Добавление конспекта 19-ой лекции

Co-authored-by: Kholodhaha <116362016+Kholodhaha@users.noreply.github.com>

Lectures/19. Bus.md

@@ -0,0 +1,338 @@
+# Лекция 19. Шины.
+
+- [Лекция 19. Шины.](#лекция-19-шины)
+  - [Системы соединений](#системы-соединений)
+    - [Интерфейс](#интерфейс)
+    - [Шина](#шина)
+  - [Терминология](#терминология)
+    - [Обмен информации](#обмен-информации)
+  - [Типы шин](#типы-шин)
+  - [Иерархия шин](#иерархия-шин)
+  - [Арбитраж шин](#арбитраж-шин)
+    - [Алгоритмы арбитража](#алгоритмы-арбитража)
+    - [Схемы арбитража](#схемы-арбитража)
+    - [Протоколы шин](#протоколы-шин)
+  - [Повышение эффективности шин](#повышение-эффективности-шин)
+    - [Увеличение полосы пропускания](#увеличение-полосы-пропускания)
+    - [Стандартизация шин](#стандартизация-шин)
+    - [Последовательный синхронный обмен](#последовательный-синхронный-обмен)
+    - [Последовательный асинхронный обмен](#последовательный-асинхронный-обмен)
+    - [Основные материалы лекции](#основные-материалы-лекции)
+
+## Системы соединений
+
+**Система** — это объединение нескольких элементов для решения общей задачи.
+Система соединений должна обеспечивать обмен информации между:
+
+- процессором и памятью;
+- процессором и модулями ввода\вывода;
+- памятью и модулями ввода\вывода.
+
+Как же воедино соединить элементы системы?
+
+Нужно использовать несколько шин, каждая из которых соединяется с разными элементами системы. Например, это необходимо потому что ЦП обменивается информацией с памятью в гигабитах в секунду, а с клавиатурой в байтах в секунду, поэтому неразумно помещать их на одну шину.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_01.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_01.jpg)
+
+_Рис. 1. Идеальный вариант системы соединений._
+
+### Интерфейс
+
+Интерфейс — это совокупность механических, электрических (аппаратных) и программных средств, с помощью которых компоненты системы объединяются для решения задачи обмена информации.
+Существуют три категории интерфейсов:
+
+- машинные (решают задачу соединения процессора с другими устройствами);
+- системно-модульные (унифицируют сопряжение модулей, предназначенных для работы в системе, что и определяет их особенности);
+- системно-приборные (осуществляют объединение в систему модулей, которые могут работать автономно и для которых характерны широкие функциональные возможности).
+
+### Шина
+
+**Шина** с это группа сигнальных линий, предназначенных для выполнения определенной функции в программно-управляемом процессе передачи данных.
+Чтобы охарактеризовать шину, нужно описать:
+
+- совокупность сигнальных линий;
+- физические, механические и электрические шины;
+- используемые сигналы арбитража, состояния, управления, и синхронизации;
+- правила взаимодействия подключённых к шине устройств (протокол шины).
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_02.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_02.jpg)
+
+_Рис. 2. Абстрактное представление модели шины._
+
+## Терминология
+
+Операции на шине ("bus") называются транзакциями, существует:
+
+- транзакция чтения (ввода);
+- транзакция записи (вывода).
+
+Одна транзакция — цикл шины (может занимать несколько тактовых импульсов).
+Когда два устройства обмениваются информацией на шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им.
+
+Устройство, которое инициирует обмен, называется "Bus master" [main] — любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных.
+
+"Bus slave" [secondary] (ведомое устройство) — устройство не способное владеть шиной и управлять ей.
+
+В любой момент времени на шине может управлять только одно ведущее устройство. Шиной предусматривается процедура допуска управления только одного из претендентов, это называет **арбитраж**.
+
+### Обмен информации
+
+Существуют три основных обмена информацией:
+
+- Обмен по инициативе процессора.
+Микропроцессор формирует запрос для внешнего устройства, затем внешнее устройство сообщает "Подтверждение" на обмен информацией микропроцессору и происходит обмен информацией.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_03.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_03.jpg)
+
+_Рис. 3. Пример обмена по инициативе процессора._
+
+- Обмен по инициативе внешнего устройства.
