第三章 02总线控制（哈工大刘宏伟）

重点、难点

1、总线判优控制

2、如果完成通信过程，保证通信质量

一、总线判优控制的基本概念

1.1 基本概念

• 主设备特征
  • 对总线具有控制权，可提出总线占用申请，并能控制通信过程
• 从设备特征
  • 不能主动控制总线，只能响应主设备发出的总线命令
• 混合设备：
  • 某些设备既可作主设备也可作从设备
  • 有些总线允许多主设备，有些仅允许单主设备

二、总线判优控制的两种方法

2.1 集中式方式

链式查询、计数器定时查询实际上查找高优先级设备提出了总线占用请求，都是顺序查询，速度慢

独立请求方式 速度快

1）链式查询方式 – 用于微型计算机或简单嵌入式系统

BR-总线请求、BS-总线忙、BG-总线授权线（链式查询方式的特点）

• 工作原理：
  • 请求流程：I/O设备通过BR线发送请求→控制部件通过BG线串行查询→首个提出请求的设备获得控制权→通过BS线设置总线忙->获得总线使用权
  • 优先级机制：由物理连接顺序决定，靠近控制部件的设备优先级更高
• 电路特点：
  • 三线制：BR（请求）、BG（授权）、BS（忙）三条关键控制线
  • 数据通路：独立的数据线和地址线用于实际传输
• 优缺点分析：
  • 优点：结构简单（仅需3条控制线）；易于增删设备；可靠性设计方便（可冗余布线）
  • 缺点：电路故障敏感性高（BG线断裂会导致后续设备瘫痪）；优先级固定不灵活；查询速度慢

2）计数器定时查询方式

数据线用于数据的传输

地址线用于从设备的查找

设备地址计数器给出的地址，通过该地址查找设备是否发出占用请求

过程：I/O设备向总线控制部件提出总线占用请求BR -> 总线控制部件在可以让出总线使用权的情况下，启动计数器 -> 计数器的值通过设备地址向外输出 -> 设备地址给出信号，对I/O接口0 进行查询….. -> 计数器自动+1 ->对I/O接口1 进行查询…. -> BS 响应

• 改进原理：
  • 地址编码：用计数器生成设备地址代替BG线，通过设备地址线广播查询
  • 查询过程：计数器从初始值开始递增，检测对应设备是否发出请求
• 优先级特性：
  • 固定模式：计数器从0开始则优先级固定
  • 循环模式：从上次终止值继续则实现循环优先级
  • 可编程模式：通过软件设置计数器初值实现动态优先级
• 线路需求：
  • 计算公式：需要log₂n（向上取整）位设备地址线
  • 总控制线：BR+BS+设备地址线（比链式少1条但地址线更宽）

3）独立请求方式方式

• 核心设计：
  • 专线专用：每个设备有独立的BR和BG线
  • 集中仲裁：控制部件内置排队器决定优先级
• 优势特征：
  • 响应速度：并行处理所有请求，仲裁最快
  • 优先级灵活：支持固定/自适应/混合优先级算法
• 线路代价：
  • 数量关系：n个设备需要2n条控制线（BR和BG各n条）
  • 适用场景：高性能系统（如多处理器架构）

2.2 分布式方式

三、总线通信控制

目的：解决主设备和从设备之间的协调配合通信问题

3.1 总线传输周期

• 完整周期：主从设备完成一次完整可靠通信所需的时间，包含四个阶段：
  • 申请分配：通过总线仲裁逻辑确定主设备使用权（对应判优控制阶段）
  • 寻址阶段：
    • 地址信号：主设备发出目标从设备地址
    • 命令信号：指定操作类型（读/写）
  • 数据传输：
    • 从设备准备好时发送数据（输入操作）
    • 或接收主设备数据（输出操作）
  • 结束阶段：主从设备同步撤销所有控制信号和地址信息

