总线时序

考情分析

同步/异步通信的区别、异步通信的三种握手方式是选择题常考内容。计算同步总线的数据传输率也偶尔出大题。分离事务作为提升总线利用率的手段，近年关注度在增加。

总线通信的四个阶段

一次完整的总线事务通常包括：

1. 申请分配阶段：主设备请求总线，经仲裁获得控制权
2. 寻址阶段：主设备发出地址和命令，选中从设备
3. 传输阶段：主从之间进行数据交换
4. 结束阶段：主设备释放总线控制权

定时方式解决的核心问题是：主从设备如何协调传输节奏，确保数据在正确的时刻被采样。

同步通信

主从设备使用统一的时钟信号进行同步，所有操作在固定的时钟边沿发生。

$$\text{数据有效}⟷\text{时钟上升沿（或下降沿）采样}$$

工作过程：

1. 主设备在第 1 个时钟周期发出地址
2. 从设备在约定的第 $k$ 个时钟周期返回数据
3. 主设备在第 $k$ 个周期的时钟沿采样数据

优点	缺点
控制简单，不需要应答信号	所有设备必须按最慢设备的速度工作
传输速率固定，可精确计算带宽	不同速度的设备混接时效率低
适合总线上设备速度差异小的场景	不能适应不同类型的从设备

带宽计算：若时钟周期为 $T$，每次传输 $d$ 字节数据需要 $k$ 个时钟周期，则

$$B=\frac{d}{k\times T}$$

异步通信

不使用统一时钟，主从之间通过握手信号（请求/应答）协调。

基本信号：

• 请求（Request）：主设备发出，表示数据/地址已就绪
• 应答（Acknowledge）：从设备发出，表示已接收/数据已准备好

根据握手的严格程度，分为三种：

全互锁

主设备                    从设备
  │── 请求 ──→              │
  │                         │── 应答 ──→
  │←── 撤销请求 ──          │
  │                         │── 撤销应答 ──→
  │                         │

每一步都等待对方确认后才进入下一步：

1. 主设备发请求
2. 从设备收到请求后发应答
3. 主设备收到应答后撤销请求
4. 从设备收到撤销后撤销应答

速度最慢、可靠性最高。

半互锁

主设备发出请求后，收到应答即撤销请求，不等待从设备撤销应答。从设备可以在任意时刻自行撤销应答。

比全互锁少一次等待，速度较快，可靠性略低。

不互锁

主设备发出请求后，经过固定延时即自行撤销，不等待应答。从设备发出应答后也经过固定延时自行撤销。

速度最快、可靠性最低。

三种握手对比

方式	等待次数	速度	可靠性
全互锁	4 次	慢	高
半互锁	3 次	中	中
不互锁	0 次	快	低

半同步通信

在同步通信基础上增加一条 WAIT（等待） 信号线。

• 默认按时钟同步传输
• 如果从设备速度跟不上，拉低 WAIT 信号，主设备插入等待周期
• 从设备就绪后释放 WAIT，恢复同步传输

半同步通信兼顾了同步的简单性和对不同速度设备的适应性。

分离事务通信

传统总线事务中，从设备准备数据时总线处于空闲等待状态（虽然被占用但无数据传输），这段时间被浪费了。

分离事务（Split Transaction）将一次总线事务拆分为两个子事务：

1. 请求子事务：主设备发出地址和命令后立即释放总线
2. 应答子事务：从设备准备好数据后，自己申请总线，将数据发回

两次子事务之间，总线可以被其他设备使用。

$$\text{总线利用率}\uparrow \text{（消除了等待期间的总线空占）}$$

优点	缺点
总线利用率显著提高	控制复杂，从设备需要仲裁能力
适合主从速度差异大的系统	每次事务有两次仲裁开销

交互可视化

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例题

例 1：同步总线，时钟频率 100 MHz，总线宽度 32 位，每次传输需要 1 个时钟周期。求总线带宽。

解：$T=1/(100\times {10}^6)=10\text{ns}$，每次传 $32/8=4$ B。

$$B=4\times 100\times {10}^6=400\text{MB/s}$$

例 2：同步总线中，主存读周期为 200 ns，总线时钟周期为 50 ns，一次读操作需要多少个时钟周期？

解：$200/50=4$ 个时钟周期。如果使用半同步方式且主存实际只需 150 ns，仍需凑到 4 个整周期（$\lceil 150/50\rceil =3$ 个数据周期 + 可能的地址周期）。

例 3：为什么分离事务能提高总线利用率？

解：在传统方式下，从设备准备数据期间总线被主设备占用但无数据流动。分离事务让主设备先释放总线，其他设备可以利用这段时间传输数据，总线空闲时间被有效利用。

例 4（突发传送带宽）：某存储器总线时钟频率 420 MHz，总线宽度 64 位，每个时钟周期传送 2 次数据。总线事务支持突发传送，最多传 8 次数据：第 1 个时钟周期传地址和命令，第 4~7 个时钟周期连续传 8 次数据。求总线带宽。

解：一次总线事务传 $8\times 64/8=64$ B，耗时 7 个时钟周期。

$$\text{总线带宽}=\frac{64\text{B}}{7\times \frac{1}{420\times {10}^6}}=64\times 420\times {10}^6/7=3.84\text{GB/s}$$

注意：这里的"带宽"是按整个总线事务（含地址周期和等待周期）计算的有效带宽，不是峰值传输速率。峰值速率 $=8\text{B}\times 420\times {10}^6\times 2=6.72\text{GB/s}$，但总线事务中有地址和等待开销，实际达不到峰值。

考点清单

• 同步通信用统一时钟，简单但受限于最慢设备
• 异步通信用握手信号：全互锁最可靠但最慢，不互锁最快但最不可靠
• 半同步通信 = 同步 + WAIT 信号，兼顾简单性与灵活性
• 分离事务将总线事务拆为请求和应答两部分，消除等待期的总线空占
• 突发传送的带宽 = 传输数据量 / 整个事务时间（含地址、等待开销）
• 同步总线带宽计算：$B={\displaystyle \frac{\text{总线宽度}}{8}}\times {\displaystyle \frac{1}{k\times T}}$

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