Τι θα μάθεις;

Όταν ολοκληρώσεις το μάθημα αυτό, θα μπορείς: - Να ορίζεις τι είναι διάδρομος, και ποια τα χαρακτηριστικά του - Να διακρίνεις τις κατηγορίες διαδρόμων - Να περιγράφεις την μορφή των διαδρόμων σε σύγχρονους υπολογιστές

Σε ένα υπολογιστικό σύστημα τα επιμέρους υποσυστήματα πρέπει να διασυνδέονται μεταξύ τους για να ανταλλάσσουν δεδομένα. Για παράδειγμα, η κεντρική μνήμη επικοινωνεί με τον επεξεργαστή, όπως και οι περιφερειακές μονάδες. Αυτό γίνεται με την ύπαρξη του διαδρόμου (bus), δηλαδή ενός συνόλου παράλληλων καλωδίων στα οποία συνδέονται οι επιμέρους μονάδες. Το κύριο πλεονέκτημα του διαδρόμου είναι η ευκολία με την οποία μπορούμε να τον επεκτείνουμε προσθέτοντας επιπλέον περιφερειακές μονάδες. Απλά συνδέουμε την αντίστοιχη μονάδα σε μια κενή θέση, η οποία πρέπει να ακολουθεί το συγκεκριμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας.

Με τον όρο πρωτόκολλο επικοινωνίας διαδρόμου (bus communication protocol) αναφερόμαστε στο σύνολο των κανόνων που καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ανταλλαγή σημάτων και δεδομένων μεταξύ δυο περιφερειακών μονάδων που είναι διασυνδεδεμένες μέσω του διαδρόμου αυτού.

Ο διάδρομος αποτελείται από τις γραμμές ελέγχου (control) και τις γραμμές δεδομένων (data).

- Οι γραμμές ελέγχου χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση των σημάτων ελέγχου, τα οποία καθορίζουν ποια μονάδα αποστέλλει δεδομένα, ποια μονάδα έχει τον έλεγχο των γραμμών δεδομένων, τι είδους δεδομένα μεταδίδονται κλπ.

- Οι γραμμές δεδομένων του διαδρόμου μεταφέρουν δυαδικές πληροφορίες από τη συσκευή-αποστολέα στη συσκευή-παραλήπτη. Οι δυαδικές πληροφορίες μπορεί να είναι εντολές προγράμματος, διευθύνσεις μνήμης ή ψηφιακά δεδομένα όπως για παράδειγμα περιεχόμενα του δίσκου.

Αν ο δίσκος θέλει να γράψει κάποια δεδομένα στη μνήμη, οι γραμμές δεδομένων θα περιέχουν στην αρχή τη διεύθυνση της μνήμης στην οποία θα γίνει η εγγραφή και κατόπιν τα δεδομένα του δίσκου. Στην αρχή οι γραμμές ελέγχου θα περιέχουν το σήμα ελέγχου που καθορίζει ότι στο διάδρομο δεδομένων περιέχεται διεύθυνση και στη συνέχεια ένα άλλο σήμα ελέγχου που θα δηλώνει ότι πλέον περιέχονται δεδομένα. Σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένα «διευρυμένο» είδος διαδρόμου, όπου οι γραμμές διευθύνσεων είναι ξεχωριστές από τις γραμμές δεδομένων. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις δεδομένα και διευθύνσεις μεταφέρονται από το ίδιο σύνολο γραμμών με τα κατάλληλα σήματα ελέγχου να διαφοροποιούν την κάθε μετάδοση.

Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός διαδρόμου είναι η ταχύτητα ή συχνότητα μετάδοσης των bits (bus clock, bandwith), το εύρος του (bus width) και ο χρόνος αδράνειας (bus latency).

- Ταχύτητα διαδρόμου ονομάζεται η ποσότητα των δυαδικών δεδομένων που μεταδίδονται σε μία μονάδα χρόνου. Η ταχύτητα μετριέται σε bits ανά δευτερόλεπτο. Ειδικά για διαδρόμους που η μετάδοση γίνεται σε προκαθορισμένους παλμούς ενός ρολογιού, αντί του όρου ταχύτητα συχνά χρησιμοποιούμε τον όρο συχνότητα του διαδρόμου, η οποία μετριέται σε Hz. Έτσι ένας διάδρομος με ρολόι 33 MHz σημαίνει ότι μπορεί να μεταδίδει σε κάθε γραμμή του 33 εκατομμύρια bits το δευτερόλεπτο.

