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第六章总线系统(2)——总线的仲裁、定时和数据传送模式第六章总线系统(2)26．3总线的仲裁、定时和数据传送模式6．3．1总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。总线仲裁部件作用：为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。被授权的主方在当前总线业务一结束，即接管总线控制权，开始新的信息传送。主方持续控制总线的时间称为总线占用期。第六章总线系统(2)3按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为：集中式仲裁和分布式仲裁两类。1．集中式仲裁集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：送往仲裁器的总线请求信号线BR仲裁器送出的总线授权信号线BG。链式查询方式为减少总线授权线数量，采用如下图(a)所示的菊花链查询方式，其中：A表示地址线D表示数据线BS线为1，表示总线正被某外设使用。第六章总线系统(2)4第六章总线系统(2)5链式查询方式的主要特点是：总线授权信号BG串行地从一个I／O接口传送到下一个I／O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询。该I／O接口就获得了总线控制权。链式查询是通过接口的优先级排队电路来实现的：离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级离中央仲裁器越远，优先级越低。第六章总线系统(2)6链式查询方式的优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，并且这种链式结构很容易扩充设备。链式查询方式的缺点：对询问链的电路故障很敏感如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的如果优先级高的设备出现频繁的请求时，那么优先级较低的设备可能长期不能使用总线。第六章总线系统(2)7计数器定时查询方式计数器定时查询方式原理示于图(b)。第六章总线系统(2)8工作原理：总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。第六章总线系统(2)9独立请求方式独立请求方式原理示于图(c)。在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。第六章总线系统(2)10第六章总线系统(2)11独立请求方式的优点：响应时间快即确定优先响应的设备所花费的时间少。对优先次序的控制相当灵活。可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。当代总线标准普遍采用独立请求方式。单处理器系统总线中，中央仲裁器又称为总线控制器，它是CPU的一部分。按照目前的总线标准，中央仲裁器一般是一个单独的功能模块。第六章总线系统(2)122．分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。工作原理：当有总线请求时，把主方功能模块唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。第六章总线系统(2)136．3．2总线的定时总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址(目的地址)，信息传送，状态返回(或错误报告)。所谓定时，是指事件出现在总线上的时序关系。下面介绍数据传送过程中采用的两种定时方式：同步定时和异步定时。1．同步定时在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。图(a)表示读数据的同步时序例子所有事件都出现在时钟信号的前沿，大多数事件只占据单一时钟周期。由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。当各功能模块存取时间相差很大时，会大大损失总线效率。第六章总线系统(2)14第六章总线系统(2)152．异步定时在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现。建立在应答式或互锁机制基础上。在这种系统中，不需要统一的公共时钟信号。总线周期的长度是可变的。异步定时的优点：总线周期长度可变允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。但这以增加总线的复杂性和成本为代价图(b)表示异步定时例子第六章总线系统(2)16第六章总线系统(2)17[例]某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一对请求线BRi和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送时通过BRi线向仲裁器发出请求，对应的BGi线则串行查询每个设备，从而确定哪个设备享有总线控制权。请分析说明下图所示的总线仲裁时序图。第六章总线系统(2)18第六章总线系统(2)196．3．3总线数据传送模式当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：读、写操作读操作是由从方到主方的数据传送写操作是由主方到从方的数据传送一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。块传送操作只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU(主方)—存储器(从方)而言的块传送，常称为猝发式传送其块长一般固定为数据线宽度(存储器字长)的4倍。这在超标量流水中十分有用。第六章总线系统(2)20写后读、读修改写操作只给出地址一次，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。写后读用于校验目的读修改写用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。广播、广集操作有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。第六章总线系统(2)21[例]分析说明图中所示某CPU总线周期时序图。第六章总线系统(2)22