Interconectarea Calculatoarelor. Magistrale în Sisteme Multiprocesor

Introducere

Definiţie. Sistemul multiprocesor (SMP) reprezintă soluţii ale unor probleme complexe de automatizări în timp real acolo unde e necesar un timp de răspuns rapid (de ordinul ns sau μs).

Un multiprocesor este un singur calculator care include mai multe procesoare şi un spaţiu de memorie adresabil de acestea. Procesoarele pot comunica şi coopera la diferite niveluri pentru rezolvarea unei probleme date. Un multiprocesor este controlat de un singur sistem de operare integrat, care permite interacţiunea între procesoare şi programele lor la nivel de proces,set de date şi chiar date elementare.

În SMP o funcţie de bază este comunicarea între μsistemele componente realizată prin mesaje precum şi sincronizarea execuţiei programului de aplicaţie. Conceptele fundamentale referitoare la arhitectura şi modul de proiectare al SMP sunt descrise de două structuri de bază: - cu module funcţionale distribuite şi cu module funcţionale concentrate.

Există două modele arhitecturale de bază pentru sistemele multiprocesor:

1. multiprocesoare slab cuplate (Loosely Coupled Multiprocessors)

2.multiprocesoare strâns cuplate (Tightly Coupled Multiprocessors)

Tipurile de sisteme multiprocesor sunt:

- sisteme bazate pe magistrală, multiplexată în timp;

- sisteme bazate pe comutator grilă;

- sisteme bazate pe comutator multinivel.

Un sistem multiprocesor este secvenţial consistent dacă rezultatul oricărei execuţii este acelaşi ca şi când operaţiile tuturor procesoarelor ar fi fost executate într-o anumită ordine secvenţială şi operaţiile fiecărui procesor individual apar în această secvenţă în ordinea specificată de program.

Interconectarea calculatoarelor monoplacă necesită utilizarea unui sistem de magistrale care să permită o extensie modulară a plăcilor funcţionale: modul procesoare, memorii, module I/O, cuplare de periferice, etc. La realizarea SMP destinate conducerii proceselor se utilizează magistrale standard. Aceste magistrale sunt utilizate de companiile producătoare de SMP şi au avantajul că plăci de companii diferite sunt compatibile la nivelul sertarului care conţine magistrala standard.

Magistrala Multibus

O magistrală standard des utilizată în SMP este magistrala MULTIBUS a firmei INTEL. Firma SIEMENS are o magistrală echivalentă cu numele AMS.

Magistrala MULTIBUS cuprinde:

1) Magistrala de sistem – magistrala de tip extern– magistrala MULTIBUS propriu-zisă.

2) Magistrala rezidentă – magistrala de tip intern – specifică μP conectat.

3) Magistrala serială.

Aceastǎ magistralǎ este foarte popularǎ in sistemele industriale şi deşi a fost inventatǎ la începutul aniilor ’70 magistrala MultiBus este încǎ folositǎ (comună). La începutul anilor '80, Intel a creat MultiBus II, care ulterior a fost adoptat ca IEEE-STD 1296. Din cauza existenţei magistralei MultiBus II, originalul MultiBus este adesea denumit în continuare MultiBus I.

Magistrala MULTIBUS asigură o comunicaţie între μP-ul de 8 sau 16 biţi, între modulele periferice care se pot conecta la MultiBus, memoriile, module de I/O numerice sau analogice, modulele procesoare de ax, modulele Master de tip calculator monoplacă.

Magistrala MultiBus dispune de următoarele grupe de linii de magistrală:

20 linii de adresă

16 linii bidirecţionale de date

8 linii de întrerupere de magistrală

linii de arbitrare a magistralei

linii de control a magistralei

linii de ceas (Clock)

linii de alimentare.

Liniile de adrese şi date sunt de tip 3 stări. Liniile de întrerupere de magistrală sunt de tip colector în gol (mai multe ieşiri se pot conecta împreună).

BIM reprezintă blocul de interfaţă cu magistrala şi ea realizează legătura între un sistem monoprocesor şi un sistem multimicroprocesor. Blocul de interfaţă cu magistrala MULTIBUS conţine în principal aceleaşi elemente ca cele folosite pentru comanda magistralei locale la care se adaugă arbitrul de magistrală elaborată de firma Intel.

Modulele conectate la magistrală sunt în relaţia Master – Slave. Un modul Master poate controla magistrala externă prin preluarea liniilor acesteia (prin BIM) ca urmare a arbitrării. Un modul Slave nu poate controla magistrala externă. Modulele Slave pot fi module de memorie, de I/O ,dar şi module procesor de tip μP, la care doar memoria de pe procesor poate fi accesată şi de pe magistrala internă şi de pe cea externă. Un SMP poate avea mai mulţi Master dar la un moment dat unul singur este activ (Master curent). Un singur modul Master furnizează ceasul de magistrală care asigură o relaţie temporală sincronizând modulele pentru rezolvarea conflictelor pe magistrala externă.