总线仲裁

2026 大纲 六（一）1 总线的基本概念（相关背景）。总线仲裁本身不是大纲单列条目，三种方式的线数公式不必背。但总线事务的第一阶段就是"申请分配"，DMA 方式抢占总线也要经过判优——不知道"谁来决定总线归谁"，这两处就只能背流程。读它是为了补一层机制上的直觉。

三种仲裁方式，其实是同一条信息的三种编码

总线是分时共享的，多个主设备同时想发送时，必须有一套逻辑决定使用权归谁——这就是判优（仲裁）。总线控制器的两项职能，一项是判优控制，另一项是通信控制（定时）。仲裁的流程固定为四步：设备发总线请求 BR → 仲裁逻辑按优先策略选出一个 → 发总线授权 BG → 该设备建立总线忙 BS 并占用总线，传完释放。

按仲裁逻辑放在哪里分成集中式与分布式：集中在一处（如 CPU 内的总线控制部件）是集中式，分散到各部件上是分布式。链式查询、计数器定时查询、独立请求三种全都是集中式，差别只在中央仲裁器与设备之间怎么连线。

这三种方式常被当成三个孤立方案硬记，但它们其实在做同一件事：把"总线归你了"这条信息，送到某一台设备手上。而这条信息本身只有 $\lceil {\log }_{2}n\rceil$ 比特——要点名 $n$ 台设备中的一台，理论上就这么多。三种方式不过是这几比特的三种编码方式：

• 编进时间——授权信号沿设备链逐级往下传，"传了几跳"就是编码，这是链式查询；
• 编成二进制广播——把设备号从计数器广播到地址线上，各设备自己比对，这是计数器定时查询；
• 铺在空间上——每台设备一对专线，谁的那条线有效就是谁，这是独立请求。

三种编码对应三种线数增长阶：常数、对数、线性；对应三种判优速度：慢、中、快。越舍得用线数把信息并行铺开，就越省时间——这是一条连续的取舍谱，不是三个需要分别记忆的方案。

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配套的操作说明见 总线仲裁——模拟器使用指南。

一、三种集中式仲裁

按开篇那条线索，三种方式解决的是同一件事——把"总线归你了"这条信息送到某一个设备手上——差别只在这几个比特的编码方式。下面逐个看这三种编码在电路上长什么样。

链式查询：把信息编进时间

所有设备共享一条 BR 线；BG 信号从总线控制部件出发，串行地从一个接口送到下一个接口。

总线控制部件 ──BG──→ 设备0 ──BG──→ 设备1 ──BG──→ 设备2 ──→ ...
                  │          │          │
                  BR─────────┴──────────┴──→ 总线控制部件

BG 到达某个接口时，若该接口有请求就不再往下传，该接口获得使用权并建立 BS 忙信号；没有请求则原样传给下一个。于是"授权给谁"完全由传了几跳表达——只用一条 BG 线，代价是每多一个设备就多一跳延迟。

控制线数 $3$ 条（BR、BG、BS），与设备数无关。优点是线极少、扩充设备容易；缺点有两条，而且都能追到"BG 逐级传递"这一个结构上。

其一，优先级写死在物理连线顺序里：离总线控制部件最近的设备优先级最高，改优先级得动线。靠前的设备若频繁请求，BG 永远传不到后面，低优先级设备会饥饿。

其二，对电路故障敏感，敏感点就在 BG 的传递路径上：链路上任意一处断开，或某个接口的传递逻辑失效，下游所有设备全部收不到授权。计数器方式是广播、独立请求是专线，都不存在这种"一处坏、一片死"的结构。

计数器定时查询：把信息编成二进制

与链式相比，多了一组设备地址线，少了一根 BG 线。

总线控制部件 ──计数值（设备地址线）──→ 广播给所有设备
                                    │
              设备比较自身编号与计数值，相符且有请求则获得使用权

控制部件收到 BR 后，在总线未被使用（BS $=0$）时启动内部计数器，通过设备地址线向各设备广播一组地址信号；某个请求占用总线的设备其地址与计数值一致时获得使用权，此时终止计数查询。

信息被编成二进制数广播出去，线数从"与 $n$ 无关"上升到 $\lceil {\log }_{2}n\rceil$，换来的是不再逐跳传递——所有设备同时收到计数值，比较是并行的。控制线数 $\lceil {\log }_{2}n\rceil +2$ 条（设备地址线 + BR + BS）。

计数起点	效果
每次从 0 开始	优先级按 $0,1,\dots ,n-1$ 降序固定不变，等价于固定优先级
从上一次计数的终止点开始	循环轮转，各设备使用总线的优先级相等
初始值由程序设置	优先次序可任意改变

这张表是计数器方式相对链式的真正增量：链式的优先级焊在连线顺序上，只有一种可能；计数器把它变成了一个可以由程序设定的起点，同一套硬件能在固定优先级、循环轮转、任意可变三种策略之间切换。

代价是控制线数增加、控制较复杂；好处是对电路故障不如链式敏感——广播不存在"断链导致下游全灭"。

独立请求：把信息铺在空间上

每一台设备都有一对专用的总线请求线 $B{R}_i$ 和总线同意线 $B{G}_i$。

设备0 ──BR₀──→ ┐                    ┌──BG₀──→ 设备0
设备1 ──BR₁──→ ├─ 总线控制部件 ──┤──BG₁──→ 设备1
设备2 ──BR₂──→ ┘   （排队电路）    └──BG₂──→ 设备2

