подключения к шине одного устройства. В связи с тем, что существует широкий набор устройств разных производителей, необходимо стандартизовать используемые шины.

В настоящее время широко применяются следующие стандарты:

ISA - Industrial Standard Architecture;

EISA - Extended ISA;

VESA - Video Electronics Standards Association;

PCI - Peripheral Computer Interconnect;

УМЕ - Versabus Module Europe bus.

Кроме использования шин на задних панелях, они применяются в мезонинной технологии, когда на большой плате ставится один или несколько шинных разъёмов для установки на плате меньших плат, так называемых мезонинов.

Использование мезонинов позволяет:

• расширить объём оборудования, не размещающийся на большой плате;

• ускорить ремонт и замену отказавших элементов, упростить формирование ЗИП;

• упростить модификацию платы, например, при смене типа процессора или памяти.

2.1.1.3. Недостатки шинных структур

Хотя шина может быть достаточно надежной и требовать небольшого объема оборудования, она является критическим ресурсом, который может вызвать отказ всей системы.

Шинным структурам присущ ряд фундаментальных ограничений. Во-первых, как бы ни была высока скорость передачи по шине, требуется время на выполнение арбитража и возрастает сложность схемы арбитра. 2. Время арбитража увеличивается при увеличении числа подключенных к шине устройств. 3. При частых предоставлениях шины для использования разными устройствами время арбитража существенно ограничивает пропускную способность. Во-вторых, в каждый момент времени шина используется для передачи только одним устройством, что становится узким местом в системах с многими устройствами. В третьих, пропускная способность шины ограничивается шириной (числом проводников, используемых для передачи данных) и тактовой частотой работы шины. Физические ограничения, связанные с отражением сигналов и изменением нагрузки при изменении числа устройств, приводят к серьёзным проблемам.

В целом, на пропускную способность шины оказывают влияние число активных (способных передавать данные) устройств, алгоритм арбитража, централизованное или распределенное управление, ширина шины, механизм обработки сбоев и отказов, способ синхронизации передачи данных по шине и возникающие задержки из-за необходимости реализации механизма "запрос-ответ" или из-за обеспечения надежного стробирования тактовым сигналом передающего и принимающего устройств.