Giới thiệu

Trong một hệ thống máy tính, nhiều thiết bị, chẳng hạn như CPU, bộ nhớ và bộ điều khiển I/O, được kết nối với một đường dẫn giao tiếp chung, được gọi là bus. Để truyền dữ liệu giữa các thiết bị này, chúng cần có quyền truy cập vào xe buýt. Trọng tài xe buýt là quá trình giải quyết xung đột phát sinh khi nhiều thiết bị cố gắng truy cập xe buýt cùng một lúc.

Khi nhiều thiết bị cố gắng sử dụng bus đồng thời, nó có thể dẫn đến hỏng dữ liệu và hệ thống không ổn định. Để ngăn chặn điều này, cơ chế phân xử xe buýt được sử dụng để đảm bảo rằng chỉ một thiết bị có quyền truy cập vào xe buýt tại bất kỳ thời điểm nào.

Có một số loại phương pháp trọng tài xe buýt, bao gồm trọng tài tập trung, phi tập trung và phân tán. Trong trọng tài tập trung, một thiết bị duy nhất, được gọi là bộ điều khiển xe buýt, chịu trách nhiệm quản lý quyền truy cập vào xe buýt. Trong trọng tài phi tập trung, mỗi thiết bị có mức độ ưu tiên riêng và thiết bị có mức độ ưu tiên cao nhất được cấp quyền truy cập vào xe buýt. Trong trọng tài phân tán, các thiết bị cạnh tranh để truy cập vào xe buýt bằng cách gửi tín hiệu yêu cầu và chờ tín hiệu cấp.

Trọng tài xe buýt đề cập đến quá trình mà bus master hiện tại truy cập và sau đó rời khỏi quyền kiểm soát của bus và chuyển nó đến một đơn vị xử lý yêu cầu bus khác. Bộ điều khiển có quyền truy cập vào bus tại một phiên bản được gọi là Bus master.

Xung đột có thể phát sinh nếu số lượng bộ điều khiển DMA hoặc bộ điều khiển hoặc bộ xử lý khác cố gắng truy cập bus chung cùng một lúc, nhưng quyền truy cập chỉ có thể được cấp cho một trong số đó. Chỉ một bộ xử lý hoặc bộ điều khiển có thể là Bus master tại cùng một thời điểm. Để giải quyết những xung đột này, thủ tục Bus Arbitration được thực hiện để điều phối các hoạt động của tất cả các thiết bị yêu cầu chuyển bộ nhớ. Việc lựa chọn bus master phải tính đến nhu cầu của các thiết bị khác nhau bằng cách thiết lập một hệ thống ưu tiên để có quyền truy cập vào bus. Bus Arbiter quyết định ai sẽ trở thành bus master hiện tại. 

Ứng dụng của trọng tài xe buýt trong tổ chức máy tính

Hệ thống bộ nhớ dùng chung: Trong hệ thống bộ nhớ dùng chung, nhiều thiết bị cần truy cập bộ nhớ để đọc hoặc ghi dữ liệu. Trọng tài bus cho phép nhiều thiết bị truy cập bộ nhớ mà không can thiệp vào nhau.

Hệ thống đa bộ xử lý: Trong các hệ thống đa bộ xử lý, nhiều bộ xử lý cần giao tiếp với nhau để chia sẻ dữ liệu và phối hợp xử lý. Trọng tài bus cho phép nhiều bộ xử lý chia sẻ quyền truy cập vào bus để giao tiếp với nhau và với bộ nhớ dùng chung.

Thiết bị đầu vào / đầu ra: Các thiết bị đầu vào / đầu ra như bàn phím, chuột và máy in cần giao tiếp với bộ xử lý để trao đổi dữ liệu. Trọng tài bus cho phép nhiều thiết bị đầu vào / đầu ra chia sẻ quyền truy cập vào bus để giao tiếp với bộ xử lý và bộ nhớ.

