Αρτηρίες: συνδέοντας συσκευές I/O με τον   επεξεργαστή και τη μνήμη

Σε ένα υπολογιστικό σύστημα, τα διάφορα υποσυστήματα πρέπει να έχουν διασυνδέσεις από το ένα στο άλλο. Για παράδειγμα, η μνήμη και ο επεξεργαστής πρέπει να επικοινωνούν, όπως και ο επεξεργαστής και οι συσκευές I/O. Αυτό γίνεται συνήθως με μία αρτηρία (bus).
Μία αρτηρία χρησιμεύει ως ένας κοινός (shared) σύνδεσμος επικοινωνίας μεταξύ των διαφόρων υποσυστημάτων του υπολογιστικού συστήματος. Είναι αυτή που διασφαλίζει το μηχανισμό για τη ροή δεδομένων μέσα από τα κανάλια και είναι έτσι απαραίτητη για τη σωστή λειτουργία του Η/Υ.

Υπάρχουν διάφορα είδη αρτηριών, ενδεικτικά αναφέρουμε:

• Η αρτηρία I/O (I/O- ή expansion bus): συνήθως αναφερόμαστε σε αυτή με τον όρο «αρτηρία». Είναι η αρτηρία που καθορίζει ποιους ενσωματωμένους ήχους, video και κάρτες δικτύου μπορεί να χρησιμοποιήσει ένας Η/Υ.
• Η εσωτερική αρτηρία (internal bus): είναι η πιο γνωστή αρτηρία στους προσωπικούς Η/Υ (PC). Πρόκειται για μία αρτηρία που συνδέει όλες τις συνιστώσες του υπολογιστή στη CPU και την κύρια μνήμη.
• Η αρτηρία δικτύου (backbone): είναι ένα κεντρικό καλώδιο που συνδέει όλες τις συσκευές σε ένα τοπικό δίκτυο.

Στο παρακάτω σχήμα 5.3.1 εικονίζεται ένα τυπικό περιβάλλον υπολογιστικού συστήματος που περιλαμβάνει τον επεξεργαστή, τη μνήμη, τις συσκευές εισόδου/εξόδου καθώς και δύο αρτηρίες: την αρτηρία που συνδέει τον επεξεργαστή με τη μνήμη , και την αρτηρία που συνδέει τις συσκευές με τα υπόλοιπα μέρη του συστήματος μέσω της αρτηρίας επεξεργαστή-μνήμης.

Οι αρτηρίες, εκτός από να συνδέουν διάφορες συσκευές, μπορούν να συνδέονται και μεταξύ τους μέσω της γέφυρας αρτηριών. Πρόκειται για μία συσκευή που συναντάται σε συστήματα πολλαπλών αρτηριών, τόσο στους προσωπικούς υπολογιστές, όσο και στα δίκτυα. Η γέφυρα αρτηριών συνδέει και επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων αρτηριών.

Η πιο διαδεδομένη γέφυρα αρτηριών είναι η γέφυρα PCI-ISA, που συναντάται στους Η/Υ Pentium και Pentium Pro. Εδώ, η αρτηρία PCI συνδέεται επιπλέον με γέφυρα στη αρτηρία ΚΜΕ.

Σχήμα 5.3.1- Η τυπική διασύνδεση των συσκευών I/O και της αρτηρίας I/O στην αρτηρία ΚΜΕ-μνήμης.

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1

Να αναφέρετε τρία τουλάχιστον είδη αρτηριών και να εξηγήσετε τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται σε έναν υπολογιστή.

Με ποιον τρόπο συνδέονται μεταξύ τους οι αρτηρίες σε έναν υπολογιστή;

Να συγκρίνετε τις απαντήσεις σας με την παράγραφο που διαβάσατε.

