一文搞懂总线仲裁方式

总线仲裁（Bus Arbitration）是指在共享总线的系统中，多个主设备（如CPU、DMA控制器、GPU等）同时请求使用总线时，决定哪个设备获得总线控制权的机制。总线仲裁的目标是避免冲突、公平分配带宽，并确保高优先级任务优先执行。

1. 总线仲裁的基本分类

总线仲裁方式主要分为以下两类：

（1）集中式仲裁（Centralized Arbitration）

• 由中央仲裁器（Arbiter）统一管理总线分配。

• 所有主设备的请求发送给仲裁器，由仲裁器决定优先级。

• 优点：逻辑简单，易于实现高优先级调度。

• 缺点：仲裁器可能成为性能瓶颈，且存在单点故障风险。

（2）分布式仲裁（Distributed Arbitration）

• 没有中央仲裁器，各设备通过竞争或协商决定总线使用权。

• 优点：无单点故障，扩展性强。

• 缺点：实现复杂，可能存在公平性问题。

2. 常见的总线仲裁方式

（1）链式查询（Daisy Chain）

• 原理：

  • 所有设备共享一根“总线请求（BR）”线，按固定优先级顺序连接。

  • 仲裁器收到请求后，依次查询设备，个发出请求的设备获得总线。

• 特点：

  • 优先级固定（离仲裁器越近，优先级越高）。

  • 简单但不公平，低优先级设备可能长期无法获得总线。

• 典型应用：早期ISA总线。

（2）计数器查询（Polling）

• 原理：

  • 仲裁器维护一个计数器，轮询各设备。

  • 当设备请求总线时，仲裁器按计数器顺序检查，个匹配的设备获得总线。

• 特点：

  • 优先级可动态调整（通过修改计数器）。

  • 比链式查询更公平，但仍有延迟。

• 典型应用：某些工业控制总线。

（3）独立请求（Independent Request）

• 原理：

  • 每个设备有独立的请求线（BR）和授权线（BG）。

  • 仲裁器根据优先级（可编程）直接授权某个设备。

• 特点：

  • 响应快，适合高性能系统（如PCIe）。

  • 需要较多信号线，硬件成本高。

• 典型应用：PCI、PCIe总线。

（4）时间片轮转（Time-Slice Round-Robin）

• 原理：

  • 总线使用权按固定时间片轮流分配给各设备。

  • 类似CPU的时间片调度。

• 特点：

  • 公平，但可能浪费带宽（即使某设备无数据也要分配时间片）。

  • 适合负载均衡场景。

• 典型应用：某些SoC内部总线。

（5）冲突检测（CSMA/CD, CSMA/CA）

• 原理：

  • 载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）：设备发送前监听总线，冲突时回退重试（如以太网）。

  • 载波监听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）：通过ACK确认避免冲突（如Wi-Fi）。

• 特点：

  • 完全分布式，无需仲裁器。

  • 适用于高延迟、非实时网络。

• 典型应用：以太网、无线局域网（Wi-Fi）。

3. 总线仲裁的优先级策略

除了仲裁方式，还需制定优先级规则：

• 固定优先级：如链式查询，高优先级设备总是优先。

• 动态优先级：

  • LRU（近少使用）：避免某些设备“饿死”。

  • 轮询+权重：结合时间片和优先级。

• 紧急请求：如DMA可打断CPU获取总线（用于高速数据传输）。

4. 典型总线的仲裁方式对比

5. 总结

1. 集中式仲裁（如独立请求）适合高性能系统，分布式仲裁（如CSMA）适合网络。

2. 链式查询简单但不公平，时间片轮转公平但低效。

3. 优先级策略（固定/动态）影响系统实时性和公平性。

关键点记忆：

• “链式查固定，独立请高效，时间片公平，CSMA抗冲突。”

• 现代高性能总线（如PCIe）趋向于点对点通信，减少仲裁需求。