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  • 计算机组成原理 总线仲裁 总线
    2022-03-11 10:26:14

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    定义:

    分类:

    1.集中式仲裁:

    1.串行查询/链式查询:

    2.定时查询/计数器定时查询:

    3.独立请求:

    2.分布式总线仲裁:


     

    定义:

    当总线上有多个候选的主部件同时申请使用总线时,必须有一个总线控制机构按照某种策略(优先次序)对申请进行裁决,这就叫做总线仲裁。

    分类:

    1.集中式仲裁:

    如果总线仲裁逻辑基本集中在一处,就称为集中式总线仲裁。

    它包括三种:

    1.串行查询/链式查询:

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAQnVsZSBHdXk=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    链式查询特点:

    ①总线授权信号BG串行地从一个I/O设备传送到下一个I/O设备
    ② 优先级固定:离“总线控制部件”最近的优先级最高,最远的优先级最低。
    故优先级通过物理上的排队电路来实现的。
    ③ 设计简单:采用很少的几根线,就可按一定的优先级实现总线仲裁。
    易于扩充设备。
    ④ 若第J个设备中的接口电路出现故障,则第J个之后的都无法正常工作。
    即对电路故障很敏感。
    ⑤ 若优先级高的设备频繁发出请求,则优先级低的设备可能很长时间都无法
    得到总线控制权。

    2.定时查询/计数器定时查询:

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAQnVsZSBHdXk=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    特点:
    ①仲裁器接收到请求信号以后,在BS线为“0”的情况下,让计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各个设备。
    ②每个设备接口都有一个“设备地址判别电路”当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备将BS线置为1,获得了总线的使用权,此时中止计数查询。
    ③ 若从0开始,各个设备的优先级次序同“链式查询法”相同,此时优先级的顺序是固定的。(谁的地址小,谁的优先级就最高
    ④ 若从中止点开始,则每个设备的优先级相等。
    ⑤ 可通过程序来设置计数器初值,动态来改变其优先级。即可编程

    3.独立请求:

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAQnVsZSBHdXk=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

     

    2.分布式总线仲裁:

    如果总线仲裁逻辑分散在总线上的各个部件中,就称为分布式总线仲裁。

     

     

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    笔记📗

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    计算机组成原理-数制与编码(进制转换)
    计算机组成原理-定点数的表示和运算
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    计算机组成原理-算术逻辑单元ALU
    计算机组成原理-存储系统
    计算机组成原理-高速缓冲存储器
    计算机组成原理-指令系统 (指令、操作码、地址码、指令寻址、数据寻址)
    计算机组成原理-中央处理器(CPU基本结构及功能、指令执行、数据通路、硬布线控制器、微程序控制器、指令流水线)

    资源💾

    计算机组成原理PPT:链接: https://pan.baidu.com/s/1EqL9NmQ-0glDNIFPBfUmVg 密码: sfwg
    配套书籍:链接: https://pan.baidu.com/s/1cZx27Gfooj2uAhSP9sbrRA 密码: j5ms


    基本概念

    总线是一组能为多个部件分时共享公共信息传送线路

    「分时」:同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息,如果系统中有多个部件,则它们只能分时地向总线发送信息。

    「共享」:总线上可以挂接多个部件,多个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。


    总线的特性

    1. 机械特性:尺寸、形状、管脚数、排列顺序
    2. 电气特性:传输方向和有效的电平范围
    3. 功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制)
    4. 时间特性:信号的时序关系

    总线的分类

    按照数据传输格式

    按照总线功能

    或者也可以理解为按照连接的部件划分

    片内总线

    「片内总线」是芯片内部的总线。是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

    系统总线

    「系统总线」是计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)直接之间相互连接的总线。按照「系统总线」传输信息内容的不同,又可分为3类:数据总线地址总线控制总线

    通信总线

    「通信总线」是用于**计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如远程通信设备、测试设备)**之间信息传送的总线,「通信总线」又称之为「外部总线」。

    按照时序控制方式

    「同步总线」:指互联的部件或设备均通过统一的时钟进行同步,即所有的互联的部件或设备都必须使用同一个时钟(同步时钟),在规定的时钟节拍内进行规定的总线操作,来完成部件或设备之间的信息交换。

