Componenti dell'Elaboratore: Il Bus

Componenti dell'Elaboratore: Il Bus

• Il bus è l'hardware che permette il trasferimento di dati tra i componenti di un elaboratore.
• Un bus consiste in diverse linee (tracce di rame) che trasportano informazioni come segnali elettrici.
• Ogni linea del bus può trasmettere un segnale elettrico che rappresenta un bit.
• Il numero di linee in un bus determina la sua ampiezza.
• L’ampiezza di un bus indica quanti bit possono essere trasferiti simultaneamente.
• L'ampiezza del bus è un parametro fondamentale nella progettazione di un bus.

Linee del Bus

• Le linee di un bus sono organizzate in tre gruppi funzionali.
• Le linee dati trasmettono i dati e le istruzioni.
• Le linee di indirizzo trasportano gli indirizzi.
• Le linee di controllo trasmettono i segnali necessari per la temporizzazione e la coordinazione delle operazioni.

Organizzazione dei Bus

• Il bus interno (local bus) collega i componenti all'interno della CPU.
• Il bus esterno (system bus) connette la CPU alla memoria principale e ai dispositivi di I/O.
• Il bus esterno è composto da due sottolivelli: bus di memoria e bus di I/O.

Periferiche di I/O

• Le periferiche sono dispositivi hardware che consentono l'interazione tra l'uomo e la macchina.
• Operano in modo asincrono rispetto al processore e richiedono quindi meccanismi di sincronizzazione.
• Le funzioni di una periferica sono controllate dal sistema operativo tramite un driver.
• Il driver è un software che permette al sistema operativo di interagire con l'hardware attraverso un controller.
• Il driver è specifico per ogni periferica e sistema operativo.
• Le periferiche sono collegate al bus tramite un controller (interfaccia o modulo di I/O).
• Il controller gestisce la periferica e controlla l'accesso al bus.
• Il controller coordina il trasferimento dei dati tra processore, memoria e periferica.
• Il controller adatta i segnali della periferica ai livelli compatibili con il bus.
• Il controller è hardware e solitamente montato su scheda.
• Il controller gestisce il buffer, il registro di stato, il decodificatore di indirizzi e il circuito di controllo.
• Il circuito di controllo coordina il trasferimento dei dati e previene errori.

Componenti del System Bus

• Il bus degli indirizzi indica la posizione in cui i dati devono essere letti o scritti.
• La funzione del bus degli indirizzi è di permettere alla CPU di selezionare la memoria o la periferica.
• Il bus degli indirizzi trasporta l'indirizzo della memoria o del dispositivo I/O con cui interagire.
• Il bus degli indirizzi è unidirezionale, trasmettendo solo dalla CPU agli altri componenti.
• L'importanza della larghezza del bus degli indirizzi determina quanti indirizzi il bus può gestire.
• La larghezza del bus degli indirizzi influenza la capacità di memoria e il numero di periferiche collegabili.
• Il bus dei dati trasmette e riceve i dati.
• Il bus dati è bidirezionale.
• La larghezza determina la quantità di dati trasferibile.
• Il bus dati è il collo di bottiglia dell’elaboratore di Von Neumann.
• Le linee di controllo gestiscono il controllo del flusso dei dati.
• Le linee di controllo gesticono i segnali per controllare come e quando i dati vengono trasferiti.
• Le linee di controllo hanno diverse funzioni principali.
• Indicano la modalità di trasferimento (lettura o scrittura).
• Le linee di controllo specificano se il destinatario è la memoria o un dispositivo I/O.
• Le linee di controllo regolano l'assegnazione del bus e gestiscono le priorità.
• Gesticono gli Interrupt.
• Le linee di controllo organizzano il flusso dei dati, assegnano le risorse e segnalano gli eventi.

Temporizzazione del Bus

• La temporizzazione del bus è la modalità con cui il computer coordina i dati per assicurare che tutto vada al momento giusto.
• Esistono due tipi di temporizzazione: sincrona e asincrona.

