Una Aportación al estudio de la emulación de buses

Abstract

A lo largo del tiempo se ha producido una evolución desde los ordenadores más antiguos, en las que el bus de expansión tenía muy pocas variaciones con respecto al bus del procesador hasta los sistemas actuales, que incorporan una estructura jerárquica de m&uac ute;ltiples buses conectados entre si mediante unos puentes (bridges), los cuales emulan un bus a partir de otro. No obstante, el funcionamiento de estos dispositivos emuladores de buses repercute negativamente en el rendimiento global del sistema y esta repercusión debe ser objeto de análisis. Así pues, el presente trabajo persigue dos objetivos:-Sistematización de los distintos contextos en los que se realiza la emulación de buses y del diseño de los puentes.-Evaluación del rendimiento del sistema en su conjunto, incluyendo los dispositivos de entrada/salida (E/S).En primer lugar realizamos un análisis en profundidad sobre la emulación de buses, revisando los objetivos que se persiguen con esta técnica, los métodos que se emplean y los contextos donde se realiza la emulación de buses. Posteriormente realizamos aportaciones a nuestro estudio:Capítulo 2. En primer lugar, se describen las características que a nuestro juicio nos parecen deseables para un bus actual. Posteriormente, se revisan las características más importantes de los buses más significativos en cuanto a su uso en el entorno industrial o en el ámbito de la informática personal. Asimismo, se realiza una comparación a modo de síntesis entre los distintos buses estudiados. A partir del estudio realizado se puede constatar cómo aquellas características propias de un bus concreto que por algún motivo resultan ser interesantes (independencia del procesador, autoconfiguración, transferencias en modo ráfagas, etc.) se incorporan en el diseño de buses posteriores.Capítulo 3. Consiste en una introducción general a la emulación de buses, en la que principalmente se explican los objetivos a conseguir (interfaz con un bus estándar y actualización de sistemas obsoletos), las técnicas a emplear y los diferentes contextos en los que ésta se realiza. Las dos técnicas generales para realizar la emulación de buses son la inclusión de direcciones y la utilización de módulos de entrada/salida. Al estudiar los distintos contextos de la emulación de buses, se explican las posibles técnicas a utilizar y las más adecuadas en cada caso particular.Capítulo 4. Mientras que los dos capítulos anteriores son introductorios, en éste realizamos la primera aportación a nuestro estudio. Para ello trataremos de responder a la siguiente pregunta: ¿Existe alguna metodología sistemática para diseñar módulos de entrada/salida que realicen emulación de buses? Asimismo, se desarrollan dos aplicaciones der la técnica de emulación de buses mediante módulos de entrada/salida para actualizar un robot industrial cuya unidad de control está obsoleta. En concreto, se sustituye el procesador de la misma por un ordenador personal, cuyas capacidades (fundamentalmente mayor velocidad de proceso y gran capacidad de memoria) convierten al robot anterior en un sistema abierto que se puede utilizar como plataforma de experimentación en robótica, y en la cual se pueden ensayar nuevos algoritmos de control y de generación de trayectorias. Capítulo 5. Pretendemos ampliar y mejorar la técnica de emulación de buses mediante módulos de entrada/salida. En este caso, la pregunta que oriente nuestra investigación es la siguiente: ¿Es posible aplicar las técnicas de acceso directo a memoria para aumentar las prestaciones de los dispositivos de entrada/salida que realizan emulación de buses? En concreto, se diseñan dos puentes (ISA/MC68000 y PCI/MC68000) con el fin de mejorar las comunicaciones entre el ordenador personal (sistema sustituto) y el robot industrial mediante la realización de transferencias en modo ráfaga y la aplicación de las técnicas de acceso directo a memoria. Posteriormente, se efectúa el correspondiente análisis de prestaciones para cuantificar la mejora del rendimiento que aportan los dos puentes diseñados con respecto a los interfaces que realizan la emulación por ciclos y además, comparar el rendimiento de ambos puentes. Capítulo 6. Para que nuestro estudio resulte más completo, todavía cabe preguntarse en qué medida el funcionamiento de un interfaz emulador con acceso directo a memoria influye en el rendimiento del procesador del sistema sustituto al cual está conectado. En realidad, se trata de un estudio que puede extenderse a aquellos periféricos que están funcionando dentro de un ordenador comparten con el procesador el uso de la memoria. Dicho estudio también puede formularse a modo de pregunta, a la cual intentaremos responder en este capítulo: ¿Cómo influyen las operaciones que realizan los dispositivos de entrada/salida en el rendimiento de los procesadores? Para realizar nuestro estudio, se desarrollan dos programas simuladores. El primero de ellos modela un procesador superescalar con diversos parámetros configurables relativos a su arquitectura (número, tipos y latencias de las unidades funcionales, reglas de emisión de instrucciones, características de las memorias cache, etc.) y el segundo simula las distintas situaciones (escenarios) en las cuales el procesador anterior ejecutará el programa de prueba. De este modo, se pretende evaluar el rendimiento de cuatro procesadores diferentes (de grado dos y cuatro de superescalaridad, con recursos infinitos y limitados) en cinco escenarios de entrada/salida (captura de vídeo, captura de vídeo con reproducción, red de alta velocidad, transmisión serie y puente PCI/MC68000). El último escenario corresponden al segundo de los puentes diseñados en el capítulo anterior, y la evaluación de la influencia que ejerce su funcionamiento en el rendimiento del procesador del sistema sustituto supone un estudio complementario al análisis de prestaciones de dicho puente.Tras el capítulo 6 se exponen las conclusiones que se han obtenido a partir del trabajo realizado y las líneas de investigación que quedan abiertas para futuros estudios que continúen la labor realizada. De este modo, con los apéndices correspondientes finaliza esta Tesis para obtener el grado de Doctor en Informática.