    「异步总线」:指没有统一的时钟而依靠各部件或设备内部定时操作,所有部件或设备是以信号握手的方式进行,即发送设备和接受设备互用请求(request)和确认(acknowledgement)信号来协调动作,总线操作时序不是固定的。因此,异步总线能兼容多种不同的设备,而且不必担心时钟变形或同步问题使得总线长度不受限制。例如,火线协议(Firewire或IEEE1394)和USB2.0协议都是异步总线协议。


    系统总线的结构

    单总线结构

    注意:「单总线」并不是指只有一条信号线,根据传输信息的不同可以细分为地址总线数据总线控制总线

    「CPU」、「主存」、「I/O设备」通过I/O接口都连接在一组总线上,允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。

    优点:结构简单,成本低,易于接入新的设备。

    缺点:带宽低、负载重,多个部件只能争用唯一的总线,而且不支持并发的传送操作。

    双总线结构

    结构:双总线结构有两条总线,一条是主存总线,用于「CPU」、「主存」和「通道」之间进行数据传送;另一条是I/O总线,用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。

    三总线结构

    结构:三总线结构是计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路,这3条总线分别为主存总线I/O总线直接内存访问DMA总线

    DMA:Direct Memory Access,直接内存访问

    优点:提高了I/O设备的性能,使其更快地响应命令,提高系统吞吐量。

    缺点:系统工作效率较低。

    四总线结构

    桥接器:用于连接不同的总线,具有数据缓冲、转换和控制功能

    靠近CPU的总线速度较快


    总线性能指标

    传输周期

    一次总线操作所需时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段),通常由若干个总线时钟周期构成

    时钟周期

    即机器的「时钟周期」。计算机有一个统一的时钟,来控制整个计算机的各个部件,总线也要受此时钟的控制。

    工作频率

    总线上各种操作的频率,为总线周期的倒数。实际上指一秒钟内传送几次数据。如果总线周期=N个时钟周期,即N个时钟周期传输一次数据,则总线的工作频率 = 时钟频率/N。

    时钟频率

    机器的时钟频率,为时钟周期的倒数。

    总线宽度

    又称为「总线位宽」,是总线上可以同时传输的数据位数,通常指数据总线的根数,如32根就称之为32位总线。

    总线带宽

    总线的数据传输率位,即单位时间内总线可以传输数量的位数,通常用每秒传送信息的字节数来衡量,单位可以用字节/秒(B/s)表示。

    总线带宽 = 总线工作频率 * (总线宽度/8)

    总线复用

    「总线复用」是指一条信号线在不同的时间传输不同的信息,因此可以使用较少的线传输更多的信息,从而节省空间和成本。

    信号线数

    地址总线数据总线控制总线3种总线数的总和称之为信号线数。总线的最主要性能指标为「总线宽度」、「总线工作频率」、「总线带宽」,「总线带宽」是指总线本身最高可以达到的最高传输速率,是衡量总线性能的重要指标。


    总线仲裁

    为解决多个主设备同时竞争控制权的问题,应该采用总线仲裁部件,以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权。只有获得了总线控制权的设备,才能开始传送数据。

    总线仲裁方式按照仲裁控制机构的设置可以分为「集中仲裁方式」和「分布仲裁方式」两种。

    集中仲裁

    链式查询方式

    总线上所有的部件共用一根总线请求线,当有部件请求使用总线的时候,需要通过总线请求线发送请求信号到总线控制器。总线控制器检查总线是否忙,如果不忙,则立即发出总线响应信号,总线响应线路从一个部件传到下一个部件,以此查询。

    在链式查询中,部件离总线控制器越近,其优先级越高;部件离总线控制器越远,其优先级越低。

    优点:链式查询方式优先级固定。此外,只需很少几根控制线就可以按照一定的优先次序实现总线控制,结构简单,扩充容易。

    缺点:对硬件电路的故障敏感,并且优先级不能改变。当优先级高的部件频繁的请求使用总线时,会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

    计数器定时查询方式

    采用一个计数器控制总线使用权,相对链式查询方式多了一组设备地址线,少了一组总线响应线BG。它仍用一根总线请求线,当总线控制器受到总线请求信号并判断总线空闲时,计数器开始计数,计数值通过设备地址线发向各个部件。当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时,该设备获得总线控制权,同时中止计数器的计数及查询。

