总线的仲裁和定时

4.1.2　总线的仲裁和定时

1．总线仲裁

如果有多个总线主设备同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线控制权的过程称为总线仲裁。在单机系统中，仲裁控制器即为总线控制器。现代的主板上的仲裁控制器集成到芯片组中。

总线仲裁部件功能是对请求总线的设备进行裁决，并授予其中一个主设备总线的控制权，使其获得总线占用期。

从总线的主设备和从设备可以知道，一个总线控制器可以连接多个设备，但如何判断哪个设备使用总线，这就遇到了总线策略、总线仲裁方式和硬件仲裁信号设计的问题。仲裁策略包含以下几种：

（1）优先级策略

适用于智能I/O模块的总线请求，设备使用的优先级别是事先设计好的。

（2）公平策略

适用于多处理器系统中各CPU模块的总线请求，在服务器主板上常见的多CPU工作采用这种公平策略。

不同的总线，总线控制器采用不同的方式进行仲裁，按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式包括以下几种：

（1）集中式仲裁方式

1）链式查询方式

这是一种链路简单、易于扩充、但故障敏感（如果链路中某个设备有故障，则中断链路）且优先级固定的方式。这种方式现在很少采用，大家只需了解。它的工作原理是设备请求总线有效后，如果总线是非忙状态，仲裁控制器响应总线请求，依次下传总线允许信号，若该设备有总线请求，则截获总线允许信号获得总线的使用控制权，同时设置总线忙信号以防其他设备请求使用。

2）计数器定时查询方式

这是一种优先级灵活，但连接较多的方式。它是以计数方式请求总线设备的，它的工作原理是，设备请求总线后，若总线非忙，仲裁控制器启动计数器，计数值广播送往各设备，各设备分别判断本设备的设备号，若是该设备，它得到总线的使用控制权，置总线忙信号和停止计数；若不是，设备继续接收计数值，直至与计数值相符或计数停止。

这种方式需要的硬连接较多，现在主板上很少采用，这里只是作为介绍。

3）独立请求方式

这种请求方式响应速度快，可由程序灵活设置优先级，并且每个总线的主设备均有一对请求和允许信号，总线响应时无需对设备进行查询，它的工作原理是：由仲裁控制器对总线请求信号进行裁决，产生相应的总线响应信号送往该设备。这是现在主板上常采用的总线仲裁方式，具体工作过程如图4-2所示。

图4-2　独立请求方式工作过程

（2）分布式仲裁方式

这种方式不需要仲裁控制器，但是各设备都有自己的裁决电路，竞争使用总线。工作原理是：设备请求总线，每个设备读取仲裁总线上的设备号与本设备相比较，若本设备优先级高，则本设备向仲裁总线发出设备号，获得总线的使用控制权。分布式仲裁方式，如图4-3所示。

这种方式最大的缺点是增加了设备的制造成本。

（3）二维仲裁方式

这是二维仲裁方式中的一种称为二结分组链式查询方式，它采用组内链式查询、组间独立查询的工作方式，如图4-4所示。

图4-3　分布式仲裁方式工作过程

图4-4　二维链式查询方式工作过程

由此可以看出，现在主板上对同等设备（同优先权的设备）就可以采用二维的仲裁方式进行仲裁。

通过上面的介绍，下面就仲裁的主要信号进行说明：

（1）总线时钟信号，是数据传输的主时钟信号，也就是说主板上的任何控制信号都要在时钟信号控制下完成。

（2）总线忙信号，确定总线是否可以使用（总线状态）的信号。

（3）总线请求信号，主设备申请使用总线的信号。

（4）总线请求和响应信号，仲裁控制器允许主设备使用总线的信号。

2．总线的定时

总线的信息传送过程是请求总线→总线仲裁→寻找目的地址→信息传送→状态返回。但在传输过程中是由时钟信号控制的，也就是时序关系。

定时是事件（控制信号）出现在总线的时序关系，为同步主设备、从设备的操作，必须制定时钟协议。

定时有两种方式：

（1）同步定时：事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。总线传输频率较高，适用于各功能模块速度相差不多的情况。

（2）异步定时：采用应答方式进行总线传输控制。总线时钟周期可变，适用于快速、慢速设备连接同一总线的情况。

竞争总线的目的是使主、从设备进行数据传送。

3．总线的数据传输模式

（1）读写操作

1）读操作，即由从设备到主设备的数据传送。

2）写操作，即由主设备到从设备的数据传送。

（2）块传送操作

即猝发式传送（burst），只需给出块的起始地址，然后对固定长度的数据一个接一个地读出或写入。

（3）写后读、读修改写操作

只给出一次地址，连续进行操作。前者用于校验；后者用于多道程序，系统中对共享存储资源的保护。

（4）广播、广集操作

1）广播，即一个主方对多个从方进行写操作。

2）广集，与广播相反的操作。

4．流行的主板总线

决定总线性能的指标主要有总线时钟频率、总线宽度，它们的计算公式为：

传输速率＝总线时钟频率×总线宽度/8

系统芯片组是控制系统部件的媒介，每一种芯片组均有其相应的总线。表4-1列出了主板常见总线类型、宽度等技术参数。

表4-1　主板上常见的总线