- Χρόνος αδράνειας ονομάζεται ο χρόνος που χρειάζεται για τη μετάδοση του πρώτου τμήματος δεδομένων από το ένα σημείο του διαδρόμου στο άλλο, από το δίσκο στη κεντρική μνήμη, από την κεντρική μνήμη στη λανθάνουσα μνήμη κλπ. Ο χρόνος αδράνειας εξαρτάται από το μήκος του διαδρόμου μεταξύ των δύο σημείων. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος, και όσο περισσότερες μονάδες παρεμβάλλονται στο διάδρομο, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος αυτός.

- Εύρος διαδρόμου ονομάζεται το πλήθος των παράλληλων γραμμών που αποτελούν το διάδρομο. Το εύρος αντιπροσωπεύει τον αριθμό των bits που μεταδίδονται ταυτόχρονα και κυμαίνεται από 8 έως 64 ή και πολλές φορές 128 bits. Πάντα λόγω του μεγέθους των δεδομένων, το εύρος είναι πολλαπλάσιο του μήκους λέξης ενός υπολογιστή. Το εύρος του διαδρόμου επί την ταχύτητά του μας δίνουν το μέγιστο αριθμό των bytes που μεταδίδονται από όλα τα κανάλια του διαδρόμου, παράλληλα, και ονομάζεται διαμεταγωγή (throughput). Η τιμή αυτή είναι η μέγιστη δυνατή, καθώς στην πράξη ο όγκος των πληροφοριών που μεταδίδονται στη μονάδα του χρόνου είναι μικρότερος.

Οι διάδρομοι ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες: τους διαδρόμους μνήμης-επεξεργαστή (memory-CPU bus), τους διαδρόμους εισόδου-εξόδου (input-output bus) και τους επίπεδους διαδρόμους (flat bus).

Οι διάδρομοι μνήμης-επεξεργαστή έχουν μικρό μήκος, πολύ μεγάλες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων και ο χρονισμός τους εξαρτάται από την ταχύτητα ανάκτησης δεδομένων από τη μνήμη.

Οι διάδρομοι εισόδου-εξόδου, διασύνδεουν περιφερειακές μονάδες διαφορετικού τύπου και ποικίλων ταχυτήτων μετάδοσης δεδομένων. Σε αντίθεση με τους διαδρόμους μνήμης-επεξεργαστή, έχουν μεγάλο μήκος, και μικρή συνήθως ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων καθώς χρησιμοποιούνται από αργές περιφερειακές συσκευές. Οι διάδρομοι εισόδου-εξόδου δε συνδέονται κατευθείαν με την μνήμη ή τον επεξεργαστή. Επικοινωνούν με αυτά μέσω ξεχωριστού διάδρομου κατηγορίας μνήμης-επεξεργαστή μέσω ειδικού προσαρμοστικού κυκλώματος το οποίο ρυθμίζει την επικοινωνία μεταξύ μονάδων με διαφορετική συχνότητα λειτουργίας.

Τέλος, οι επίπεδοι διάδρομοι, διασύνδεουν όλων των ειδών τις συσκευές στο ίδιο φυσικό κανάλι. Έτσι επεξεργαστής, μνήμη, υποσύστημα γραφικών, δίσκοι και άλλες περιφερειακές συσκευές είναι συνδεδεμένες στο ίδιο σύνολο γραμμών και επικοινωνούν. Λόγω του διαφορετικού είδους των συσκευών που συνδέονται πάνω στο ίδιο φυσικό κανάλι, οι διάδρομοι της κατηγορίας αυτής έχουν περιορισμένο εύρος και ταχύτητες μετάδοσης. Συνήθως υπάρχουν ειδικά προσαρμοστικά κυκλώματα με σκοπό να προσαρμόζουν αργές περιφερειακές συσκευές καθώς και γρήγορες μονάδες όπως οι μνήμες ή ο επεξεργαστής.

Τα περισσότερα υπολογιστικά συστήματα, κυρίως οι υπερυπολογιστές, χρησιμοποιούν συνδυασμό και των τριών κατηγοριών διαδρόμων: Υπάρχει ένας διάδρομος μνήμης-επεξεργαστή που διασυνδέεται με έναν ή περισσότερους διάδρομους εισόδου-εξόδου μέσω ειδικών προσαρμοστών. Η διάταξη αυτή προσφέρει το πλεονέκτημα της γρήγορης επικοινωνίας επεξεργαστή και κεντρικής μνήμης, καθώς και επικοινωνία σταθερού ρυθμού για τις περιφερειακές μονάδες.