控制部件中有一排队电路，同时看到所有请求，根据优先次序一次选出赢家，直接从对应的 $B{G}_i$ 送出授权。信息完全铺在空间上（独热码），线数升到 $O(n)$，换来一拍到位的响应，且单个设备的连线故障不影响其他设备。控制线数 $2n+1$ 条（$n$ 条 BR + $n$ 条 BG + BS）。

三者对照

特性	链式查询	计数器定时查询	独立请求
授权信息的编码	时间（跳数）	二进制编码	独热码
控制线数	$3$	$\lceil {\log }_{2}n\rceil +2$	$2n+1$
线数随 $n$ 的增长	常数	对数	线性
判优速度	慢	中	快
优先级	固定（由连接顺序决定）	可变（计数起点可编程）	灵活可编程
硬件复杂度	低	中	高
对电路故障的敏感度	高（断链下游全灭）	中	低

教材在比较线数时说的是"链式查询中仅用两根线确定总线使用权、计数器查询中大致用 ${\log }_{2}n$ 根线、独立请求需采用 $2n$ 根线"——那是只数用于确定使用权的线（BR/BG/设备地址线）。上表在此基础上另计了 1 条 BS 忙线。两种口径差一个常数，关键是增长阶：常数、对数、线性。

"判优速度"那一行也要读准范围：独立请求快在判优这一步——所有请求同时送到排队电路，一次比较选出赢家，与设备数无关；链式则要等 BG 一跳一跳传过去。但三者在数据传输阶段的速度并无差别，仲裁方式只影响"从提出请求到拿到总线"这一段时间，拿到之后大家跑得一样快。

三条线数曲线的形状：4 台、16 台、64 台各要多少根控制线（想看清"用线数换时间"这条谱的量级时展开）

设备数 $n$	链式查询 $3$	计数器定时查询 $\lceil {\log }_{2}n\rceil +2$	独立请求 $2n+1$
4	3	$2+2=4$	$9$
16	3	$4+2=6$	$33$
64	3	$6+2=8$	$129$

设备数翻两番（4 → 64），链式一根线没多，计数器只从 4 涨到 8，独立请求却从 9 涨到 129。三条曲线的形状——水平、对数、直线——就是这三种编码方式在硬件上的直接投影。 也正因为如此，设备很多时独立请求几乎不可用；而设备少时它的线数代价可以忽略，速度优势却全额保留。

二、分布式仲裁

没有中央仲裁器，每个设备自带仲裁逻辑，控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上。各设备把自己的仲裁号（优先级编号）送到共享的仲裁总线上，所有设备同时比较，编号最大（或最小）者获胜。

优点是无单点故障、扩展灵活、不依赖某个中心部件；缺点是每个设备都要配一套仲裁逻辑电路，总硬件量上升。

考点速记

1. 判优是总线分时共享的必然产物；按仲裁逻辑放在哪里分集中式与分布式，链式／计数器／独立请求三种都属集中式。
2. 三者是"把 $\lceil {\log }_{2}n\rceil$ 比特授权信息送出去"的三种编码——串行传递、二进制广播、独热直连，线数增长阶依次为常数、对数、线性，判优速度依次为慢、中、快，是一条用线数换响应时间的连续谱。
3. 链式的优先级由物理连线固定且对电路故障敏感（BG 路径一断下游全灭）；计数器的优先级由计数起点决定，可固定、可轮转、可编程；独立请求最快最灵活，代价是线数线性增长。

这一节在真题里的位置：

2026 大纲的「六（一）总线」只列了总线的基本概念、总线的组成及性能指标、总线事务和定时三条，不含总线仲裁，因此本篇没有对应的真题、也不设考法清单——本篇下方没有「真题练习」区，这不是漏挂标签。

那么这一篇要读到什么程度？知道"谁来决定总线归谁"是怎么回事就够了，因为它是另外两处仍在纲内的内容的前置：总线事务的第一阶段就是"申请分配"，DMA 方式抢占总线走的也是这套仲裁——不知道背后有一套判优机制，那两处就只能当流程背。上面第 2 条那句"三种方式是同一条信息的三种编码"是本篇唯一值得留下的东西。

复习优先级：不必投入。 三种方式的线数公式不用记（$3$ / $\lceil {\log }_{2}n\rceil +2$ / $2n+1$），计数器的三种计数起点、独立请求的排队电路结构也都不用记。仍在纲内的部分在总线概述与分类与总线事务与定时。

提示：本篇内容不在 2026 大纲范围内。若 9 月发布的新大纲有调整，以新大纲为准。

教材出处

• 唐朔飞《计算机组成原理（第 3 版）》§3.5 总线控制：总线控制器的两项职能（判优控制与通信控制）、主从设备的划分、集中式与分布式判优的分界（p57）
• 唐朔飞《计算机组成原理（第 3 版）》§3.5：链式查询方式的 BS/BR/BG 三线结构与"离总线控制部件最近的设备优先级最高"（p57~58）；计数器定时查询的设备地址线广播与三种计数起点（p58~59）；独立请求方式的排队电路，以及三者线数 $2$／${\log }_{2}n$／$2n$ 的对比（p59）

相关知识

总线概述与分类｜总线事务与定时｜DMA 方式｜总线仲裁——模拟器使用指南

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