Арбитры в мультипроцессорных системах

Арбитры Используются для разрешения конфликтных ситуаций на аппаратном уровне Арбитры принимают от процессоров сигналы требования доступа ri и формируют сигналы предоставление доступа qi. Основная задача при получении нескольких сигналов требования доступа сформировать один сигнал предоставление доступа. Арбитры: Децентрализованные – отдельные блоки, входящие в состав ПМ. Централизованные – реализованы в виде одного устройства.

Централизованные арбитры реализуют различные дисциплины обслуживания очередей. Каждый ПМ связан с арбитром собственными линиями требования/предоставления доступа. Преимущество – высокие функциональные возможности. Недостатки высокая аппаратурная сложность устройства, большое количество линий связи, большая длительность цикла арбитража, сложности с масштабированием системы, наращивание количества процессоров влечет за собой изменение аппаратурных средств и алгоритма управления устройства.

Распределенный арбитр представляет собой отдельные блоки встроенные в ПМ, функционирование основано на принципе приоритетных цепочек. Преимущества простота реализации, простота наращивания процессорных модулей, соответствие концепции модульной архитектуры. Недостатки высокое время обслуживания требований доступа, невозможность реализации дисциплин обслуживания очередей. реализация географических приоритетов, т.е. чем дальше ПМ расположен от начала цепочки, тем меньше шансов обслуживания, при высокой интенсивности требований доступа наиболее удаленные П могут оказаться в тупиковой ситуации и не получить доступа вообще. Повышение производительности – реализация динамических приоритетов

Организация приоритетной цепочки

Распределенный арбитр с фиксированными приоритетами

Синтез Принцип функционирования ri – требование доступа. bsi – входной сигнал, 1 – шина занята, 0 – шина свободна bso – выходной сигнал, 1 – захвачена, 0 – свободна di / do - входной / выходной сигнал цепочки qi – предоставление доступа

Распределенный арбитр с динамическими приоритетами А1 – пассивное состояние, ожидание сигнала ТД, или ожидание обслуживания по цепочке. А2 – захват шины, передача данных через системную шину. А3 – процессор сбрасывает сигнал ТД и переходит в состояние – максимальный приоритет (начало цепочки). st – установка максимального приоритета

Управляющий автомат Тип автомата: Мили Мура Способ управления: Синхронный Асинхронный Метод синтеза: Временные функции Декомпозиция триггеров

Централизованные арбитры метод приоритетной цепочки метод индивидуального обслуживания заявок метод циклического обслуживания заявок

Метод приоритетной цепочки Преимущества, малое количество связей простота наращивания процессорных модулей, концепция модульной архитектуры Недостатки, географические приоритеты

Метод циклического обслуживания запросов Решает проблему уменьшения количества линий связи, уменьшает длительность процесса арбитража, по отношению к распределенными арбитрами, возможна реализация как фиксированных так и динамических приоритетов. r – монтажное И, линия требования прерывания ТП, поступает на вход арбитра; bs – монтажное И, линия блокирования СШ q – s-розрядный код.

Синтез централизованного арбитра Реализация по методу циклического опроса запросов. Тип управляющего автомата - синхронный, Мура Метод временных функций / метод декомпозиции триггеров

Кодирование состояний

Комбинационная схема автомата

Синтез счетчика

Счетчик считает в коде Грея

Реализация управления в арбитрах Распределенные арбитры Централизованные арбитры Синхронные автоматы Асинхронные автоматы – Метод временных функций Метод декомпозиции триггеров Синхронизация в каждом арбитре своя, необходимость общей синхронизации

Реализация динамического приоритета в централизованных арбитрах Состояние счета Динамический приоритет реализован за счет отсутствия сброса счетчика, при выдаче очередного запроса на прерывание на линию ТП – последнее обслуженное устройство имеет максимальный приоритет Реализация по методу циклического опроса запросов. Тип управляющего автомата - синхронный, Мура Метод временных функций Дополнительная вершина

Синтез централизованного арбитра Альтернативный способ эффективный при небольшом количестве процессоров, имеет низкие аппаратурные затраты за счет отсутствия счетчика Реализация по методу циклического опроса запросов. Тип управляющего автомата - асинхронный, Мура Метод временных функций

Таблица переходов автомата ПС -> СППССПribsF3G3F2G2F1G1 a1 -> a a2 -> a a3 -> a – a3 -> a a4 -> a – a4 -> a a5 -> a – a5 -> a a2 -> a –

Синтез централизованного арбитра с динамическими приоритетами Реализация по методу циклического опроса запросов. Тип управляющего автомата - синхронный, Мура Метод временных функций / метод декомпозиции триггеров

Арбитры с индивидуальным обслуживанием запросов Программная реализация алгоритмов обслуживания очередей Аппаратная реализация алгоритмов обслуживания очередей Контроллеры Специализированные схемы на ПЛИС

Пример аппаратной реализации арбитра с индивидуальным обслуживанием запросов Есть запрос прерывания Cнято требование прерывания Приоритетный шифратор Управление записью в регистр

МНОГОМАГИСТРАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ повышение эффективности обмена информацией, большие возможности в плане реконфигурации систем, требует больших аппаратурных затрат.

Основные особенности мультипроцессорной системы – обеспечение доступа к системной магистрали и средства коммутации обеспечивающие отключение устройств от системной шины – реконфигурацию системы. Арбитры + селектор адреса Специальные управляющие регистры (запись команды) + коммутаторы управляемые этими командами

Реконфигурация системы

Фрагмент вычислительной системы для курсового проекта