总线

• 芯片内部总线：连接芯片内部的各个部分
  • 例：CPU中连接寄存器、ALU等部分
• 系统总线：连接CPU、存储器、IO控制器和其他功能设备
• 通信总线：连接主机和I/O设备，或连接不同的计算机系统

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

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

用途

• 专用（dedicated）总线：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（multiplexed）总线：将同一线路用于多种用途
  • 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

仲裁

总线仲裁：当多个设备需要与总线通信时，通过某种策略选择一个设备

平衡因素：

• 优先级：优先级高的设备优先被服务
• 公平性：优先级最低的设备不能一致被延迟

集中式仲裁

• 由仲裁器（arbiter）或总线控制器（bus controller）负责分配总线使用权
• 信号线：硬件读取信号线上的信号获知总线状态
  • BG/允许线：仲裁器->设备，表明设备正被授权使用总线，每个设备有独立的BG信号
  • BR/请求线：设备->仲裁器，表明需要使用总线
  • BS/繁忙线

链式查询 Daisy chain

• 设备串行连接
• 允许信号从高优先级设备下发到低优先级设备
• 仲裁器收到请求后，在总线不忙的前提下发起允许信号
• 若设备收到允许信号并发起总线请求，设备将总线设置为繁忙状态，允许信号不再进一步传递
• 优点
  • 确定优先级很简单
  • 可灵活添加设备
• 缺点
  • 不能保证公平性：远端设备无法及时访问
  • 对电路故障敏感（链式）
  • 限制总线速度

计数器查询

• 将允许线替换为ID线
• 总线空闲时，仲裁器通过ID线发送计数
• 若发送请求的设备ID=裁决器当前的计数，裁决器停止计数，设备总线设置为忙
• 优点
  • 可通过不通的初始计数灵活确定设备优先级
    • 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、比较ID信号
  • 限制总线的速度

独立请求

• 繁忙线共享、允许线和请求线独立
• 当设备请求总线时通过请求线发送信号给仲裁器
• 仲裁器决定优先级（固定/链式/LRU/FIFO……）
• 优点
  • 快速响应
  • 优先级可编程
• 缺点
  • 控制逻辑复杂
  • 控制线路更多

分布式仲裁

• 每个设备都包含访问控制逻辑，各个设备共同作用分享总线

自举式

• 优先级固定
• 需请求总线的设备在对应的总线请求线上发送信号
• 若使用总线时，设备需分析BR0和比自己优先级更高的设备的请求线（接入的请求线）的信号，当全部空闲时才能使用
• 最低级的设备无需请求线，因为没有其他设备需以此为依据去判断
• N条设备N条请求线
• 上图中优先级3>2>1>0

冲突检测

• 当设备想要使用总线时检测总线是否繁忙，不繁忙即发送
• 同时使用产生冲突时：
  • 在传输设备时监听总线检查是否冲突
  • 若冲突立即停止传输，在随机间隔时间后再次请求

时序

• 确认总线事务的起止时间
• 总线事务：地址+数据+数据+……+数据

同步时序

• 事件的发生由时钟决定
• 总线包含时钟线，定时发送规则的0/1信号
• 时间在时钟周期开始时发生
• 优点：更易实现，测试
• 缺点
  • 所有设备共享一个时钟，存在瓶颈
  • 总线长度受到时钟偏差限制

异步时序

• 事件的发生取决于前一事件的发生（握手信号）
• 采用握手协议，双方都同意时才会继续
• 非互锁/半互锁/全互锁
• 优点：可灵活协调不同设备
• 缺点
  • 逻辑复杂
  • 对噪声敏感

半同步

• 同步+异步
• 在异步时序中引入时钟以减少噪声，准备和响应信号只在时针上升沿有效
• 结合二者优点

分离事务

• A请求B和B回复A之间存在空闲时间，在设备准备数据期间释放总线
• 优点：增加总线利用率
• 缺点：增加总线时间的持续时间和系统复杂度

速率指标

• 总线带宽：最大传输速率，不考虑仲裁、握手、地址传输
• 数据传输速率：考虑仲裁、握手、地址传输等因素
• 总线宽度：组成总线的线数

总线层次结构

单总线结构

• CPU/存储器/IO模块都连接到一条系统总线
• 优点：简单、易于扩展
• 缺点
  • 连接设备越多，总线长度越大，延迟越大
  • 传输请求增加后总线容量存在瓶颈

双总线结构 I

• 在CPU和存储器单独增加存储器总线
• 优点：降低系统总线负担，增加CPU和主存的传输效率

双总线结构 II

• 单独拆分I/O，将系统总线分为：存储器总线、IO总线、IOP
• 优点：降低I/O对总线的负担

多总线结构 I

• 增加本地总线连接CPU和Cache
• 优点：分离CPU和I/O的交互

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

多总线结构 III

• 增加高速I/O总线连接高速设备
• 优点：增加I/O交互效率