컴퓨터 구조 - 버스 중재

컴퓨터 구조 - 버스 중재

 

CPU, 주기억장치, 모니터, 키보드, 프린터, 캐시의 작동은 전부 "시스템 버스"를 통해서 작동이 된다.

이 시스템 버스의 종류에는 3가지(데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스)가 존재한다.

 

그리고 시스템 버스에 접속되는 요소들 중에서 이러한 버스 사용의 주체가 되는 요소들을 "버스 마스터"라고 부른다.

 

버스 마스터들은 한 순간에 한 개의 버스 마스터만 시스템 버스를 이용할 수 있기 때문에 우리는 "버스 중재"를 해주어야 한다.

 

오늘 배워볼 내용은 버스 중재이다.

 

버스 중재

- 두 개 이상의 버스 마스터들이 동시에 버스 사용을 요청할 경우에 순서를 결정해주는 시스템 동작.

 

버스를 중재하기 위해서는 3가지 제어 신호가 필요하다. (버스 요구 신호, 버스 승인 신호, 버스 사용중 신호).

 

그렇다면 시스템버스에서 데이터를 전송하는 방법은 어떤 것이 있을까?

 

종류눈 두 가지이다. 읽기동작을 예시로 두 가지 버스를 설명하고자 한다.

 

 

1) 동기식 버스

-> 공통의 버스 클록을 기준으로 결정되는 버스

->

1)CPU가 주소와 읽기 제어 신호를 보낸다. -> 이때 버스 동작의 시작을 알리는 신호가 함께 보내진다. ->

2) 기억장치에서 데이터 인출 동작이 일어나며 ->

3) 기억장치가 인출된 데이터를 버스를 통하여 CPU로 전송한다.

4) 기억장치는 전송 확인 신호를 보내고, 종료한다.

 

동기식 버스는 공통의 버스 클록을 중심으로 하기에 인터페이스 회로가 간단하다.

하지만 공통의 클록이 가장 시간이 긴 클록으로 맞춰져 있기 때문에 짧은 시간이 걸리는 동작은 클록이 기다려야 한다는 단점이 있다.

 

2) 비동기식 버스

-> 버스 동작의 발생 여부에 따라 결정되는 버스

->

1) CPU가 주소와 읽기 제어 신호를 보낸다->

2) 주소와 제어 신호가 보내졌음을 알리는 MSYN 신호를 보내고, 데이터를 인출하고 버스에 싣는다.

3) 그 이후 SSYN 신호를 보냄으로써 응답하게 된다.

4) CPU는 SSYN 신호를 받아들인 즉시 MSYN 신호를 제거하고 종료된다.

 

본론으로 들어가보자.

 

이번장에서 학습할 내용은 버스 중재의 방식들이다.

 

몇가지 키워드들을 학습하자.

 

버스 중재기 : 버스 중재 기능을 수행하는 하드웨어 모듈

 

버스 경합 : 두 개 이상의 버스 마스터가 동시에 버스 사용을 위해 경쟁하는 상황.

 

중앙집중식 중재 방식 : 버스 중재기가 한 개만 존재하며. 모든 중재 기능은 이 중재기에 의해 이루어진다.

 

분산식 중재 방식 : 여러 개의 버스 중재기들이 존재한다.

 

우리는 중앙집중식과 분산식을 직렬 병렬과 결합하여 학습할 것이다.

 

1. 병렬 중재 방식

 

1.1 ) 중앙 집중식 고정- 우선순위 방식

 

 

버스 중재기가 하나이며 우선순위가 변화하지 않는 방식이다. 이 방식에서는 각 버스 마스터가 버스 요구 선을 가지고 있고 이들은 모두 하나의 버스 중재기로 접속이 된다. 여러 개의 버스 요구 신호를 받은 후 우선순위가 가장 높은 버스 마스터에게 BNGT 신호를 세트해준다. 그 후 BBUSY 신호가 세트되면서 이 신호가 해제될 때 승인된 신호가 세트되는 구조이다.

 

핵심은 각 마스터에 대한 BGNT 신호는 더 높은 우선순위를 가진 마스터가 버스 요구를 발생하지 않은 상태에서 BREQ를 1로 세트했을 때만 활성화 될 수 있는 것이다.

 

 

 

 

1.2) 분산식 고정-우선순위 방식

 

모든 버스 마스터들이 중재기를 한 개씩 갖고 있다.

이 방식도 마찬가지로 우선순위가 높은 마스터가 BREQ를 보낸 상태일 때 우선순위가 상대적으로 낮은 마스터는 BGNT신호를 세트할 수 없다는 점이다. 

