總線仲裁

總線仲裁（Bus Arbitration）是計算機系統(tǒng)中用于協(xié)調多個設備對共享總線或資源的訪問的一種機制。在多設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備按照一定規(guī)則依次獲得總線控制權，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，當多個設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備有權訪問總線。它的主要目的是解決多設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)、多設備并行接口等場景中，其中最常見的應用是在計算機的內部總線結構中。內部總線連接了CPU、內存、緩存以及其他外設，各個設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，當多個設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備有權控制總線。

2.總線仲裁的特點

總線仲裁具有以下幾個特點：

a. 公平性

總線仲裁機制應該保證每個設備都能夠有機會獲得總線控制權，實現(xiàn)對于各個設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的設備，并盡快進行數(shù)據(jù)傳輸和通信，避免設備之間的等待和延遲。

c. 可擴展性

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

d. 可靠性

總線仲裁機制應該保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和通信。它需要解決設備之間可能出現(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責對多個設備的仲裁請求進行判斷和調度。中心控制器會根據(jù)設備發(fā)送的仲裁請求和優(yōu)先級信息，決定哪個設備有權訪問總線。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優(yōu)先級的仲裁。

b. 分布式仲裁

分布式仲裁是指每個設備根據(jù)自身的仲裁邏輯和規(guī)則來判斷是否能夠訪問總線。設備之間相互獨立地進行仲裁判斷，根據(jù)預定的優(yōu)先級或算法來決定哪個設備有權訪問總線。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，各個設備根據(jù)一個預先分配好的時間片來依次訪問總線，每個設備在自己的時間片內有權控制總線。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，設備按照事先定義好的優(yōu)先級順序請求總線控制權。具有較高優(yōu)先級的設備可以搶占低優(yōu)先級設備的訪問，以確保高優(yōu)先級任務的及時執(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備之間通過競爭來確定哪個設備能夠獲得總線控制權。設備發(fā)送仲裁請求后，需要與其他設備進行競爭，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雜度。

總線仲裁是計算機系統(tǒng)中協(xié)調多個設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)展和復雜化，總線仲裁將繼續(xù)在硬件系統(tǒng)中起到重要的作用。