Методы повышения эффективности шин
Существует несколько приемов, позволяющих повысить производительность шин. К ним, прежде всего, следует отнести пакетный режим, конвейеризацию и расщепление транзакций.

Пакетный режим
Конвейеризация транзакций
Протокол с расщеплением транзакции
Увелечение полосы пропускания шины
Ускорение транзакций
Повышение эффективности шин с множеством ведущих

Пакетный режим пересылки информации

Эффективность как выделенных, так и мультиплексируемых шин может быть улучшена, если они функционируют в блочном или пакетном режиме (burst mode), когда один адресный цикл сопровождается множественными циклами данных (чтения или записи, но не чередующимися). Это означает, что пакет данных передается без указания текущего адреса внутри пакета.

При записи в память последовательные элементы блока данных заносятся в последовательные ячейки. Так как в пакетном режиме передается адрес только первой ячейки, все последующие адреса генерируются уже в самой памяти путем последовательного увеличения начального адреса Передача на устройства ввода/ вывода или в память наподобие очереди может не сопровождаться изменением начального адреса.
Скорость передачи собственно данных в пакетном режиме увеличивается естественным образом за счет уменьшения числа передаваемых адресов. Внутри пакета очередные данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета может достигать 1024 байт. Наиболее частый вариант - пакеты, состоящие из четырех байтов. Такие пакеты используются при работе с памятью в 32-разрядных ВМ, где длина ячейки памяти равна одному байту.

-Рисунок иллюстрирует концепцию адресации в пакетном режиме при пересылке данных. По шине адреса передается только адрес ячейки i, а в данных для ячеек i + 1, i + 2 и i + 3 указание соответствующих адресов отсутствует.

В асинхронных системах пакетный режим позволяет достичь дополнительного эффекта. Как известно, время пересылки слова включает в себя время прохождения слова от отправителя к приемнику и время, затрачиваемое на процедуру подтверждения. Необходимо также учесть внутренние задержки в ведущем-и ведомом устройствах и, наконец, дополнительные издержки на восстановление исходного состояния шины после процедуры квитирования. В ходе пакетной передачи можно избавиться от этих задержек и работать с максимальной пропускной способностью, которую допускают ширина полосы пропускания линий и перекос сигналов, за счет разрешения отправителю начинать следующий цикл данных не ожидая подтверждения. Реализация описанного режима сопряжена с некоторыми ограничениями. В частности, становится невозможным восстановление ошибок в каждом цикле. Кроме того, скорость должна быть тщательно согласована с особенностями каждой передачи.

Примером шины, обеспечивающей пакетный режим передачи, может служить современная шина Futurebus+.

 

Конвейеризация транзакций

Одним из способов повышения скорости передачи данных по шине является конвейеризация транзакций.  Очередной элемент данных может быть отправлен устройством А до того, как устройство В завершит считывание предыдущего элемента. Аналогичное решение уже рассматривалось в разделе, посвященном пакетному режиму, однако сам прием применим и к обычным транзакциям. На рис. показана конвейеризация транзакций чтения.

Данные на шине должны оставаться стабильными в течение времени Tст + Tуд Только после этого возможна смена элемента данных.  Максимальная скорость передачи при конвейеризации определяется выражением 1/(Tст+Tуд).

 

Протокол с расщеплением транзакциий

Для увеличения эффективной полосы пропускания шины во многих современных шинах используется протокол с расщеплением транзакций (split transaction), известный также как протокол соединения/разъединения (connect/disconnect) или протокол с коммутацией пакетов (packet-switched). Этот протокол обычно обеспечивает преимущество на транзакциях чтения.

В классическом варианте любая транзакция на шине неразрывна, то есть новая транзакция может начаться только после завершения предыдущей, причем в течение всего периода транзакции шина остается занятой. Протокол с расщепление транзакций допускает совмещение во времени сразу нескольких транзакций.
В шине с расщеплением транзакций линии адреса и данных обязаны быть независимыми. Каждая транзакция чтения разделяется на две части: адресную транзакцию и транзакцию данных. Считывание данных из памяти начинается с адресной транзакции: выставления ведущим на адресную шину адреса ячейки. С приходом адреса память приступает к относительно длительному процессу поиска и извлечения затребованных данных. По завершении чтения память становит  ся ведущим устройством, запрашивает доступ к шине и направляет считанные данные по шине данных. Фактически от момента поступления запроса до момента формирования отклика шина остается незанятой и может быть востребована для выполнения других транзакций. В этом и состоит главная идея протокола расщепления транзакций.