Hệ thống thời gian thực: Trong các hệ thống thời gian thực, dữ liệu cần được truyền giữa các thiết bị và bộ nhớ trong một khung thời gian cụ thể để đảm bảo xử lý kịp thời. Trọng tài xe buýt có thể giúp đảm bảo rằng việc truyền dữ liệu diễn ra trong một khung thời gian cụ thể bằng cách quản lý quyền truy cập vào xe buýt.

Hệ thống nhúng: Trong các hệ thống nhúng, nhiều thiết bị như cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển cần giao tiếp với bộ xử lý để điều khiển và giám sát hệ thống. Trọng tài xe buýt cho phép nhiều thiết bị chia sẻ quyền truy cập vào xe buýt để giao tiếp với bộ xử lý và bộ nhớ.

Có hai cách tiếp cận để phân xử xe buýt:

1. Trọng tài xe buýt tập trung -
   Một trọng tài bus duy nhất thực hiện trọng tài bắt buộc.
    
2. Trọng tài xe buýt phân tán -
   Tất cả các thiết bị tham gia vào việc lựa chọn chủ xe buýt tiếp theo.

Phương pháp trọng tài BUS tập trung

Có ba phương pháp trọng tài xe buýt:

(i) Phương pháp Daisy Chaining: Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ hơn trong đó tất cả các chủ bus sử dụng cùng một dòng để thực hiện các yêu cầu bus. Tín hiệu cấp bus lan truyền nối tiếp qua từng master cho đến khi gặp tín hiệu đầu tiên đang yêu cầu truy cập vào bus. Master này chặn sự lan truyền của tín hiệu cấp bus, do đó bất kỳ mô-đun yêu cầu nào khác sẽ không nhận được tín hiệu cấp và do đó không thể truy cập bus.
Trong bất kỳ chu kỳ bus nào, bus master có thể là bất kỳ thiết bị nào - bộ xử lý hoặc bất kỳ bộ điều khiển DMA nào, được kết nối với bus.

Thuận lợi: 

• Đơn giản và khả năng mở rộng.
• Người dùng có thể thêm nhiều thiết bị hơn ở bất kỳ đâu dọc theo chuỗi, lên đến một giá trị tối đa nhất định.

  Nhược điểm:

• Giá trị ưu tiên được gán cho một thiết bị phụ thuộc vào vị trí của bus chính.
• Độ trễ lan truyền phát sinh trong phương pháp này.
• Nếu một thiết bị bị lỗi thì toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
   

(ii) Phương pháp thăm dò hoặc Ưu tiên luân phiên: Trong đó, bộ điều khiển được sử dụng để tạo địa chỉ cho chính (ưu tiên duy nhất), số lượng dòng địa chỉ cần thiết phụ thuộc vào số lượng chính được kết nối trong hệ thống. Bộ điều khiển tạo ra một chuỗi địa chỉ chính. Khi chủ yêu cầu nhận ra địa chỉ của mình, nó sẽ kích hoạt đường dây bận và bắt đầu sử dụng xe buýt.

Ưu điểm - 

• Phương pháp này không ủng hộ bất kỳ thiết bị và bộ xử lý cụ thể nào.
• Phương pháp cũng khá đơn giản.
• Nếu một thiết bị bị lỗi thì toàn bộ hệ thống sẽ không ngừng hoạt động.

Nhược điểm - 

• Việc thêm bus master rất khó vì làm tăng số lượng dòng địa chỉ của mạch.

(iii) Phương thức ưu tiên cố định hoặc Yêu cầu độc lập -
Trong đó, mỗi master có một cặp yêu cầu bus và bus grant line riêng biệt và mỗi cặp có một mức độ ưu tiên được gán cho nó.

Bộ giải mã ưu tiên tích hợp trong bộ điều khiển chọn yêu cầu ưu tiên cao nhất và xác nhận tín hiệu cấp bus tương ứng.

‍

Ưu điểm - 

• Phương pháp này tạo ra phản hồi nhanh.

Nhược điểm - 

• Chi phí phần cứng cao như một con số lớn. của các đường điều khiển là bắt buộc.
   