+Внешнее устройство формирует запрос для микропроцессора, затем микропроцессор сообщает "Подтверждение" на обмен информацией внешнему устройству и происходит обмен информацией. При этом во время обмена ведущее устройство (микропроцессор) управляет всеми процессами.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_04.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_04.jpg)
+
+_Рис. 4. Пример обмена по инициативе внешнего устройства._
+
+- Обмен между внешними устройствами по инициативе одного из них.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_05.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_05.jpg)
+
+_Рис. 5. Пример обмена внешними устройствами по инициативе одного из них._
+
+## Типы шин
+
+Шины делятся по целевому назначению:
+
+- шины "процессор-память" (которые специализированы для передачи информацией между процессором и памятью);
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_06.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_06.jpg)
+
+_Рис. 6. Пример шины "процессор-память"._
+
+- шины ввода-вывода (их особенность заключается в том, что они хорошо стандартизированы и более медленные, потому что ввод-вывод генерирует информацию медленно);
+- системные шины (нужны для объединения элементов систем).
+  Системная шина условно состоит из трёх шин: шины данных, адреса и управления.
+  - Шина адреса — это шина, по которой выставляются адреса устройства, к которому мы хотим обратиться. Ширина шины данных может быть 32, 64, 128 бит (ширина обычно называется "словом").
+  - Шина данных — это шина, по которой передаются данные (адреса ячеек памяти, портов ввода\вывода, регистры процессора и так далее. Может быть выбран диапазон адресов "broadcast" и "broadcall") — 36-40 битов.
+  - Шина управления (Control Bus) — шина для передачи управляющей информации и информации о состоянии участвующих в транзакции устройств.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_07.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_07.jpg)
+
+_Рис. 7. Модель системной шины._
+
+Какие сигналы могут быть внутри шины управления:
+
+1. Сигналы управления транзакциями (среднее значение сигнальных линий: 2-8) делятся на:
+   1. указание типа транзакции (чтение\запись);
+   2. указание количества байт и номер байт, если пересылается часть слова;
+   3. указание типа адреса выданного на шину;
+2. информация состояния (статус) — для передачи кодов ошибок и состояний (среднее значение сигнальных линий: 1-4).
+3. Линии арбитража — выбор управляющего шиной устройства (среднее значение сигнальных линий: 3-11).
+4. Линии прерывания (среднее значение сигнальных линий: 1-2).
+5. Последовательные локальные сети (среднее значение сигнальных линий: 1-4).
+6. Линии позиционного кода (среднее значение сигнальных линий: 4-5).
+7. Тактирование и синхронизация (среднее значение сигнальных линий: 2-6).
+8. Линии питания и заземления.
+
+В некоторых системах применяют мультиплексированную шину адреса/данных для экономии количества линий, из-за чего повышается скорость передачи информации.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_08.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_08.jpg)
+
+_Рис. 8. Мультиплексируемая шина адреса/данных._
+
+## Иерархия шин
+
+Существует три основных уровня иерархии шин:
+
+- Одноуровневая иерархия:
+В этом уровне иерархии медленные устройства занимают системную шину и она не доступна для центрального процесса и памяти.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_09.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_09.jpg)
+
+_Рис. 9. Одноуровневая иерархия._
+
+- Двухуровневая иерархия:
+В данном типе есть адаптеры, к которым подключаются шины. На системной шине "висят" высокопроизводительные элементы системы, а через адаптеры сгруппированы и подключены более медленные внешние устройства. Главным минусом является то, что если устройствам модуля ввода\вывода нужно обменяться информацией друг с другом — они будут обмениваться через системную шину, а значит будут её занимать.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_10.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_10.jpg)
+
+_Рис. 10. Двухуровневая иерархия._
+
+- Многоуровневая иерархия:
+В этом уровне иерархии существует системная шина для объединения высокопроизводительных элементов, к ней подключен адаптер, который в свою очередь ограничивает другую шину с подключёнными к ней другими адаптерами.
+В таком случае, если устройствам модуля ввода\вывода нужно обменяться информацией друг с другом — они будут делать это в обход системной шине. Когда им надо будет выйти на системную шину они смогут сделать это на высокой скорости, потому что есть адаптер, который будет выполнять задачу буферизации.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_11.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_11.jpg)
+
+_Рис. 11. Многоуровневая иерархия._
+
+## Арбитраж шин
+
+### Алгоритмы арбитража
+
+Каждому потенциальному 'ведущему' присваивается приоритет, для того чтобы дать устройствам возможно обмениваться информацией:
+
+- **Статический приоритет** (за каждым устройством закреплён номер приоритета, чем меньше номер, тем выше приоритет. Проблема заключается в том, что одно устройство может занять шину навсегда и другие устройства не смогут общаться между собой).
+- Динамический приоритет (при повторном использовании шины меняется приоритет).
+Варианты смен приоритета:
+  - **Простая циклическая смена приоритетов** (после каждой итерации разыгрывается приоритет и тот, у кого был самый низкий приоритет становится самым высоким).
+
+  ![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_12.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_12.jpg)
+
+  _Рис. 12. Распределение приоритетов._
+
+  - **Циклическая смена приоритетов с учётом последнего запроса** (Rotating Daisy Chain — RDC):
+  Допустим, третье устройство "выигрывает" шину, начинает передавать информацию. После "общения" устройство, которое передавало информацию получает самый низкий приоритет.
