버스 중재

버스 경합(bus contention) : 한 개의 시스템 버스에 접속된 여러 개의 버스 마스터들이 동시에 버스 사용을 요구하는 현상

버스 중재(bus arbitration) : 버스 경합이 발생하는 경우, 어떤 기준에 따라 버스 마스터들 중에서 한 개씩만 선택하여 순서대로 버스를 사용할 수 있게 해주는 동작

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버스 중재기(bus arbiter) : 버스를 중재하는 하드웨어 모듈

버스 중재 방식의 분류

제어 신호들의 연결 구조에 따른 중재 방식의 분류

병렬 중재 방식(parallel arbitration scheme)

각 버스 마스터들이 독립적인 버스 요구 신호와 버스 승인 신호를 발생 버스 마스터들의 수와 같은 수의 버스 요구 선 및 승인 신호 선 필요

직렬 중재 방식(serial arbitration scheme)

버스 요구와 승인 신호 선이 각각 한 개씩만 존재하며, 각 신호 선을 버스 마스터들 간에 직렬로 접속하는 방식

버스 중재 방식의 분류

버스 중재기의 위치에 따른 분류

중앙집중식 중재 방식(centralized arbitration scheme)

시스템 내에 버스 중재기가 한 개만 존재하는 방식

버스 마스터들이 발생하는 버스 요구 신호들은 하나의 중재기로 보내지고, 중재기는 정해진 중재원칙에 따라 선택한 버스마스터에게 승인신호를 발생

분산식 중재 방식(decentralized arbitration scheme)

여러 개의 버스 중재기들이 존재하며(일반적으로 각 버스 마스터가 중재기를 한 개씩 가짐), 버스 중재 동작이 각 마스터의 중재기에 의하여 이루어지는 방식

병렬 중재 방식

우선순위의 결정 방식에 따른 분류

고정-우선순위 방식(fixed-priority scheme) : 각 버스 마스터에 지정된 우선순위가 고정되어 있는 방식

가변-우선순위 방식(dynamic-priority scheme) : 우선순위를 변경할 수 있는 방식

1) 중앙집중식 고정-우선순위 중재방식

모든 버스 마스터들이 버스 중재기에 접속

중재기와 가장 가까이 위치한 버스 마스터 1이 가장 높은 우선순위, 버스 마스터 4가 가장 낮은 우선순위를 가지는 것으로 가정

[예] 버스마스터 1이 버스 사용중일 때, 버스마스터 3이 버스 사용을 요구

마스터 3이 BREQ3 신호를 세트

버스 중재기가 마스터 3에게 BGNT3 신호를 세트하여 버스 사용을 허가

마스터 1이 버스 사용을 끝내고 BBUSY 신호를 해제

마스터 3이 BBUSY 신호를 다시 세트하고 버스 사용을 시작. 이때 BREQ3와 BGNT3는 제거됨

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병렬 중재기의 내부 회로도

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2) 분산식 고정-우선순위 방식

모든 버스 마스터들이 중재기를 한 개씩 보유

중재 동작

각 중재기는 자신보다 더 높은 우선순위를 가진 마스터들의 버스 요구 신호들을 받아서 검사하여, 그들이 버스 사용 요구를 하지 않은 경우에만 자신의 버스 마스터로 버스 승인 신호 발생

승인 신호를 받은 버스 마스터는 BBUSY 신호를 검사하여서 해제된 상태(다른 마스터가 버스를 사용하지 않는 상태)일 때 버스 사용을 시작

분산식 중재 방식의 장단점

[장점] 중앙집중식에 비하여 중재 회로가 간단하므로 동작 속도가 빨라진다

[단점] 고장을 일으킨 중재기를 찾아내는 방법이 복잡하고, 한 중재기의 고장이 전체 시스템의 동작에 영향을 미칠 수가 있다

분산식 고정-우선순위 방식의 구성도

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3) 가변 우선순위 방식

시스템의 상태(또는 조건)에 따라 각 버스 마스터들의 우선순위를 계속 변화시키는 방식

[단점] 중재 회로 복잡

[장점] 모든 마스터들이 공정하게 버스를 사용할 수 있게 해준다

회전 우선순위(rotating priority) 방식

[방법1] 중재 동작이 끝날 때마다 모든 마스터들의 우선순위가 한 단계씩 낮아지고, 가장 우선순위가 낮았던 마스터가 최상위 우선순위를 가지도록 하는 방법

[방법2] 일단 버스 사용 승인을 받은 마스터는 최하위 우선순위를 가지며, 바로 다음에 위치한 마스터가 최상위 우선순위를 가지도록 하는 방법 Acceptance-dependent식 회전 우선순위 방식

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회전 우선순위 방식

임의 우선순위 방식 : 각 중재 동작이 끝날 때마다 우선순위를 임의로 결정.

