总线

概述

类型：

1. 系统总线：连接CPU、存储器、I/O控制器和其他功能设备

2. 通信总线：连接主机和I/O设备，或连接不同的计算机系统

设计要素：

1. 用途

   • 专用总线、复用总线

2. 仲裁

   • 集中式、分布式

3. 时序

   • 同步、异步、半同步、分离事务

4. 总线带宽和数据传输速率

5. 总线层次结构

   • 单总线、双总线、多总线

总线结构

1. 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

2. 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

3. 控制线：控制对数据线和地址线的存取和使用

   • 时钟：用于总线同步操作

   • 总线请求：表示模块需要获得对总线的控制

   • 总线允许：发出请求的设备已经被允许控制总线

   • 中断请求：表示某个中断正悬而未决

   • 中断响应：未决的中断请求被响应

   • 存储器读：从存储器读数据到总线

   • 存储器写：将数据从总线写入存储器

   • I/O读：从I/O端口读数据到总线

   • I/O写：将数据从总线写入I/O端口

总线上数据传输的特点：

1. 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

   • 总线被使用时，其他设备不能抢占

2. 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

3. 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

用途

1. 专用总线：始终只负责一项功能，或始终分配给特定的计算机组件

2. 复用总线：将同一线路用于多种用途

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直被延迟

仲裁方案

1. 集中式：由仲裁器或总线控制器负责分配总线使用权

   • 链式查询/菊花链

   • 计数器查询

   • 独立请求

2. 分布式：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

   • 冲突检测

链式查询

所有的设备都是串行连接的，并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：

1. 确定优先级简单

2. 可以灵活地添加设备

缺点：

1. 不能保证公平性

2. 对电路故障敏感

3. 限制总线的速度

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等于总线仲裁器当前的计数，中线仲裁器将停止计数，并将总线设置为忙

优点：

1. 通过使用不同的初始计数，可以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

2. 对电路故障不敏感

缺点：

1. 需要添加设备ID线

2. 需要解码和比较设备ID信号

3. 限制总线的速度

独立请求

每个设备都有自己的总线请求线和总线允许线，且直接连接到总线仲裁器

• 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

  • 固定优先级、公平链式、LRU、FIFO、$\cdots$

优点：

1. 快速响应

2. 可编程的优先级

缺点：

1. 复杂的控制逻辑

2. 更多的控制线路

自举式

每个设备在其总线请求线上发送请求，固定优先级，自行判断自己是否在请求总线地设备中优先级最高

• 最低优先级的设备没有请求线

• 箭头最少的优先级最高

冲突检测法

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

时序

确定每个总线事物的开始和结束时间

• 总线事务：地址 + 数据 + $\cdots$ + 数据

类型：同步时序、异步时序、半同步、分离事物

同步时序

时间的发生由始终决定

优点：

1. 更容易实现和测试

缺点：

1. 所有设备共享一个时钟

2. 总线长度受到时钟偏差的限制

   • 同步总线很短，不然会出现时钟混乱

3. 数据过长会导致不同步，造成问题

异步时序

一个时间的发生取决于前一个事件的发生

分为非互锁、半互锁、全互锁三个阶段（使用握手规则）

• 蓝色表示先后关系，也就是“一次握手”

