总线与接口

1. 总线基本概念

1.1 总线分类

1.2 系统总线组成

• 数据总线：双向，传输数据，宽度决定一次传输的数据量
• 地址总线：单向（CPU→外设），宽度决定寻址空间
• 控制总线：读/写信号、中断请求、总线请求等

$\text{寻址空间} = 2^{\text{地址总线宽度}}$

例如 32 位地址总线可寻址 $2^{32} = 4\text{GB}$。

1.3 总线性能指标

$\text{总线带宽} = \frac{\text{数据宽度} \times \text{总线频率}}{\text{时钟周期数/传输}}$

示例：64 位数据总线，200 MHz，每个传输需 2 个时钟周期：

$\text{带宽} = \frac{64 \times 200 \times 10^6}{2 \times 8} = 800\text{MB/s}$

2. 总线仲裁

2.1 集中仲裁

链式查询（菊花链）：

总线请求 → 仲裁器 → BG 信号 → 设备1 → 设备2 → ... → 设备N

• 优先级由物理位置决定（离仲裁器近的优先级高）
• 简单，但优先级固定，对远端设备不公平
• 一个设备故障可能导致后续设备无法获得总线

计数器定时查询：

• 仲裁器从当前计数值开始查询
• 计数从0开始：等效于链式查询
• 计数从上次停止处开始：循环优先级

独立请求方式：

• 每个设备有独立的总线请求和授权线
• 仲裁器可灵活分配优先级
• 硬件复杂度 $O(n)$，但响应最快

2.2 分布仲裁

自举分布式仲裁：

每个设备有唯一优先级ID，同时请求时，优先级高的获得总线。

冲突检测（CSMA/CD）：

以太网使用的仲裁方式，先听后发，冲突时退避重试。

3. 总线定时

3.1 同步定时

所有设备使用统一时钟：

时钟周期1：主设备发地址
时钟周期2：从设备返回数据

优点：控制简单 缺点：时钟频率受最慢设备限制

3.2 异步定时

无统一时钟，使用握手协议：

全互锁握手：

主设备：发请求(REQ) ──────────→
                          等待
从设备：          ←──── 发应答(ACK)
主设备：撤销REQ ──────────→
从设备：          ←──── 撤销ACK

优点：适应不同速度的设备 缺点：每次传输需要多次握手，开销较大

3.3 半同步定时

在同步基础上增加等待信号（WAIT），允许慢设备插入等待周期。

4. PCI Express（PCIe）

4.1 PCIe 架构

PCIe 采用点对点串行互连，取代 PCI 的并行共享总线：

4.2 PCIe 通道

每条 PCIe 通道包含两对差分信号线（发送+接收）：

$\text{单通道带宽} = \frac{\text{数据速率} \times \text{编码效率}}{8}$

4.3 PCIe 事务层

PCIe 使用数据包传输：

┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────┐
│  TLP头   │  可选头   │  数据负载  │  ECRC    │
│ (3~4DW)  │ (0~3DW)  │ (0~1024DW)│ (1DW)   │
└──────────┴──────────┴──────────┴──────────┘

TLP 类型：Memory Read/Write、IO Read/Write、Configuration Read/Write、Message。

5. USB

5.1 USB 版本演进

5.2 USB 传输类型

5.3 USB 拓扑

USB 采用树形拓扑，最多支持 7 层深度、127 个设备：

主机控制器
  ├── 集线器1
  │     ├── 设备1
  │     └── 设备2
  └── 集线器2
        ├── 设备3
        └── 集线器3
              └── 设备4

6. 嵌入式常用总线

6.1 I2C

两线制串行总线：SCL（时钟）+ SDA（数据）。

通信流程：

起始条件 → 从机地址(7bit) + 读/写位 → ACK → 数据 → ACK → 停止条件

6.2 SPI

四线制高速串行总线：

特点：全双工、高速（可达数十Mbps）、无寻址机制（通过片选选择设备）。

6.3 UART

异步串行通信：

空闲(高) → 起始位(低) → 数据位(5~9bit) → 校验位 → 停止位(高)

7. 系统互连架构

7.1 片上网络（NoC）

多核处理器中，核心间通过路由器网络互连：

7.2 路由策略

• 维序路由（XY路由）：先沿X方向，再沿Y方向，无死锁
• 自适应路由：根据网络拥塞动态选择路径
• 最短路径路由：选择跳数最少的路径