Temporizzazione Sincrona

• La temporizzazione sincrona usa un clock come un metronomo.
• Tutte le operazioni seguono il ritmo del clock.
• La temporizzazione sincrona è più semplice da progettare.
• La temporizzazione sincrona è meno flessibile con dispotivi a velocità diverse.
• Un circuito oscillatore genera un segnale di 1 e 0.
• Il segnale ha una frequenza tra 5 e 100 MHz.
• Ogni sequenza 1-0 è un ciclo di clock.
• Tutti i dispositivi aspettano il segnale per iniziare un’operazione.
• Il trasferimento dei dati avviene in multipli di cicli di clock (es. 2, 3, 4 cicli).
• Il vantaggio del bus sincrono è che è semplice da progettare.
• Lo svantaggio è la rigidità.
• Un limite è il collo di bottiglia nei sistemi diversi.
• Il bus sincrono è facile da gestire, ma è inefficiente quando sono presenti dispositivi a velocità diverse.

Temporizzazione Asincrona

• Nella temporizzazione asincrona non si utilizza un segnale di clock.
• Ogni attività sul bus è regolata da segnali di sincronizzazione.
• L'insieme di segnali scambiati durante un trasferimento è detto full handshake.
• I full handshake non dipendono da un clock di sincronizzazione.
• Ogni evento è causato dal precedente e non da un impulso di clock.
• Il vantaggio è che offre la possibilità di sfruttare al massimo la velocità di ciascun dispositivo.
• Uno svantaggio è l’implementazione più complessa.

Parametri del Bus

• La velocità di trasferimento dipende dal numero di cicli al secondo, ovvero dalla frequenza (espressa in MHz).
• La larghezza di banda è la quantità di dati che possono essere trasferiti nell’unità di tempo (MB/sec).

Arbitraggio del Bus

• I dispositivi si dividono in attivi (master) e passivi (slave).
• I master hanno il controllo del bus e possono iniziare un trasferimento.
• Gli slave sono in attesa di una richiesta di trasferimento.
• In ogni istante, un solo dispositivo è master.
• Nella maggior parte dei casi, il master è il processore.
• Il processore e anche altre unità possono richiedere e ricevere il controllo del bus.
• L'arbitraggio è il meccanismo per assegnare il controllo del bus ad una sola unità.
• Diversi tipi di arbitraggio: centralizzato o decentralizzato.
• L'arbitraggio centralizzato può essere realizzato in daisy chain o in parallelo.
• Nell'arbitraggio decentralizzato ogni dispositivo è collegato e può competere per il controllo.

Arbitraggio Centralizzato con Daisy Chain

• Tutti i dispositivi usano una linea per richiedere un accesso (Bus Request).
• L’arbitrio risponde con un segnale di autorizzazione (Bus Grant).
• L’unità più vicina ottiene il controllo per prima.
• La priorità è fissa.

Arbitraggio Decentralizzato

• Ogni dispositivo collegato "compete" per ottenere il controllo.
• Ogni dispositivo ha un codice di priorità (di solito 4 bit).
• Esiste un bus di arbitraggio con tante linee quanti sono i bit di priorità.
• Quando più dispositivi chiedono l'accesso, mettono il codice di priorità sul bus.
• Un algoritmo di controllo confronta i codici e assegna il bus al dispositivo con priorità maggiore.

Caratteristiche Logico/Funzionali di un Bus

• Larghezza del bus indirizzi e del bus dati.
• Numero e tipo di linee di controllo.
• Temporizzazione (sincrona/asincrona).
• Metodo di arbitraggio (centralizzato/decentralizzato).

Organizzazione dei Bus

• Nei computer moderni ci sono più livelli di bus, ognuno con velocità diverse per ottimizzare le prestazioni.
• Tipi di bus: Memory Bus, Bus per periferiche veloci, Bus per periferiche lente.

Tipi di Interfacce

• Interfacce Parallele: usano più linee per trasferire più bit contemporaneamente, più veloci, usate per dispositivi ad alte prestazioni.
• Interfacce Seriali: usano una sola linea, più lente, ma più semplici e affidabili, usate per periferiche generiche.
• Esempi: ISA, PCI, SCSI, USB, FireWire.
• I paralleli sono più veloci, ma complessi e ingombranti.
• I seriali più lento, più pratico e usato nei dispositivi moderni.