Σύγχρονες και ασύγχρονες αρτηρίες

Οι ουσιώδεις διαφορές ανάμεσα στους διαφορετικούς τύπους αρτηριών οδηγούν σε δύο διαφορετικά σχήματα για την επικοινωνία στην αρτηρία: το σύγχρονο (synchronous) και το ασύγχρονο (asynchronous).

Σύγχρονη αρτηρία

Μια σύγχρονη αρτηρία περιλαμβάνει ρολόι σταθερής συχνότητας στις γραμμές ελέγχου και ένα καθορισμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας που σχετίζεται με το ρολόι.
Για παράδειγμα, για μία αρτηρία επεξεργαστή-μνήμης που εκτελεί μία ανάγνωση από τη μνήμη ( σχήμα 5.3.4) θα μπορούσαμε να έχουμε ένα πρωτόκολλο που μεταδίδει τη διεύθυνση και τις εντολές ανάγνωσης στον πρώτο κύκλο του ρολογιού, χρησιμοποιώντας τις γραμμές διευθύνσεων για να δηλώσει τον τύπο της αίτησης. Θα μπορούσε τότε να απαιτηθεί από τη μνήμη να απαντήσει με τη λέξη δεδομένων (data word) στον πέμπτο κύκλο. Οι παλμοί του ρολογιού δηλαδή παρέχουν κοινά σήματα χρονισμού στον επεξεργαστή και τη μνήμη και μια λειτουργία μνήμης μπορεί να ολοκληρωθεί κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού.
Αυτός ο τύπος πρωτοκόλλου μπορεί να υλοποιηθεί εύκολα σε μία μικρή μηχανή πεπερασμένων καταστάσεων
Finite State Machine (FSM): Αποτελεί ένα λογικό κύκλωμα, το οποίο μπορεί να δεχτεί ένα αριθμό εισόδων, και να δώσει ένα αριθμό εξόδων ανάλογα με την είσοδο του. Ονομάζεται έτσι επειδή μπορεί να μεταβεί σε ένα πεπερασμένο αριθμό καταστάσεων.

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1

Κάθε συσκευή στη σύγχρονη αρτηρία θα πρέπει να λειτουργεί στην ίδια συχνότητα ρολογιού. Θεωρείτε πως αυτό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα κατά τη σύνδεση ενός υπολογιστικού συστήματος; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

Να συγκρίνετε την απάντησή σας με την παράγραφο που ακολουθεί.

Μειονεκτήματα σύγχρονης αρτηρίας

Οι σύγχρονες αρτηρίες έχουν δύο μειονεκτήματα:

Κάθε συσκευή στην αρτηρία θα πρέπει να λειτουργεί στην ίδια συχνότητα ρολογιού. Ειδικότερα, δε μπορούμε να συνδέσουμε σ'αυτή πολλές διαφορετικές συσκευές των οποίων οι ταχύτητες ποικίλουν, εκτός κι αν ελαττώσουμε τις ταχύτητες των συσκευών έτσι ώστε όλες να αποκτήσουμε την ταχύτητα της πιο αργής συσκευής.

Εξαιτίας των προβλημάτων παραμόρφωσης του ρολογιού (clock skew), οι σύγχρονες αρτηρίες δε μπορούν να είναι μεγάλες, αν θέλουμε να είναι γρήγορες.

Οι αρτηρίες επεξεργαστή-μνήμης συχνά είναι σύγχρονες επειδή ο επεξεργαστής και η μνήμη βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους και είναι επιτακτικό να λειτουργούν σε υψηλούς ρυθμούς ρολογιού.

Ασύγχρονη αρτηρία

Μία ασύγχρονη αρτηρία δεν περιλαμβάνει ρολόι, για τον λόγο αυτό μπορεί να υποστηρίξει μία μεγάλη ποικιλία συσκευών και να επιμηκυνθεί χωρίς να ανησυχούμε για παραμόρφωση του ρολογιού ή για προβλήματα συγχρονισμού. Πιο συγκεκριμένα, μια ασύγχρονη αρτηρία επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών που έχουν διαφορετικές ταχύτητες λειτουργίας.

Πρωτόκολλο χειραψίας

Για το συντονισμό της μετάδοσης των δεδομένων μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη, μία ασύγχρονη αρτηρία χρησιμοποιεί ένα πρωτόκολλο χειραψίας (handshaking protocol).

Το πρωτόκολλο χειραψίας αποτελείται από μία σειρά βημάτων κατά την οποία ο αποστολέας και ο παραλήπτης προχωρούν στο επόμενο βήμα μόνο όταν συμφωνήσουν και οι δύο πλευρές. Το πρωτόκολλο υλοποιείται με ένα πρόσθετο σύνολο γραμμών ελέγχου.

Ενα πρωτόκολλο χειραψίας ασύγχρονης αρτηρίας λειτουργεί ως ένα ζεύγος μηχανών πεπερασμένων καταστάσεων που επικοινωνούν μ' έναν τέτοιο τρόπο, ώστε η μία μηχανή να μην προχωρά μέχρι να γνωρίσει ότι η άλλη μηχανή έχει φτάσει σε μία συγκεκριμένη κατάσταση· έτσι, οι δύο μηχανές συντονίζονται.

Το πρωτόκολλο χειραψίας δεν επιλύει όλα τα προβλήματα επικοινωνίας ανάμεσα σ' έναν αποστολέα κι έναν παραλήπτη που λειτουργούν σε διαφορετική συχνότητα ρολογιού. Ενα πρόσθετο πρόβλημα εμφανίζεται όταν δειγματοληπτούμε ένα ασύγχρονο σήμα (όπως το ReadReq). Αυτό το πρόβλημα, που ονομάζεται αποτυχία συγχρονισμού (synchronization failure), μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτη συμπεριφορά· μπορεί να ξεπεραστεί με συσκευές που ονομάζονται συγχρονιστές (synchronizers). Το ακόλουθο παράδειγμα παρουσιάζει τον τρόπο λειτουργίας των ασύγχρονων αρτηρίων.

Παράδειγμα 1o - λειτουργία ασύγχρονης αρτηρίας

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 2

Να περιγράψετε τα βήματα τα οποία απαιτούνται για την ανάγνωση μιας λέξης από τη μνήμη, σύμφωνα με το ασύγχρονο πρωτόκολλο χειραψίας.
(Υπόδειξη: η διαδικασία αυτή απεικονίζονται στο σχήμα 5.5.1.)

 

ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 2

Παράδειγμα 2o

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3

Να περιγράψετε τα διαδοχικά βήματα τα οποία απαιτούνται για τον έλεγχο μιας συναλλαγής εισόδου από μια συσκευή Ι/Ο στη μνήμη χρησιμοποιώντας το ασύγχρονο πρωτόκολλο χειραψίας.

 

ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 3

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 4

Ποιους από τους δύο τρόπους υλοποίησης (σύγχρονη, ασύγχρονη αρτηρία) θεωρείτε πως είναι πιο γρήγορος; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

 

ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 4

Παράδειγμα 3o