Ιστορική Αναδρομή

Οι πρώτοι Η/Υ είχαν μία μοναδική αρτηρία, που ήταν κοινή για τη ΚΜΕ, RAM και τις συνιστώσες I/O :

Οι παλαιότερες πρώτης και δεύτερης γενιάς κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (ΚΜΕ) έτρεχαν με σχετικά χαμηλές συχνότητες ρολογιού, και όλες οι συνιστώσες του συστήματος μπορούσαν να ανταποκριθούν σε αυτές τις ταχύτητες.
Με την πάροδο του χρόνου δημιουργήθηκαν διάφορες αρτηρίες I/O. Πολλές από αυτές αποτελούσαν απλά εξέλιξη κάποιων αρτηριών ΚΜΕ.

Οι σύγχρονοι Η/Υ, συνήθως διαθέτουν αρτηρίες που μπορεί να ανήκουν στις εξής τέσσερις (4) κατηγορίες :

ISA, μία αρκετά παλιά κατηγορία αρτηριών.

PCI (Peripheral Component Interconnect) - μία νέα,υψηλής ταχύτητας κατηγορία αρτηριών που συνεργάζεται με την ISA για να αυξήσει την ταχύτητα της.

AGP, που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για κάρτες γραφικών

USB (Universal Serial Bus), που είναι η πλέον σύγχρονη κατηγορία αρτηριών

Σήμερα στην αγορά οι περισσότερες εταιρίες υποστηρίζουν ένα νέο είδος αρτηρίας που είναι γνωστό ως Καθολική Σειριακή Αρτηρία (Universal Serial Bus – USB).

Βασικά χαρακτηριστικά του USB
• Ρυθμός μετάδοσης: 900Κb/s –480 Mb/s
• Ταυτόχρονη πρόσβαση σε πολλές συσκευές (πολλαπλές συνδέσεις)
• Ταυτόχρονη μεταφορά πολλαπλών δεδομένων και μηνυμάτων ελέγχου στις γραμμές
• Δυνατότητα σύνδεσης μέχρι και 127 συσκευών, ακόμα και αν το σύστημα βρίσκεται σε λειτουργία

Πλεονεκτήματα
• Προσαρμογή στις απαιτήσεις της συσκευής
• Δυνατότητα σύγχρονης και ασύγχρονης επικοινωνίας στις ίδιες γραμμές
• Μεγάλο εύρος ζώνης και μικρή καθυστέρηση απόκρισης για σύγχρονες επικοινωνίες (audio, video)
• Μικρό κόστος

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 2

Μπορείτε να περιγράψετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα από την οργάνωση αρτηρίας, σύμφωνα με όσα έχετε διαβάσει μέχρι τώρα; Να συγκρίνετε την απάντησή σας με την παράγραφο που ακολουθεί.

Πλεονεκτήματα της οργάνωσης αρτηρίας

• ευελιξία: ορίζοντας ένα απλό σχήμα σύνδεσης, οι νέες συσκευές μπορούν εύκολα να προστεθούν και τα περιφερειακά μπορούν ακόμα και να μετακινηθούν ανάμεσα σε υπολογιστικά συστήματα που χρησιμοποιούν το ίδιο είδος αρτηρίας.
• χαμηλό κόστος: οι αρτηρίες είναι οικονομικές, επειδή ένα απλό σύνολο καλωδίων χρησιμοποιείται από κοινού με διάφορους τρόπους.

Μειονεκτήματα

• επικοινωνιακή συμφόρηση:το κύριο μειονέκτημα μίας αρτηρίας είναι ότι δημιουργεί επικοινωνιακή συμφόρηση (communication bottleneck) , περιορίζοντας πιθανώς το μέγιστο ρυθμό διαμεταγωγής (throughput) I/O. Οταν το I/O πρέπει να περάσει μέσω μιας μόνο αρτηρίας, το εύρος ζώνης αυτής της αρτηρίας περιορίζει το μέγιστο ρυθμό διαμεταγωγής I/O.

