03 系统总线-优快云博客

优点	缺点
仅需3根控制线，硬件简单	优先级固定（距离仲裁器越近的设备优先级越高）
易于扩展设备	对电路故障敏感（链路中断导致后续设备无法使用总线）
低延迟（无需地址译码）	低优先级设备可能长期无法获得总线（“饿死”）

适用场景：小型嵌入式系统（如单片机外设控制）。

3.1.2、计数器定时查询

控制线：BR线（总线请求）、BS线（总线忙）、设备地址线（代替BG线，数量为log2Nlog2N，N为最大设备数）。

工作流程：

设备通过BR线发送请求，仲裁器检测到请求后：

若总线空闲（BS=0），启动计数器生成设备地址。

仲裁器通过设备地址线广播当前计数值：

若地址匹配的设备已请求总线，则授权其使用总线（拉高BS线），停止计数。
若无匹配请求，计数器递增（或按循环方式重置），继续查询。

优先级策略：

固定模式：计数器从0开始，设备地址固定（类似链式查询）。
循环模式：计数器从上一次终点开始，设备优先级动态轮转。

特点：

优点	缺点
优先级可动态调整（循环模式）	需额外地址线（硬件复杂度增加）
对链路故障容忍度较高	响应速度较慢（需逐设备查询）
避免低优先级设备“饿死”	控制逻辑复杂（需计数器与地址匹配电路）

适用场景：中等规模实时系统（如工控设备的多传感器数据采集）。

3.1.3、独立请求

控制线：每个设备独占一对请求线与授权线（共2N2N根，N为设备数）。

BR（设备i的总线请求线）。
BG（设备i的总线授权线）。

工作流程：

设备直接通过BR线向仲裁器发送请求。
仲裁器根据优先级策略（如固定优先级、自适应算法）对请求排序。
仲裁器通过BG线向最高优先级设备发送授权信号，该设备占用总线（拉高BS线）。

优先级策略示例：

固定优先级：预先为设备分配唯一优先级（如CPU > DMA > GPU）。
动态优先级：根据设备等待时间或任务紧急程度实时调整。

特点：

优点	缺点
响应速度最快（并行处理请求）	控制线数量多（2N2N根）
优先级控制高度灵活（可编程）	仲裁器逻辑复杂（需排队电路或优先级编码器）
无链路依赖，可靠性高	扩展性受限（新增设备需增加控制线）

适用场景：高性能多核处理器、服务器（需快速响应高并发请求）。

3.1.4、三种判优控制的对比

判优方式	控制线数	优先级策略	响应速度	扩展性	典型应用
链式查询	3根	固定（物理位置）	快	易	单片机、简单外设
计数器查询	$log_{2}n+2$ 根	可固定或循环	中等	中等	工控系统
独立请求	2N根	灵活（可编程）	最快	难	多核CPU、服务器

3.2、总线通信控制

总线通信控制的核心任务是协调多个部件对总线的使用权分配，确保数据传输的可靠性和效率。其流程分为四个阶段，并通过不同通信方式适应各类场景需求。

3.2.1、总线通信的四个阶段

想象快递员送包裹的过程：

申请分配阶段：快递员（主设备）向调度中心申请派送权限（总线使用权）。
寻址阶段：快递员确认收件人地址（从设备地址），并告知要寄送还是收取包裹（命令类型）。
传数阶段：快递员将包裹（数据）送到收件人手中，或从收件人处取回包裹。
结束阶段：快递员完成任务后，通知调度中心释放权限，其他快递员可继续使用道路（总线）。

3.2.2、四种总线通信方式.

1、同步通信

原理：所有设备严格遵循中央控制器（如CPU）发出的统一时钟信号，像做广播体操一样同步动作。

时钟信号：类似节拍器，每个动作（如发数据、收数据）必须在固定节拍内完成。

示例计算：

时钟频率100 MHz → 1秒内1亿次节拍，1节拍时间=1/100,000,000秒=0.01微秒。
每个传输周期4个节拍 → 总时间=0.01×4=0.04微秒。
32位数据=4字节 → 每秒传输量=4字节/0.04微秒=100MB/s。

优点	缺点
规则简单，设备配合容易	必须按最慢设备的节奏工作，效率低
适合短距离传输	灵活性差，设备速度差异大时容易“拖后腿”

应用场景：单片机、内存与CPU之间（设备速度一致且距离近）。

2、异步通信

原理：主设备与从设备通过“请求-响应”信号（握手信号）协调，无需统一时钟，类似两人对话：

不互锁：A说完话不等B回应，直接走开（可能漏听回复）。
半互锁：A说完必须等B回应，但B回应后直接结束对话。
全互锁：A说完等B回应，B回应后等A确认，确保信息无误。

示例计算：

每帧数据=1起始位+7数据位+1校验位+1停止位=10位。
每秒传120帧 → 波特率=10位×120=1200 bps（每秒传输1200个二进制位）。

优点	缺点
设备速度可不同	控制信号增多，布线复杂
灵活性高	传输速度比同步通信慢

应用场景：U盘、打印机等外设（设备速度差异大）。

3、半同步通信

原理：在同步通信基础上增加“等待信号”（WAIT），允许慢设备申请延长操作时间。

工作流程：

主设备按统一时钟发指令。
从设备若未准备好，发WAIT信号暂停主设备，类似考试时举手请求延长时间。

优点	缺点
兼容不同速度设备	需额外控制线（WAIT信号）
比纯同步更灵活	系统时钟不能太快

应用场景：工业传感器网络（设备速度差异中等）。

4、分离式通信

原理：将一次传输拆分为两个独立阶段，最大化利用总线空闲时间：

发指令阶段：主设备快速发送命令后立即释放总线。
回数据阶段：从设备准备好数据后，申请总线并返回结果。

优点	缺点
总线利用率极高	控制逻辑复杂
适合高负载场景	需要设备支持分段操作

应用场景：服务器、超级计算机（大量设备频繁请求总线）。

3.2.3、四种方式对比

通信方式	协调机制	速度	灵活性	适用场景
同步	统一时钟	快	低	设备速度一致
异步	握手信号	中等	高	设备速度差异大
半同步	时钟+等待信号	中等	中	中等速度差异
分离式	分段传输	最快	低	高负载复杂系统