 

분산식 고정-우선순위 중재방식은 중앙집중식에 비해서 중재 회로가 간단하며 동작 속도가 빠르다.

하지만 고장을 일으킨 중재기를 찾아내는 방법이 어렵고, 하나의 고장이 전체 시스템 동작에 영향을 끼칠 수 있다는 단점을 가지고 있다.

 

 

1.3) 가변 우선순위 방식

 

- 이 방식은 버스 중재기가 시스템의 상태에 따라 각 버스 마스터들의 우선순위를 계속 바꾸어주는 방식이다. 이 방식은 우선순위가 낮은 것은 사용이 안되는 기근 현상을 방지하기 위한 방식이다.

 

가변 우선순위 방식의 예로 회전 우선순위 방식이 있다.

버스 사용 승인을 받은 마스터는 최하위 우선순위를 가지며 바로 다음에 위치한 마스터가 최상위 우선순위를 가지도록 하는 방법이다. 이를 "acceptance-dependent식 회전 우선순위 방식"이라고 한다.

 

2. 직렬 중재 방식

 

2.1) 중앙집중식 직렬 중재 방식

 

모든 버스 마스터들이 직렬로 연결되어 "데이지 체인"형태를 이룬다. 대체로 버스 중재기와 가까울 수록 우선순위가 높은 것으로 설정된다. 

구조는 항상 첫번째 마스터가 승인신호를 먼저 받기 때문에 첫번째 마스터가 요구 신호를 보냈는지 확인해야 하는 구조이다. 이때 요구 신호를 보냈으면 1번을 통해 BBUSY를 세트시켜주고, 요구하지 않았다면 다음 버스마스터로 승인신호를 넘겨준다.

 

중요한 것은

1) BBUSY 신호가 해제될 때까지 버스 마스터들이 요구 신호를 보내지 않도록 하는 것이나,

2) 버스 요구 신호는 항상 발생시킬 수 있지만, 승인 신호를 받은 후에도 BBUSY 신호가 해제될 때까지는 버스를 사용할 수 없게 하는 것 둘 중 하나를 골라야 하는 것이다. 

 

첫번째 방법은 버스 마스터가 승인 신호를 받는 즉시 버스 사용을 시작할 수 있지만 두 번째 경우는 승인을 바고도 완료할 때까지 기다려야 한다.

 

2.2) 분산식 직렬 중재 방식

 

 

이는 데이지-체인 버스 승인 신호들이 위 그림과 같이 순환형으로 접속된 형태이다. 

중앙 집중식은 버스 마스터들이 직렬로, 분산식은 버스 중재기들도 직렬로 되어있는 것을 볼 수 있다. 

이 방식의 장점은 마스터의 우선순위가 계속 변한다는 것이다. 단점은 분산식이므로 한 지점에 결함이 생기면 전체적으로 문제가 생길 수 있다는 점이다.

 

 

3. 폴링 방식

-버스 중재기가 각 마스터들이 버스 사용을 원하는지 주기적으로 검사하여 버스 승인 여부를 결정하는 방식.

- 폴링 순서와 중재 동작이 모두 중재기의 내부에 있다.

 

3.1) 하드웨어 폴링 방식

 

폴링 방식에는 각 마스터들에게 연결된 폴링 선들이 존재하는데 이들은 일대일 대응으로 개수가 필요하다. 하지만 2진 코드화된 폴링 주소를 사용하면 log2의 N개로 줄일 수 있다. 

 

1) 중재기가 폴링 주소를 발생해 검사할 마스터 지정하고, 그 마스터가 버스 사용을 원하는지 묻는다.

2) 지정된 마스터가 버스 사용을 원하면 BREQ 신호 세트

3) BREQ 신호가 세트되면, 중재기는 현재 검사 중인 마스터에게 버스 사용을 허가한다.

 

검사할 마스터의 번호를 지정하는 메커니즘은 2진 카운터를 이용하여 구현한다.

 

 

3.2) 소프트웨어 폴링 방식

- 하드웨어 폴링 방식과 비슷하지만, 중재기에 프로그램을 실행할 수 있는 프로세서가 포함되어 있어 지능을 가지고 있다는 점이 차이점이다.

즉 하드웨어가 아닌 프로세서에 의해 조정되는 방식이다. 이는 융통성이 더 높다는 장점이 있다. 결함에 대처하는 능력도 뛰어나며 다음에 폴링할 마스터의 주소를 기억할 수 있는 뛰어난 점이 있지만, 중재에 소요되는 시간이 비교적 길다는 장점이 있다.