Δυσκολίες στο σχεδιασμό ενός συστήματος αρτηρίας. Τεχνικές για την αύξηση της απόδοσης

Σε εμπορικά συστήματα, όπου οι λειτουργίες I/O είναι πολύ συχνές και στους υπερυπολογιστές, όπου οι ρυθμοί I/O πρέπει να είναι πολύ υψηλοί επειδή και η απόδοση του επεξεργαστή είναι υψηλή, η σχεδίαση ενός συστήματος αρτηρίας ικανό να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του επεξεργαστή, όπως επίσης και να συνδέσει μεγάλο πλήθος συσκευών I/O με τη μηχανή, αποτελεί μία μεγάλη πρόκληση.

Ενας λόγος που ο σχεδιασμός αρτηριών είναι τόσο δύσκολος είναι ότι η μέγιστη ταχύτητα της αρτηρίας περιορίζεται πολύ από φυσικούς παράγοντες: το μήκος της αρτηρίας και το πλήθος των συσκευών συνδεδεμένων στην αρτηρία.
Αυτά τα φυσικά όρια εμποδίζουν την ταχύτερη επιθυμητή λειτουργία της αρτηρίας. Παρόλο που δεσμευόμαστε απ'αυτά τα όρια, υπάρχει μία ποικιλία από τεχνικές που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να αυξήσουμε την απόδοση της αρτηρίας· όμως, αυτές οι τεχνικές μπορεί να επηρεάσουν αντίθετα άλλα μέτρα απόδοσης.

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3

Με ποιον τρόπο θα μπορούσαμε να πετύχουμε γρήγορο χρόνο απόκρισης (response time) για τις λειτουργίες Ι/Ο, τροποποιώντας την αρτηρία;

Με την τροποποίηση αυτή μπορούμε να υποστηρίξουμε υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, ή χρειάζεται κάποια άλλη τροποποίηση;

 

ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 3

Το εύρος ζώνης της αρτηρίας μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας μεγαλύτερη ενδιάμεση αποθήκευση (buffering) και μεταφέροντας μεγαλύτερα μπλοκ δεδομένων, αλλά και οι δύο αυτές λύσεις αυξάνουν την καθυστέρηση (latency) της αρτηρίας! Προφανώς αυτοί οι δύο στόχοι, μικρή καθυστέρηση και υψηλό εύρος ζώνης, μπορούν να οδηγήσουν σε συγκρουόμενες σχεδιαστικές απαιτήσεις.

Γραμμές ελέγχου και γραμμές δεδομένων

Μία αρτηρία γενικά περιλαμβάνει ένα σύνολο γραμμών ελέγχου (control lines) και ένα σύνολο γραμμών δεδομένων (data lines).

• Οι γραμμές ελέγχου χρησιμοποιούνται για να σηματοδοτούν αιτήσεις (requests) και επιβεβαιώσεις (acknowledgments) και για να δηλώνουν τι τύπου πληροφορίες βρίσκονται στις γραμμές δεδομένων.
• Οι γραμμές δεδομένων της αρτηρίας μεταφέρουν πληροφορία μεταξύ της πηγής και του προορισμού. Αυτή η πληροφορία μπορεί να αποτελείται από δεδομένα, σύνθετες εντολές ή διευθύνσεις. Μερικές αρτηρίες έχουν δύο σύνολα γραμμών σημάτων (signal lines) για να στέλνουν δεδομένα και διεύθυνση με μία μόνο μετάδοση στην αρτηρία.

Επειδή η αρτηρία είναι κοινόχρηστη (δηλαδή τη χρησιμοποιούν πολλές συσκευές του συστήματος) χρειαζόμαστε επίσης ένα πρωτόκολλο για να αποφασίζουμε ποιος θα είναι ο επόμενος που θα τη χρησιμοποιήσει. Θα μελετήσουμε αυτό το πρόβλημα στην ενότητα 6 (διαιτησία αρτηρίας).