• 非互锁（第一次握手）：我告诉你我准备好了

• 半互锁（第二次握手）：我告诉你我已经收到了

  • “我准备好了”信号只能在你说“我收到了”之后才能撤回

• 全互锁（第三次握手）：我知道了你知道“收到了”之后才能撤回

优点：

1. 可以灵活地协调速度不同的设备

缺点：

1. 接口逻辑复杂

2. 对噪声敏感

异步数据传输

1. CPU设置地址并设置ReadReq线

   • 存储器读取相应地址

2. 存储器读取相应地址并设置Ack线

   • CPU释放地址线和ReadReq线

3. CPU释放地址线和ReadReq线

   • 存储器释放Ack线

4. 存储器释放Ack线

   • 存储器将数据传到数据线

5. 存储器将数据传到数据线并设置DataRdy线

   • CPU读取数据

6. CPU读取数据并设置Ack线

   • 存储器释放数据线和DataRdy线

7. 存储器释放数据线和DataRdy线

   • CPU释放Ack线

半同步时序

同步时序和异步时序相结合

为了减少噪声的影响，在异步计时中使时钟

• 准备和响应信号在时钟上升沿有效

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：

1. 增加总线利用率

缺点：

1. 增加每个总线事件地持续时间和系统复杂度

• 将两个信号之间的总线释放出来

总线带宽和数据传输速率

总线带宽：总线的最大数据传输速率

• 不考虑总线仲裁、数据传输等因素

数据传输速率：

• 考虑地址传输、握手等因素

总线宽度：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

例子：

我们假设同步总线的时钟周期为50ns，并且每一次数据传输需要一个时钟周期，异步总线每次握手需要40ns。两种总线均为32位宽，并且数据的准备时间均为200ns，计算当总线从内存中读取一个字(32位)的时候的数据传输率

1. 同步总线：

   数据传输率：$\frac{32bit}{(50 + 200 +50)ns} = 106.7Mbps$

   • 发送指令和地址到内存：50ns

   • 内存准备数据：200ns

   • 将数据传输到CPU：50ns

1. 异步总线：

   

   数据传输率：$\frac{32bit}{(40 + 200 +120)ns} = 106.7Mbps$

   • 步骤1：40ns

   • 步骤2、3、4 / 数据准备：$max((40 \times 3) ns,200ns)$

   • 步骤5、6、7：$(40 \times 3)ns$

• 如果把存储器的数据准备时间改为230ns，则同步总线的数据准备时间应该是250ns，异步总线仍是230ns

  • 同步总线一个时间周期不可以做两件事情

不同数据块大小的数据传输速率

假设系统存在以下特征：

• 支持访问大小为4到16个字（每个字32位）的块

• 同步总线具有64位宽和200MHz时钟频率，需要1个时钟周期来传输地址或64位数据

• 在两个总线事务之间有2个空闲时钟周期

• 内存访问时准备前4个字需要200ns，后面每4个字准备需要20ns

• 当前面的数据在总线上传输时，内存可以同时读取后面的数据

如果读取256个字，分别计算每次传输4个字和16个字时的数据传输速率、传输时间和每秒总线事务数：

1. 每次传输4个字

   总线事务：地址 + 4个字

   • 地址传输：1个时钟周期

   • 数据准备：200ns（40个时钟周期）

   • 数据传输：2个时钟周期

   • 空闲：2个时钟周期

     总共：$\frac{256}{4} \times (1+40+2+2) = 2880$ 个时钟周期

     传输时间：$2880 \times 5ns = 14400ns$

     每秒总线事务数：$\frac{64 \times 1s}{14400ns} = 4.44M$

   • 乘以64是因为：计算的总时间是传输256，而非一个总线事务

     数据传输速率：$\frac{256 \times 32bit}{14400ns} = 568.9Mbps$

2. 每次传输16个字

   总线事务：地址 + 16个字

   • 地址传输：1个时钟周期

   • 数据准备（前4个字）：200ns（40个时钟周期）

   • 数据传输：2个时钟周期（同时读取后4个字：20ns）

   • 空闲：2个时钟周期

     总共：$\frac{256}{16} \times (1+40+3 \times max(2,4)+2+2) = 912$ 个时钟周期

     传输时间：$912 \times 5ns = 4560ns$

     每秒总线事务数：$\frac{16 \times 1s}{4560ns} = 3.51M$

   • 乘以16是因为：计算的总时间是传输256，而非一个总线事务

     数据传输速率：$\frac{256 \times 32bit}{4560ns} =1796.5Mbps$

提高总线数据传输率

1. 增加时钟频率

2. 增加数据总线宽度

   • 每次传输更多数据

3. 块传输

   • 传输一次地址就传输一块数据

4. 分离总线事务

   • 减少总线空闲时间

5. 分离地址线和数据线

   • 同时传输地址和数据

总线层次结构

单总线结构

CPU、存储器、I/O模块都连接到一条系统总线

优点：

1. 简单，易于扩展

缺点：

1. 连接的设备越多，总线长度越大，传输延迟也就越大

2. 聚集的传输请求接近总线容量时，总线成为瓶颈

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：

1. 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

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：

1. 降低I/O对总线的负担

多总线结构I

增加一个本地总线来连接CPU和Cache

优点：

1. 分离了CPU和I/O的交互

多总线结构

将系统总线分为存储器总线、I/O总线和DMA总线

优点：

1. 增加I/O效率

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：

1. 增加I/O交互效率