동등 우선순위 방식 : 모든 마스터들이 동등한 우선순위를 가지며, FIFO(First-In First-Out) 알고리즘 사용

최소-최근 사용(Least-Recently Used: LRU) 방식 : 최근 가장 오랫동안 버스를 사용하지 않은 버스 마스터에게 최상위 우선순위 할당

[단점] 회로가 매우 복잡

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직렬 중재 방식

1) 중앙집중식 직렬 중재 방식

하나의 중재 신호선(BGNT)이 데이지-체인(daisy-chain)형태로 모든 버스 마스터들을 직렬로 연결

우선순위는 버스 승인 신호선이 연결된 순서대로 결정

동작 원리

한 개 또는 그 이상의 버스 마스터가 버스 사용을 요구하면 공통의 BREQ 신호가 세트

버스 중재기 : 데이지 체인의 첫 번째에 접속된 마스터로 승인 신호(BGNT) 전송

BGNT 신호를 받은 마스터는 만약 버스 사용을 요구한 상태라면, 버스 사용권을 가짐

만약 버스 사용을 요구하지 않은 상태라면, 승인 신호를 다음에 연결된 마스터로 통과

승인 신호는 버스를 요구한 마스터에게 도달할 때까지 계속 통과 버스 요구를 보낸 마스터들 중에서 중재기에 가장 가까이 위치한(우선순위가 가장 높은) 마스터에게 승인 신호가 전달되면 그 마스터가 버스 사용권을 획득

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중앙집중식 직렬 중재 방식의 구성도 (데이지 체인)

2) 분산식 직렬 중재 방식

구성

데이지-체인 버스 승인 신호(daisy-chained bus grant signal: DBGNT)가 버스 중재기들을 순환형(circular)으로 접속

동작 원리

버스 사용권을 부여 받은 마스터가 버스 사용을 시작하는 순간에 (그 마스터의 중재기가) DBGNT 신호를 세트하여 자신의 바로 우측에 연결된 마스터의 중재기로 전송

만약 그 마스터가 버스 사용을 신청하고 기다리던 중이었다면, 중재기는 즉시DBGNT 신호를 받아들여서 BGNT 신호를 발생시켜 마스터로 전송

DBGNT 신호를 받은 마스터가 버스 요구를 하지 않은 상태라면, 그 신호를 우측의 다음 중재기로 통과시키고, 그러한 과정은 버스를 요구한 마스터에 도달할 때까지 반복

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분산식 직렬 중재 방식

특징 : 각 마스터의 우선순위가 계속 변화

버스 사용 승인을 받으면 다음 중재 동작에서는 최하위 우선순위를 가짐

버스를 사용한 마스터의 바로 우측에 위치한 마스터가 최상위 우선순위를 가짐

순환형 구조에서 DBGNT 신호가 연결된 순서대로 우선순위가 하나씩 감소

단점 : 어느 한 지점에만 결함이 발생해도 전체 시스템의 동작 중단

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폴링 방식

폴링 방식(polling scheme)의 원리

버스 사용을 원하는 마스터가 있는지를 버스 중재기가 주기적으로 검사하여 사용 승인 여부를 결정

1) 하드웨어 폴링 방식

버스 중재기와 각 버스 마스터 간에 별도의 폴링 선(polling line)이 존재

2진 코드화된 폴링 주소(binary encoded polling address)를 이용하면, 폴링 선의 수가 log2N 개로 감

공통의 BREQ 선과 BBUSY 선이 각각 한 개씩 존재

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동작 순서

중재기는 폴링 주소를 발생하여 검사할 마스터를 지정한 다음에, 그 마스터가 버스 사용을 원하는지 묻는다

지정된 마스터가 버스 사용을 원하면 BREQ 신호를 세트

BREQ 신호가 세트되면, 중재기는 현재 검사 중인 마스터에게 버스 사용을 허가하고, 그렇지 않으면(지정된 마스터가 버스 사용을 원하지 않으면) 다음 마스터들에 대한 검사를 순서대로 진행

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우선순위 결정 방법

중재기가 마스터를 검사하는 순서에 의하여 결정되며, 검사할 마스터의 번호는 2진 카운터(binary counter)를 이용하여 발생

하드웨어 폴링 방식의 구성도

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2) 소프트웨어 폴링 방식

동작 원리

폴링의 순서와 과정을 버스 중재기내의 프로세서가 관장하는 방식

단점

프로그램을 실행해야 하므로 하드웨어 방식에 비하여 속도가 더 느림

장점

우선순위(폴링 순서)의 변경이 용이

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