图片来源：南京大学软件学院COA课程PPT

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13 总线

总线包括芯片内部总线、系统总线、通信总线

系统总线在不同位置不同场景下会有不同的含义，课程中主要把系统总线作为一个通用的概念，而不是特指某条总线

地址不一定只能一次传输，事实上有时候是可以分成两次来传输地址的，这样就能扩展寻址空间，即寻址空间不是由地址线的宽度来决定的

当总线被使用时，其他设备不能抢占

用途

仲裁

要在优先级和公平性之间取得平衡

仲裁器是硬件设备，集中处理总线使用权

集中式

链式查询

允许信号从仲裁器下发，按优先级从高到底传递（串行），从而高优先级的设备如果要使用总线，则可以截取允许信号

繁忙线与各个设备之间是双向箭头，因为各个设备要去监听看总线是否繁忙，如果繁忙则不能发起请求。同时得到允许的设备要去修改这条线的状态，使之变成繁忙

连接的设备越多，那么速度就会越慢，因为允许信号要经过每一个设备

计数器查询

至少要log₂n根线，来区分不同的设备ID，可以灵活的调整优先级

相当于一个个的报学号，可以按不同的顺序报，也可以从不同的位置开始报，从而来平衡优先级和公平性，先报到的可以使用总线

如果一个响应后又从1开始计数，那么就和上面的链式查询效果一样的

独立请求

仲裁器可以灵活使用不同的策略来分配总线

但线路更多了

不需要和前面一样要等待询问其他设备就可以请求总线，随时都发送请求，如果仲裁器通过了，就可以直接获得允许

分布式

自举式

设备只需要关心优先级比它高的设备是否需要使用总线，而无需去关心优先级比它低的设备是否需要总线

因此高优先级需要关心的少，上面设备3的优先级最高，只需要关心是否总线忙即可

而最低优先级的设备没有请求线，如上的设备0，因为没有其他设备需要去关心它的请求

同样的当使用总线时要把总线设为忙

优先级很明显

冲突检测

公平性很明显

解决冲突要消耗一定的时间，效率会低一些

时序

总线事务是指在总线上完成一次数据的传递：是指根据一个地址，但数据可能会传输多次

同步时序？？

所有设备共用一个时钟，会导致快的设备要去迁就慢的设备(即要等待慢的设备，而不像下面的异步一样快的设备只要发出信号就可以去做其他事情)，也即快的设备的速度没法发挥出来。

如时钟周期为50ns，存储器准备数据230ns，那么实际上仍然需要250ns才能完成数据的准备，因为必须在一个时钟周期开始才能进行下一步，所以即使存储器完成了准备，也需要等待时钟周期，而异步时序则当数据准备完成即可直接传输

总线不能太长，如果总线很长，那么时钟信号会有较大的延迟

异步时序

Ready信号说明已经准备好了，设备可以来取，Ack信号表明告诉对方已经取完了，对方可以把ready信号给拿走了

信号都有上升沿和下降沿，分别表示把信号放到总线上和把信号从总线上拿走的过程

一次握手其实就是表明一个前后关系

• 非互锁是一个自然的状态，只通过一次握手，而没有加额外的限制，只是一个自然的先后关系，先准备好才能去取，然后才有取好信号

• 半互锁是用两次握手强调已经取完了之后Ready信号才能撤走，这是为了防止出现在取之前（并不是一出现Ready就去取，可能正在处理其他事务）就已经撤走了Ready，即撤早了，而无法取数据就一直处于等待的情况

• 全互锁是用三次握手强调只有Ready撤走后，才能撤走Ack，如果ready的设备正在处理其他事务，而另一个设备已经取好了，并撤走了Ack，那么设备就以为对方还没有取好，因此会一直处于Ready状态

注意总共为7次握手，握手中即有数据传输的时间，所有的握手时间加起来即一次总线事务的时间，而不需要额外考虑数据传输。

如1花费了40ns，即存储器得到ReadReq信号并读取了地址并设置了Ack信号花费40ns。此时存储器已经得到了地址信息，可以开始准备数据。

数据准备阶段：在234中有3次握手，是为了保证顺序，当4结束时存储器把数据放到数据线上，因此这里花费的时间为3次握手的时间和存储器准备这些数据的时间的最大值。

数据传输阶段：567则是通过3次握手，保证数据能传输到CPU中

上面3个部分全部加起来就是一次总线事务的时间，数据量/时间即数据传输速率

速度快的设备在Ready后，就可以去忙别的事情了，而等慢的设备Ack后，快的设备再回来处理这件事，从而协调好不同速度的设备

对噪声敏感是指设备可能把噪声误认为是信号，从而出现错误。因为异步信号的发送是没有固定的时间的，是很随意的，任何时间段都可以发出信号，所以会容易把偶然的噪声当作信号

半同步时序

固定在上升沿才能发出准备和响应信号，其他时间段的信号均为无效，从而减少噪声的影响

分离事务

即把总线事务分成地址传过去和数据传过来两个过程，在得到地址后准备数据的过程中，可以把总线释放出来，给其他设备使用，等数据准备好了，再去申请总线

提高了总线利用率

但这样会增加每个总线事务的时长，因为在数据准备好后再申请总线不一定立刻就能得到，可能需要等待一段时间

总线带宽和数据传输速率

总线带宽是理想状态下的数据传输速率，不考虑地址传输和总线仲裁

地址不算数据

同步总线中一个时钟周期内只能做一件事情

计算数据传输速率只要计算传输一次4个或16个字即可，同时最后全部传完之后的空闲也要算进去，因为肯定还会有下一次总线事务，所以可以算入到每次传完后里面

这里每次总线事务都是可以理解是第一次访问内存，所以都需要花费200ns，只有像下面的一次传输一个块的，才是考虑后面的访cache速度快

提高总线的数据传输率

块传输可以减少地址传输的时间，同时减少了准备数据的时间，因为有cache的存在，所以第一次数据读取会比较慢，但后续的读取会很快

总线的层次结构

总线主要讨论CPU、主存、IO之间的连接和数据传输

单总线结构

双总线结构1

双总线结构2

####　多总线结构１

这种情况是cache还设计在CPU外,与之分离的时候的总线结构,当cache合并到CPU中时,就是内部总线了,而不存在上面的本地总线

多总线结构2

从外部输入的数据可以直接存入主存，而不需要经过CPU

多总线结构3

总结

总线的巨大缺点是一次只能有一个数据在总线上，如果多个，那么会出错