Trọng tài BUS phân tán:
Trong đó, tất cả các thiết bị tham gia vào việc lựa chọn chủ xe buýt tiếp theo. Mỗi thiết bị trên xe buýt được gán một số nhận dạng 4bit. Mức độ ưu tiên của thiết bị sẽ được xác định bởi ID được tạo.

Công dụng của trọng tài BUS trong tổ chức máy tính

Trọng tài xe buýt là một quá trình quan trọng trong tổ chức máy tính có một số công dụng và lợi ích, bao gồm:

1. Sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống: Bằng cách điều chỉnh quyền truy cập vào xe buýt, trọng tài xe buýt đảm bảo rằng mỗi thiết bị đều có quyền truy cập công bằng vào tài nguyên hệ thống, ngăn chặn bất kỳ thiết bị đơn lẻ nào độc quyền xe buýt và gây ra sự cố hoặc làm chậm hệ thống.
2. Giảm thiểu hỏng dữ liệu: Trọng tài bus giúp ngăn chặn hỏng dữ liệu bằng cách đảm bảo rằng chỉ một thiết bị có quyền truy cập vào bus tại một thời điểm, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiều thiết bị ghi vào cùng một vị trí trong bộ nhớ đồng thời.
3. Hỗ trợ nhiều thiết bị: Trọng tài bus cho phép nhiều thiết bị chia sẻ một đường dẫn giao tiếp chung, điều này rất cần thiết cho các hệ thống máy tính hiện đại có nhiều thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như máy in, máy quét và thiết bị lưu trữ bên ngoài.
4. Hỗ trợ hệ thống thời gian thực: Trong các hệ thống thời gian thực, trọng tài bus là điều cần thiết để đảm bảo rằng các tác vụ có mức độ ưu tiên cao được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả. Bằng cách ưu tiên quyền truy cập vào xe buýt, trọng tài bus có thể đảm bảo rằng các nhiệm vụ quan trọng được cung cấp các nguồn lực cần thiết để thực hiện kịp thời.
5. Cải thiện độ ổn định của hệ thống: Bằng cách ngăn ngừa xung đột giữa các thiết bị, trọng tài bus giúp cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống quan trọng, nơi thời gian ngừng hoạt động hoặc hỏng dữ liệu có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.

Các vấn đề của Trọng tài BUS trong Tổ chức Máy tính

Trọng tài xe buýt là một quá trình quan trọng trong tổ chức máy tính có một số công dụng và lợi ích, bao gồm:

1. Sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống: Bằng cách điều chỉnh quyền truy cập vào xe buýt, trọng tài xe buýt đảm bảo rằng mỗi thiết bị đều có quyền truy cập công bằng vào tài nguyên hệ thống, ngăn chặn bất kỳ thiết bị đơn lẻ nào độc quyền xe buýt và gây ra sự cố hoặc làm chậm hệ thống.
2. Giảm thiểu hỏng dữ liệu: Trọng tài bus giúp ngăn chặn hỏng dữ liệu bằng cách đảm bảo rằng chỉ một thiết bị có quyền truy cập vào bus tại một thời điểm, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiều thiết bị ghi vào cùng một vị trí trong bộ nhớ đồng thời.
3. Hỗ trợ nhiều thiết bị: Trọng tài bus cho phép nhiều thiết bị chia sẻ một đường dẫn giao tiếp chung, điều này rất cần thiết cho các hệ thống máy tính hiện đại có nhiều thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như máy in, máy quét và thiết bị lưu trữ bên ngoài.
4. Hỗ trợ hệ thống thời gian thực: Trong các hệ thống thời gian thực, trọng tài bus là điều cần thiết để đảm bảo rằng các tác vụ có mức độ ưu tiên cao được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả. Bằng cách ưu tiên quyền truy cập vào xe buýt, trọng tài bus có thể đảm bảo rằng các nhiệm vụ quan trọng được cung cấp các nguồn lực cần thiết để thực hiện kịp thời.
5. Cải thiện độ ổn định của hệ thống: Bằng cách ngăn ngừa xung đột giữa các thiết bị, trọng tài bus giúp cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống quan trọng, nơi thời gian ngừng hoạt động hoặc hỏng dữ liệu có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.