總線仲裁

總線仲裁（Bus Arbitration）是計算機系統(tǒng)中用于協(xié)調(diào)多個設(shè)備對共享總線或資源的訪問的一種機制。在多設(shè)備同時訪問總線的情況下，通過總線仲裁機制可以確保每個設(shè)備按照一定規(guī)則依次獲得總線控制權(quán)，從而避免沖突和數(shù)據(jù)損壞?？偩€仲裁在計算機硬件系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。

1.什么是總線仲裁

總線仲裁是指在計算機系統(tǒng)中，當(dāng)多個設(shè)備請求訪問共享總線或共享資源時，根據(jù)一定的規(guī)則和機制確定哪個設(shè)備有權(quán)訪問總線。它的主要目的是解決多設(shè)備同時訪問總線時可能出現(xiàn)的沖突和競爭的問題，保證設(shè)備能夠有序地進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

總線仲裁常見于多處理器系統(tǒng)、多設(shè)備并行接口等場景中，其中最常見的應(yīng)用是在計算機的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)中。內(nèi)部總線連接了CPU、內(nèi)存、緩存以及其他外設(shè)，各個設(shè)備需要通過總線進行數(shù)據(jù)交換和通信。由于總線資源有限，當(dāng)多個設(shè)備同時請求訪問總線時，就需要通過總線仲裁機制來決定哪個設(shè)備有權(quán)控制總線。

2.總線仲裁的特點

總線仲裁具有以下幾個特點：

a. 公平性

總線仲裁機制應(yīng)該保證每個設(shè)備都能夠有機會獲得總線控制權(quán)，實現(xiàn)對于各個設(shè)備的公平競爭和分配。不同的總線仲裁算法有不同的公平性保證方式，例如按優(yōu)先級輪詢、隨機選取等。

b. 高效性

總線仲裁機制應(yīng)該盡可能地減少仲裁時間和資源浪費，以提高系統(tǒng)的整體效率。高效的仲裁機制可以快速地確定獲得總線控制權(quán)的設(shè)備，并盡快進行數(shù)據(jù)傳輸和通信，避免設(shè)備之間的等待和延遲。

c. 可擴展性

總線仲裁機制應(yīng)該具備可擴展性，即能夠適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的計算機系統(tǒng)。無論是大型的多處理器系統(tǒng)還是嵌入式系統(tǒng)，總線仲裁機制都應(yīng)該能夠靈活地適應(yīng)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備需求。

d. 可靠性

總線仲裁機制應(yīng)該保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和通信。它需要解決設(shè)備之間可能出現(xiàn)的沖突、競爭和數(shù)據(jù)損壞等問題，確保設(shè)備能夠按照一定順序和時間訪問總線，以避免數(shù)據(jù)丟失和錯誤。

3.總線仲裁的方式

總線仲裁可以通過多種方式實現(xiàn)，以下是一些常見的總線仲裁方式：

a. 集中式仲裁

集中式仲裁是指由一個中心控制器負(fù)責(zé)對多個設(shè)備的仲裁請求進行判斷和調(diào)度。中心控制器會根據(jù)設(shè)備發(fā)送的仲裁請求和優(yōu)先級信息，決定哪個設(shè)備有權(quán)訪問總線。這種方式適用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，具有較低的復(fù)雜度和延遲。常見的集中式仲裁方式包括基于優(yōu)先級編碼的仲裁和基于旋轉(zhuǎn)優(yōu)先級的仲裁。

b. 分布式仲裁

分布式仲裁是指每個設(shè)備根據(jù)自身的仲裁邏輯和規(guī)則來判斷是否能夠訪問總線。設(shè)備之間相互獨立地進行仲裁判斷，根據(jù)預(yù)定的優(yōu)先級或算法來決定哪個設(shè)備有權(quán)訪問總線。這種方式可以提高系統(tǒng)的并行性和靈活性，但需要更多的協(xié)議和通信開銷。常見的分布式仲裁方式包括令牌環(huán)和請求/確認(rèn)機制等。

c. 基于時間片輪詢的仲裁

基于時間片輪詢的仲裁是一種簡單有效的仲裁方式。在這種方式下，各個設(shè)備根據(jù)一個預(yù)先分配好的時間片來依次訪問總線，每個設(shè)備在自己的時間片內(nèi)有權(quán)控制總線。時間片輪詢仲裁確保了公平性和可擴展性，并且對于設(shè)備數(shù)量不多的系統(tǒng)具有良好的效果。

d. 基于優(yōu)先級的仲裁

基于優(yōu)先級的仲裁是一種常見的仲裁方式，設(shè)備按照事先定義好的優(yōu)先級順序請求總線控制權(quán)。具有較高優(yōu)先級的設(shè)備可以搶占低優(yōu)先級設(shè)備的訪問，以確保高優(yōu)先級任務(wù)的及時執(zhí)行。這種方式適用于對實時性要求較高的系統(tǒng)。

e. 基于競爭的仲裁

基于競爭的仲裁是指設(shè)備之間通過競爭來確定哪個設(shè)備能夠獲得總線控制權(quán)。設(shè)備發(fā)送仲裁請求后，需要與其他設(shè)備進行競爭，通常會使用沖突檢測和回退等機制來解決競爭沖突。這種方式具有較高的效率和公平性，但也增加了一定的復(fù)雜度。

總線仲裁是計算機系統(tǒng)中協(xié)調(diào)多個設(shè)備對共享總線或資源訪問的重要機制。它通過不同的仲裁方式，如集中式仲裁、分布式仲裁、基于時間片輪詢的仲裁、基于優(yōu)先級的仲裁和基于競爭的仲裁等，確保設(shè)備能夠有序地訪問總線，并提高系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著計算機系統(tǒng)的不斷發(fā)展和復(fù)雜化，總線仲裁將繼續(xù)在硬件系統(tǒng)中起到重要的作用。