+  - **Смена приоритетов по случайному закону** (RND):
+  Приоритеты меняются по закону псевдослучайной последовательности чисел (Псевдослучайная последовательность чисел - это последовательность, которая кажется статистически случайной, несмотря на то, что была получена в результате полностью детерминированного и повторяемого процесса).
+  - **Алгоритм наиболее дальнего использования** (LRU):
+  Приоритет устройства, которое дольше всего не использовали, постепенно возрастает после каждого арбитража шины.
+  - Можно использовать **фиксированный квант времени**.
+  Допустим, у нас есть 10 устройств и каждому из устройств даётся момент времени, когда ему надо определиться хочет ли он общаться или нет. Этот цикл происходит до того момента, пока не найдут готового к общению на шине устройства. Однако скорость реакции на запрос шины будет меньше, чем в других реализациях.
+  - На основе очереди (FIFO), когда одно устройство заканчивает общение на шине — сразу же начинает общение устройство, которое стоит следующим в очереди. Но FIFO можно легко "забить". Например, пока обрабатываем один запрос ещё 20 других запросов пришло и буфер "забился".
+
+### Схемы арбитража
+
+Схемы арбитража бывают двух типов:
+
+- Централизованный арбитраж (есть устройство, которое называется "арбитр", все устройства подключаются к нему и спрашивают кто из них получит доступ к общению) делится на две категории:
+  - Параллельный;
+  - Последовательный.
+- Децентрализованный арбитраж ("арбитр" у каждого устройства свой).
+
+**Централизованный параллельный арбитраж**.
+
+В этой схеме у нас присутствуют ведущие устройства, которые могут занимать шину и могут инициировать обмен информацией. Есть центральный арбитр, решающий кто будет общаться на шине. Каждое устройство соединено с арбитром двумя сигналами — это "запрос шины" и "предоставление шины". Все устройства подключены к общей линии "Шина Занята" (ШЗ), с помощью этой линии все устройства могут видеть свободна ли шина или занята. Задача центрального арбитра заключается в определении устройства с максимальным приоритетом и предоставлении шины этому устройству.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_13.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_13.jpg)
+
+_Рис. 13. Схема централизованного параллельного арбитража._
+
+**Централизованный последовательный арбитраж**.
+В данной реализации приоритеты фиксированы и зависят от того где конкретно подключено устройство. Есть сигнал "Шина Занята" (ШЗ), есть сигнал "запрос шины" и "предоставление шины" от центрального арбитра.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_14.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_14.jpg)
+
+_Рис. 14. Схема централизованного последовательного арбитража._
+
+Для примера рассмотрим ситуацию, когда два устройства одновременно запросили общение на шине ("Ведущий n-2" и "Ведущий 0"). Центральный арбитр видит, что шина не занята и даёт сигнал первому устройству.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_15.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_15.jpg)
+
+_Рис. 15. Предоставление сигнала на пользование шиной устройству "Ведущий n-1"._
+
+Первое устройство ("Ведущий n-1") получило этот сигнал, но так как ему не нужно общаться на шине — оно передаёт его следующему устройству ("Ведущий n-2")
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_16.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_16.jpg)
+
+_Рис. 16. Передача сигнала устройству "Ведущий n-2"._
+
+После этого устройство "Ведущий n-2" не распространяет этот сигнал дальше и занимает шину.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_17.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_17.jpg)
+
+_Рис. 17. Устройство "Ведущий n-2" заняло шину для общения._
+
+**Децентрализованный арбитраж**.
+В данной реализации все устройства связаны друг с другом проводами. Когда какое-то из устройств хочет занять шину — оно видит сигналы от других устройств. Таким образом, перед тем как выставить свой запрос, устройство смотрит нет ли запросов с большим приоритетом. Если есть, то устройство не отправляет свои запросы, так как это не имеет смысла.
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_18.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_18.jpg)
+
+_Рис. 18. Схема децентрализованного арбитража._
+
+### Протоколы шин
+
+Протоколы шин бывают двух типов:
+
+- синхронные (когда происходит синхроимпульс, тогда происходят и какие-то события на шине);
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_19.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_19.jpg)
+
+_Рис. 19. Схема синхронного протокола шин._
+
+- асинхронные (как только устройство способно отреагировать — оно сразу же реагирует).
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_20.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_20.jpg)
+
+_Рис. 20. Схема асинхронного протокола шин._
+
+## Повышение эффективности шин
+
+Методы повышения эффективности шин:
+
+- Пакетный режим пересылки информации (передаётся не одна порция данных, а сразу несколько порций данных по нескольким адресам).
