第十三课 计组 - 总线

类型

• 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IO设备（打印机、硬盘），或连接不同的计算机系统

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

设计要素

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
（地址线和数据线可以复用）

• 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

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

计数器查询

独立请求

自举式

• 设备3优先级最高：不需要关心其他设备的请求。向上的红色线：发出的请求，向下的红色线：监听设备3的请求
• 设备3通过红线向BR3发出请求，告诉其他设备我要使用总线BR0了。然后再通过蓝线向BR0传送数据
• 设备0发出请求不会被监听，所以不需要额外发请求
• 

冲突检测

• 直接进入传输阶段，进行请求
• 请求冲突了，就停止
• 随机间隔后，再次请求：此处请求指判断总线是否繁忙，而不是请求线

时序

• 同步时序：有时间刻度的 – 系统动力学
• 异步时序：离散事件仿真，不关心时间，只关心顺序。需要触发下一个事件

同步时序

时间越长，时钟的偏差越大，因此总线长度不能过长

异步时序

注意上升沿和下降沿：

• 上升沿：表示该信号占用了总线。ready信号上升，表示进入了ready状态了。ack信号上升，表示已经确认完毕了
• 下降沿：表示该信号从总线上撤离。ready信号撤回，为下一次进入ready状态做准备。ack信号下降，表示对方已经收到了确认，可以从总线上撤回了

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• 用三次握手完成地址传输：从CPU传输给存储器
• 使用步骤4来实现地址必须在数据之前传送完成 的规定
• 用三次握手完成数据传输 ：从存储器传输给CPU
• 地址线和数据线复用在Data线上

半同步时序

上升沿：向上的间隙
可以迁就快的

分离事务

总线带宽和数据传输速率

• 总线带宽：理论上的最大值
• 数据传输速率：考虑现实因素
• 总线宽度：和时间无关

例题1

例题2

• 同步时序：需要是时钟周期的整数倍

例题3

总线事务：分为传输地址和传输数据
如果准备时间不是时钟周期的整数倍，则需要调整为时钟周期的k倍

提高数据传输率

总线层次结构

单总线结构

双总线结构1

双总线结构2

多总线结构1

多总线结构2

多总线结构3

高速IO设备直接和总线相连，多个低速IO设备连接作为一个高速IO设备
高速IO设备和总线相连时有自己的DMADirect Memory Access