Таким образом, на шине с расщеплением транзакции имеют место поток запросов и поток откликов. Часто в системах с расщеплением транзакций контроллер памяти проектируется так, чтобы обеспечить буферизацию множественных запросов. Случай, когда затребованные данные возвращаются в той же последовательности, в которой поступали запросы, в сущности, представляет собой рассмотренную выше конвейеризацию. Шина с расщеплением транзакций зачастую может обеспечивать вариант, при котором ответы на запросы поступают в произвольной последовательности рис. Чтобы не спутать, какому из запросов соответствует информация на шине данных, ее необходимо снабдить признаком (тегом).

Хотя протокол с расщеплением транзакций и позволяет более эффективно использовать полосу пропускания шины по сравнению с протоколами, удерживающими шину в течение всей транзакции, он обычно вносит дополнительную задержку из-за необходимости получать два подтверждения - при запросе и при отклике. Кроме того, реализация протокола связана с дополнительными затратами, так как требует, чтобы транзакции были тегированы и отслеживались каждым устройством. Для любой шины с расщеплением транзакций существует предельное значение числа одновременно обслуживаемых запросов.

 

Увелечение полосы пропускания шины

Среди приемов, способствующих расширению полосы пропускания шины основными пожалуй можно считать следующие:

1. отказ от мультиплексирования шин адреса и данных;
2. увеличение ширины шины данных;
3. повышение тактовой частоты шины;
4. использование блочных транзакций.

Замена мультиплексируемой шины адреса/данных и переход к выделенным шинам адреса и данных делают возможной одновременную пересылку как адреса, так и данных, то есть позволяют реализовать более эффективные варианты транзакций. Такое решение, однако, является более дорогостоящим из-за необходимости иметь большее число сигнальных линий.

Полоса пропускания шины по своему определению непосредственно зависит от количества параллельно пересылаемой информации - практически прямо пропорциональна ширине шины данных. Несмотря на то что данный способ требует увеличения числа сигнальных линий, многие разработчики ВМ используют в своих машинах достаточно широкие шины данных. Например, в рабочей станции SPARCstation 20 ширина шины составляет 128 бит.

Наращивание тактовой частоты - еще один очевидный способ увеличения полосы пропускания, и проектировщики широко им пользуются.

О том, как на полосу пропускания шины влияют пакетные или блочные транзакции, было сказано выше: Данный способ требует некоторого усложнения аппаратуры, но одновременно позволяет сократить время обслуживания запроса.

 

Ускорение транзакций

Для сокращения времени транзакций проектировщики обычно прибегают к следующим приемам:

1. арбитражу с  перекрытием;
2. арбитражу с удержанием шины;
3. расщеплению транзакций.

Сущность расщепления транзакций была рассмотрена ранее. Кратко поясним остальные два метода.
Арбитраж с перекрытием (overlapped arbitration ) заключается в том, что одновременно с выполнением текущей транзакции производится арбитраж следующей транзакции.
При арбитраже с удержанием шины (bus parking) ведущий может удерживать шину и выполнять множество транзакций, пока отсутствуют запросы от других потенциальных  ведущих.В современных шинах обычно сочетаются все вышеперечисленные способы ускорения транзакций.

 

Повышение эффективности шин с множеством ведущих

Любая система шин характеризуется пределом пропускной способности, зависящим от их ширины, скорости и протокола. Имеются также издержки, такие как арбитраж, если только он не проводится параллельно с выполнением предшествующей транзакции. Даже простой микропроцессор способен практически монополизировать производительность объединительной шины при выборке инструкций и данных, но без блочных пересылок.

При проектировании мультипроцессорных систем целесообразно рассматривать системную шину как коммуникационный тракт между разными процессорами и нескольким контроллерами ввода/вывода и снабдить каждый процессор локальной памятью для "команд и большей части данных. Это существенно снижает нагрузку на системную шину. Если процессоры используют шину в первую очередь для ввода/вывода и пересылки сообщений, большая часть трафика может бытьреализована в виде блочных пересылок, что ведет практически к удвоению пропускной способности. Однако, в зависимости от числа процессоров и природы приложения, шина может стать и «узким местом». Фактически, если шина в течение значительной части времени не свободна, процессоры могут значительную долю времени провести в состоянии ожидания. Система с пересылкой сообщений начинает функционировать скорее как сеть, чем как простая шина ввода/вывода.

Одно из решений проблемы пропускной способности - увеличение количестваш с несколькими процессорами на каждой. Этот подход применен в шине Fastbus, где общее адресное пространство совместно используется нескольким отдельными шинами, называемыми сегментами. Сегменты функционируют независимо, но автоматически объединяются нужным образом, если ведущий из одного сегмента обращается к ведомому из другого сегмента. Это автоматическое объединение выражается во вмешательстве в трафик всех промежуточных сегментов, поэтому, чтобы не возникало заторов, применяться оно должно осторожно. Разумное использование узлов с промежуточным хранением совместно с сетевым протоколом передачи сообщений могут еще более сократить перегрузку путем сглаживания нагрузки, разрешая одновременное объединение как двух, так и нескольких сегментов.

Вернутся к заглавию