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_21.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_21.jpg)
+
+_Рис. 21. Схема пакетного режима пересылки информации._
+
+- Конвейеризация транзакций (предназначена для высокоскоростных шин).
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_22.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_22.jpg)
+
+_Рис. 22. Схема конвейеризации транзакций._
+
+Можно менять данные на выходе А ещё до того момента времени, когда эти данные окончательно воспринялись устройством B, главное выдерживать нужные временные ограничения ("тайминги").
+
+- Протокол с расщеплением транзакций (мы не ждём ответ на конкретную транзакцию, а выдаём его когда у нас есть возможность).
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_23.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_23.jpg)
+
+_Рис. 23. Схема протокола с расщеплением транзакций._
+
+Ответ на транзакцию приходит с запросом не сразу. То есть мы не ждём ответ на конкретную транзакцию, и выдаём ответ когда есть возможность.
+Например, на рисунке 21 для _адреса 1_ у нас была возможность получить ответ сразу, так же и с _адресами 3 и 4_, а вот для _адреса 2_ возможность получить ответ появилась только получения ответов для _адреса 3 и 4_. Таким образом, за счёт протокола с расщеплением транзакций всё будет работать корректно.
+
+- Арбитраж с перекрытием (очередной арбитраж происходит ещё на стадии передачи прошлой информации).
+  Очередной арбитраж происходит ещё на стадии передачи прошлой информации. Допустим, "разыграли" шину и мы ей завладели, затем другое устройство сообщает, что хочет завладеть этой шиной. Вместо того чтобы он просто ждал — включается арбитр и определяет, можно ли будет этому устройству завладеть шиной или нельзя. Как только заканчивается передача, сразу же идёт переключение на другое устройство.
+- Арбитраж с удержанием шины (ведущее устройство захватывает шину и начинает передавать большое количество информации, то есть передача шины происходит только при возникновении запроса)
+
+Например, ведущее устройство захватывает шину и начинает передавать **большое количество информации**. Это устройство передаёт информацию и видит, что другие устройства не отправляют запрос на пользование шиной, тогда ведущее устройство продолжает передавать информацию. То есть когда возникнет запрос, тогда устройство сразу передаёт шину.
+
+### Увеличение полосы пропускания
+
+Для увеличения полосы пропускания существуют следующие способы:
+
+- отказ от мультиплексирования шин адреса и данных;
+- увеличение ширины данных;
+- повышение тактовой частоты.
+
+### Стандартизация шин
+
+Из стандартизированных шин можно выделить две большие группы:
+
+- Шины "большого" интерфейса (высокопроизводительные шины, связывают память, процессор, модули ввода\вывода)
+  - PCI Express
+  - Hyper Transport
+  - QPI
+- Шины "малого" интерфейса (служат для присоединения периферийных устройств к модулям ввода\вывода)
+  - USB
+  - Bluetooth
+  - UART
+  - CAN
+  - SPI
+  - I2C
+
+### Последовательный синхронный обмен
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_24.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_24.jpg)
+
+_Рис. 24. Схема последовательного синхронного обмена._
+
+Для того чтобы организовать последовательный синхронный обмен информации, нам нужна линия, по которой мы передаём информацию и линия, по которой происходит синхронизация.
+
+Как работает последовательный синхронный обмен:
+На схеме есть генератор импульсов (ГН), который генерирует тактовый сигнал (он управляет сдвиговым регистром и передаёт сигналы на приёмник). Передатчик параллельно с этим загружает информацию в сдвиговый регистр, затем информация по одному биту перемещается в другой сдвиговый регистр. После того как вся информация передалась — приёмник просто считывает эту информацию
+
+### Последовательный асинхронный обмен
+
+![../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_25.jpg](../.pic/Lectures/19.%20Bus/fig_25.jpg)
+
+_Рис. 25. Схема последовательного асинхронного обмена._
+
+Отличие от последовательного синхронного обмена заключается в том, что из-за отсутствия тактовых импульсов приёмнику и передатчику необходимо договориться про скорость, на которой будет происходить обмен. На нашей схеме генератор импульсов на приёмнике в 16 раз выше частотой чем на передатчике. Схема управления будет 16 раз считывать каждый бит, то есть если 14 раз была единица и 2 раза ноль, значит была единица.
+
+### Основные материалы лекции
+
+1. [Ссылка](https://www.youtube.com/watch?v=UXmY3LS_xWk&list=PL0def37HEo5KHPjwK7A5bd4RJGg4djPVf&index=23) на видеозапись лекции
+2. [Ссылка](https://onedrive.live.com/view.aspx?resid=1FF28DEC684C2C56!81737&cid=1ff28dec684c2c56&authkey=!AIXUSz0MyutL6hs&CT=1698668305325&OR=ItemsView) на лекцию в формате Power Point