16_总线

1. 总线结构

• 数据线：在系统组件之间传输数据
  • 数据线的数量决定了一次可以传输的数据的大小
• 地址线：在数据线和地址I/O端口上指定数据的来源和去向
  • 地址线的数量决定了寻址空间的大小
• 控制线：控制对数据线和地址线的存取和使用
  

2. 总线上数据传输的特点

• 总线可以被多个设备监听，但同一时刻只能由一个设备发送数据；如果同一时刻多个设备同时发送数据，会造成数据之间的混淆

• 使用总线进行数据传输

  • 如果连在总线上的某个设备希望向另一个设备发送数据，需要：
    • 获得总线的使用权
    • 通过总线传送数据
  • 如果连在总线上的某个设备希望向另一个组件请求数据，需要：
    • 获得总线的使用权
    • 通过总线向另一个设备发送请求，等待另一个设备发送数据

• 当总线在被使用过程中，其它设备不可以抢占

3. 设计要素

3.1. 用途

• 专用总线dedicated：始终只负责一项功能，或始终分配给特定的计算机组件
  • 优点：高吞吐量，减少总线冲突
  • 缺点：增加了系统的规模和成本
• 复用总线multiplexed
  • 优点：使用的布线数量少，节省空间和成本
  • 缺点：每个模块需要更复杂的控制电路，且共享可能会降低性能

3.2. 仲裁

仲裁方案

• 集中式：由仲裁器（arbiter）或总线控制器 （bus controller）负责分配总线使用权
  • 链式查询 / 菊花链（daisy chain）
  • 计数器查询（query by a counter）
  • 独立请求（independently request）
• 分布式（distributed）：每个设备都包含访问控制逻辑，各设 备共同作用分享总线
  • 自举式（self selection）
  • 冲突检测（collision detection）

3.2.1. 链式查询

• 所有的设备都是串行连接的，并将允许信号从优先级最高的设备下发到优先级最低的设备

• 总线仲裁器收到请求后，在总线不忙的前提下，发起允许信号

• 如果某个设备收到了允许信号并且发起了总线请求，该设备将总线设置为繁忙状态，允许信号将不再被进一步传递

• 优点

  • 确定优先级简单
  • 可以更灵活地添加设备

• 缺点

  • 不保证公平性
  • 对电力故障敏感
  • 限制总线速度

3.2.2. 计数器查询

• 将总线允许线替换为设备ID线

• 如果总线空闲，总线仲裁器通过设备ID线发送计数

• 如果当前发送请求的设备ID等于裁决器当前的计数，裁决器将停止计数，设备将总线设置为忙

• 优点

  • 通过使用不同的初始计数，可以灵活地确定设备优先级
    • 强调优先级：从1开始
    • 强调公平性：从下一个设备的ID开始
  • 对电路故障不敏感

• 缺点

  • 需要添加设备ID线
  • 需要解码和比较设备ID信号
  • 限制总线的速度

3.2.3. 独立请求

• 每个设备都有自己的总线请求线和总线允许线
• 当一个设备请求总线时，它通过总线请求线将请求信号发送给总线仲裁器
• 总线仲裁器决定哪个设备可以使用总线
  • 确定策略：固定优先级，公平链式，LRU，FIFO，…
• 优点
  • 快速响应
  • 可编程的优先级
• 缺点
  • 复杂的控制逻辑
  • 更多的控制线路

3.2.4. 自举式

• 固定优先级
• 每个设备在其总线请求线上发送请求
  • 最低优先级的设备没有请求线，使用Busy线
• 每个设备自行判断自己是否在请求总线的设备中优先级最高

优先级：0<1<2<3

3.2.5. 冲突检测

• 当一个设备想要使用总线时，它会检查总线是否繁忙
  • 如果总线空闲，设备使用总线
• 冲突：如果两个设备发现总线空闲，它们可能同时使用总线
  • 在传输数据时，设备会监听总线，检查是否存在冲突
  • 如果发生冲突，所有使用总线的设备将停止数据传输，并分别在随机间隔时间后再次请求总线

3.3. 时序

确定每个总线事务的开始和结束时间
总线事务：地址+数据+…+数据

3.3.1. 同步时序

• 同步时序：事件的发生由时钟决定
• 优点
  • 跟容易实现和测试
• 缺点
  • 所用设备共享一个时钟
  • 总线长度受到时钟偏差影响

3.3.2. 异步时序

• 异步时序：一个事件的发生取决于前一个事件的发生

• 握手策略
  

• 异步数据传输
  

• 优点

  • 可以灵活协调不同设备

• 缺点

  • 逻辑接口复杂
  • 对噪声敏感

3.3.3. 半同步时序

• 半同步：同步时序和异步时序相结合。为了减少噪声的影响，在异步计时中使用时钟
  • 准备和响应信号在时钟上升沿有效

3.3.4. 分离事务

• 分离事务：设备准备数据期间释放总线，将一个总线事件分离为两个过程
• 优点
  • 增加总线利用率
• 缺点
  • 增加每个总线事件的持续时间和系统复杂度

3.4. 总线带宽和数据传输速率

• 总线带宽（bus bandwidth）：总线的最大数据传输速率。理想化。
• 传输速率：考虑地址传输，握手等。
• 总线宽度（bus width）：组成总线的线数
  • 数据总线越宽，一次传输的数据位数就越多
  • 地址总线越宽，一次传输的地址位数就越多
• 单位：Mbps
  • M为，形容bps
  • 只有在表示存储时才用mb，kb
  • k m g t p

3.4.1. 例：同步总线和异步总线的数据传输速率

3.4.2. 例：不同数据块大小的数据传输速率

3.5. 提高总线的数据传输率

• 提高时钟频率
• 增加数据总线宽度
  • 每次传输更多的数据（成本：更多的总线线路）
• 块传输
  • 传输一次地址就传输一块数据（成本：高复杂性）
• 分离总线事务
  • 减少总线空闲时间（成本：复杂性高，增加每个事务的持续时间）
• 分离地址线和数据线
  • 同时传输地址和数据（成本：更多的总线线路）

3.6. 层次结构

3.6.1. 单总线结构

• CPU、存储器和 I/O 模块都连接到一条系统总线
• 优点：简单，易于扩展
• 缺点
  • 连接的设备越多，总线长度越大，传输延迟也就越大
  • 聚集的传输请求接近总线容量时，总线成为瓶颈

3.6.2. 双总线结构I

• 在CPU和存储器中间增加一个存储器总线
• 优点：增加CPU和存储器之间的传输效率，同时降低系统总线的负担

3.6.3. 双总线结构II

• 将系统总线分为存储器总线、I/O 总线 和 IOP (input/output processer)
• 优点：降低I/O对总线的负担
  

3.6.4. 多总线结构I

• 增加一个 本地总线（local bus）来连接 CPU 和 cache
• 优点：增加 I/O 效率
  

3.6.5. 多总线结构II

• 将系统总线分为存储器总线、I/O 总线和 DMA 总线
• 优点：增加 I/O 效率
  

3.6.6. 多总线结构III

• 增加一个 高速 I/O 总线 来连接高速设备
• 优点：增加 I/O 交互效率