3.2 总线通信的四种方式

同步通信：统一时标控制，各操作在固定时间点完成

异步通信：采用请求 – 应答机制，无统一时钟

半同步通信：同步与异步结合，解决不同速度设备通信问题

分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力，最大化总线利用率的高效通信方式

3.3 同步式数据输入、输出（同步通信）

1）同步式数据输入

• 时钟控制：采用定宽定距的时标控制数据传输的过程（4个时钟周期T1-T4​）
• 严格时序：
  • T1上升沿：主设备给出地址信号
  • T2上升沿：主设备发出读命令
  • T3上升沿前：从设备准备好数据
  • T4上升沿：撤销数据和控制信号，周期结束时撤销地址
• 适用场景：总线长度短且各模块存取时间一致的系统

2）同步式数据输出 – 应用于总线模块比较短，各个模块存取时间比较一致

• 时序差异：
  • T1上升沿：地址信号
  • T1下降沿：数据信号
  • T2上升沿：写命令
  • T3上升沿：执行写入
  • T4上升沿：撤销数据和命令
• 同步方式：所有模块按最慢设备速度运行，类比”木桶效应”

3.4 异步通信

• 核心机制：通过请求线（主→从）和应答线（从→主）实现握手
• 三种模式：
  • 不互锁：
    • 类比”扔飞盘”：请求/应答单次发送后自动撤销
    • 缺点：可靠性低，可能丢失通信
  • 半互锁-改进
    • 主设备收到应答才撤销请求
    • 从设备超时自动撤销应答
    • 风险：可能造成请求信号持续高电平
  • 全互锁-改进半互锁
    • 严格握手：请求撤销需确认应答，应答撤销需确认请求撤销
    • 优势：支持错误重传，可靠性最高

3.5 半同步通信（同步、异步结合）

以输入数据为例的半同步通信时序

• 同步特征：采用定宽定距的时钟管理通信过程，发送方用时钟前沿发信号，接收方用时钟后沿判断识别
• 异步特征：允许不同速度设备协调工作，通过从设备发出的WAIT信号（低电平有效）调整主从设备速度差异
• 典型时序：
  • T1周期：主模块在上升沿发出地址
  • T2周期：主模块在上升沿发出读命令
  • T3周期：若从模块未准备好数据，发出WAIT信号使主模块插入等待周期 Tw
  • T4周期：从模块撤销数据，主模块撤销命令

• 时钟控制：整个传输过程由定宽定距的时钟信号同步控制
• 地址阶段：第一个时钟周期开始时主设备通过地址总线发出地址信号
• 命令阶段：第二个时钟周期主设备发出读信号（保持到T4周期）
• 等待机制(从设备没有准备好数据，主设备如CPU快)：若T3周期前检测到WAIT信号：低电平，则插入Twait等待周期，最多可连续插入多个等待周期
• 数据传输：当WAIT变高电平时进入T3周期，从设备将数据送上数据总线

3.6 上述三种通信的共同点

• 三阶段特征：
  • 阶段1：主模块发出地址和命令（占用总线）
  • 阶段2：从模块准备数据（总线空闲）
  • 阶段3：从模块发送数据（占用总线）
• 效率问题：从模块准备数据期间总线处于空闲状态，造成资源浪费
• 改进方向：需要开发能充分利用总线空闲时间的新型通信方式

3.7 分离式通信 – 充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

• 周期划分：将总线传输周期分为两个子周期
  • 子周期1：主模块申请总线，使用后立即释放
  • 子周期2：从模块申请总线，发送信息
• 核心优势：各模块准备数据时不占用总线，充分提高总线利用率
• 工作特点：
  • 各模块均可申请占用总线（主从模块可转换）
  • 采用同步通信方式完成数据传输 – 定宽定距
  • 各模块准备数据时，不占用总线数据
  • 总线被占用时，无空闲

案例：硬盘数据读取

• 传统方式问题：
  • 定位操作（约几十毫秒）和等待扇区（平均约6ms）期间总线处于等待状态
  • 实际数据传输（512B@33MB/s）仅需几微秒
• 分离式解决方案：
  • 通道发出定位命令后立即释放总线
  • 硬盘控制器完成定位后主动申请总线
  • 依次完成扇区定位和数据传输请求
• 效率提升：总线空闲时间从几十毫秒缩短为仅实际传输所需的微秒级