计算机组成原理-学习笔记13-总线

1.基础

1.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（计基讲的）

• 系统总线：连接CPU、存储器、IO控制器和其他功能设备（本节课重点）

• 通信总线：连接主机和I/O设备，或连接不同的计算机系统

2.结构

• 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。正常每次只能传1位
• 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（存地址的位数2^n）
  • 可能可以传2次，达到更大寻址空间
• 控制线：控制对数据线和地址线的存取和使用

​ • 时钟（clock）：用于总线同步操作

​ • 总线请求（bus request）：表示模块需要获得对总线的控制，处理冲突

​ • 总线允许（bus grant）：发出请求的设备已经被允许控制总线

​ • 中断请求（interrupt request）：表示某个中断正在悬而未决

​ • 中断响应（interrupt ACK）：未决的终端请求被响应

​ • 存储器读（memory read）：从存储器读数据到总线

​ • 存储器写（memory write）：将数据从总线写入存储器

​ • I/O读（I/O read）：从I/O端口读数据到总线

​ • I/O写（I/O write）：将数据从总线写入I/O端口

3.特点

• 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

  • 混淆例子：走廊喊话
  • 不能抢夺

• 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：

  • 1.获得总线的使用权
  • 2.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

2.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
  • 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

仲裁

• 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

• 集中式（centralized）：由仲裁器（arbiter）或总线控制器（bus controller）负责分配总线使用权

  • 链式查询 / 菊花链（daisy chain）image-20221129174524495

    • 串行连接，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

    • 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：灵活，容易确定优先级

    • 缺点：不能保证公平性，对故障敏感

  • 计数器查询（query by a counter）image-20221129174517949

    • 将总线允许线替换为设备ID（地址）线

    • 总线空闲时，总线仲裁器的计数器开始计数，计数值通过设备ID线发向各个部件

    • 如果当前发送请求的设备ID等于裁决器当前的计数，裁决器将停止计数，

      设备将总线设置为繁忙

    • 优点：灵活地确定设备优先级，既可从1开始（优先级）也可从下一个设备ID开始（公平性）

    • 缺点：需要解码和比较设备ID信号

  • 独立请求（independently request）image-20221129174509347

    • 每个设备都有自己的总线请求线和总线允许线
    • 总线仲裁器决定哪个设备可以使用总线
      • 确定策略：固定优先级，公平链式，LRU，FIFO
    • 优点：可编程
    • 缺点：复杂

• 分布式（distributed）：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（self selection）
    • 固定优先级
    • 每个设备自行判断自己是否在请求总线的设备中优先级最高（3最高）
    • image-20221129174500223
  • 冲突检测（collision detection)
    • 当一个设备想要使用总线时，它会检查总线是否繁忙
      • 如果总线空闲，设备使用总线
    • 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，并分别在随机时间间隔后再次请求总线

时序

• 目的：确定每个总线事务的开始和结束时间
  • 总线事务：地址 + 数据 + … + 数据
• 类型

  • 同步时序(时钟信号)：时钟信号来同步

    • 共享同一个时钟（快受慢拖累）
    • image-20221204225949092

  • 异步时序(顺序)：一个事件的发生取决于前一个事件的发生

    • image-20221204230401684
    • Ready提供数据，ack接收
    • 1.均为上升沿
    • 2.Ready下降沿,否则ready不知道ack收到
    • 3.ack下降沿，否则ack不知道ready撤了
    • （1开始后开始传输，即设置到数据/地址线上）
    • （读完后2开始握手通知）
    • （3开始后收回悬置，即释放数据/地址线）
    • image-20221204231730077
    • 123和567：三次握手。4：释放和过渡

  • 半同步：同步和异步相结合

    • 准备和响应信号仅在上升沿有效
    • 去除噪声

  • 事件分离：准备数据时释放总线

    • 即在4时利用总线，将一个总线事件分离为两个过程
    • 缺点：增加了每个总线事件的时间
    • image-20221204233008616

总线带宽和数据传输速率

• 总线带宽（bus bandwidth）：总线的最大数据传输速率（理想）
  • 不要考虑总线仲裁、地址传输等因素
• 数据传输速率
  • 考虑地址传输、握手等因素（实际）
• 总线宽度（bus width）：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、

计算题例子

• Mbps是Million(10^6 = 2^20) bits per second的缩写

• 时钟周期和频率：1GHz=10^3MHz=10^6KHz=10^9Hz 1000的数量级

  GHz对应的T(s)=1/(10^9Hz)=10^-9 s =1ns

  1s=10^3 ms=10^6 us=10^9 ns

• 同步总线

  • image-20221204234131244
  • 记住：准备数据【上取整】，一个时钟周期只能做一件事
  • image-20221204234347579

• 异步总线

  • 第一次握手后开始准备数据
  • 数据准备后才能开始传输
  • image-20221204234032663

复杂例子

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• 每次读 == 每次总线时间
• 需要考虑最后一次空闲
• 读1-4/5-8/9-12个字时，同时传输（2）和准备（4）。最后一次只传输，故为2

提高传输率

万变不离其宗：数据量 / 耗费时间

• 提高时钟频率，变相缩短时钟周期（时钟周期数不变的情况下）
• 增加数据总线宽度
  • 每次传输更多位的数据（成本：更多的总线线路）
• 块传输
  • 传输一次地址就传输一块数据（成本：高复杂性）
• 分离总线事务
  • 减少总线空闲时间（成本：复杂性高，增加每个事务的持续时间）
• 分离地址线和数据线
  • 同时传输地址和数据（成本：更多的总线线路）

总线层次结构

• 单总线结构

  • CPU、存储器和 I/O 模块都连接到一条系统总线

  • 优点：简单，易于扩展

  • 缺点：

    • 连接的设备越多，总线长度越大，传输延迟也就越大

    • 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1

  • 在CPU和存储器中间增加一个存储器总线
  • 增加CPU和存储器之间的传输效率

• 双总线结构2

  • 将系统总线分为存储器总线、I/O 总线 和 IOP (input/output processer)
  • 降低I/O对总线的负担

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• 多总线结构1

  • 增加一个 本地总线（local bus）来连接 CPU 和 cache
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• 多总线结构2

  • 将系统总线分为存储器总线、I/O 总线和 DMA 总线
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• 多总线结构3

  • 增加一个 高速 I/O 总线 来连接高速设备

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