    优点:计数可从“0”开始,此时一旦设备的优先次序被固定,设备的优先级就按0,1,1…,n的顺序降序排列,而且固定不变;计数也可以从上一次的终点开始,即采用一种循环方法,此时设备使用总线的优先级相等。

    缺点:增加了控制线数(若设备有n个,则大致需要 l o g 2 n + 2 log_2n + 2 log2n+2条控制线),控制也比相对链式查询复杂。

    独立请求方式

    每个设备均有一对总线请求线 B R i BR_i BRi和总线允许线 B G i BG_i BGi。当总线上的部件需要使用总线时,经各自的总线请求线发送总线请求信号,在总线控制器中排队,当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时,给该部件发送总线响应信号,该部件接到此信号后就获得了总线使用权,开始传送数据。

    优点:响应速度快,总线允许信号BG直接从控制器发送到有关设备,而不必在设备间传递或查询,而且对优先次序的控制相当灵活。

    缺点:控制线数量多(设备有n个,需要2n+1条控制线,其中加的那条控制线为BS线,其作用是让设备箱总线控制部件反馈已使用完总线),总线控制逻辑更复杂。

    区别与联系

    分布仲裁

    分布仲裁方式不需要中央仲裁器,每个潜在的主模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,就会将它们各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较。


    总线操作和定时

    「总线定时」是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制,这种控制称为「总线定时」,其实质是一种协议或规则,主要有同步异步两种基本定时方式。

    总线传输的四个阶段

    申请分配阶段

    由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请,由「总线仲裁」机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可以将此阶段细分为传输请求总线仲裁两个阶段。

    寻址阶段

    取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令,启动参与本次传输的从模块。

    传输阶段

    主模块和从模块进行数据交换,可单向或双向进行数据传送。

    结束阶段

    主模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线的使用权。

    同步定时方式(同步通信)

    系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。时钟产生相等的时间间隔,每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中,发送方和接收方可以进行一次数据传送。因为采用统一的时钟,每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中,一个总线的传送周期结束,下一个总线的传送周期开始,

    优点:传送速度快,具体较高的传输效率;总线控制逻辑简单。

    缺点:主从设备属于强制性同步不能及时的进行数据通信的有效性检验,可靠性较差。

    异步定时方式(异步通信)

    在异步通信定时方式中,没有统一的时钟,也没有固定的时间间隔,完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。

    优点:总线周期长度可变,能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换,自动适应时间的配合

    缺点:比同步控制方式稍微复杂一些,速度比同步定时方式慢。

    根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁,异步定时方式又分为以下3种类型:

    不互锁方式

    半互锁方式

    全互锁方式

    数据传输率

    异步串行传输方式下,起始位为1位,数据位为7位,校验位为1位,停止位为1位,如果波特率为1200bit/s,求这时有效数据传输率为多少?

    「波特率」:单位时间内传送的二进制数据的位数,单位用bps(位/秒)表示,记为波特

    「比特率」:单位时间内传送二进制有效数据的位数,单位用bps表示,bps即bit/s

    每传送 ( 1 + 1 + 7 + 1 ) = 10 (1+1+7+1)=10 (1+1+7+1)=10个二进制位,就传送了7个有效数据位。

    故有效数据传输率为 1200 × 7 / ( 1 + 1 + 7 + 1 ) = 840   b i t / s 1200 \times 7/(1+1+7+1) = 840 \ bit/s 1200×7/(1+1+7+1)=840 bit/s

    半同步通信

    统一时钟的基础上,增加一个“等待”响应信号 W A I T ‾ \overline{WAIT} WAIT

    展开全文
  • 摘要:本文详细介绍了OPB总线仲裁器的信号和仲裁机理。在QuartusII8.0平台上,分别用固定优先级算法和LRU算法,用硬件描述语言(verilog HDL)对OPB总线仲裁器进行了RTL硬件建模。并用FPGA进行实现,并比较了仿真结果和...
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  • 计算机总线仲裁详解

    千次阅读 2020-11-28 16:59:48
    文章目录总线仲裁一、关于总线仲裁二、总线仲裁的分类1.集中仲裁方式1.链式查询方式2.计数器定时查询方式3.独立请求方式2.分布仲裁方式 总线仲裁 一、关于总线仲裁 总线仲裁来由: 我们按照对总线有无控制功能将...


    总线仲裁


    一、关于总线仲裁

    总线仲裁来由: 我们按照对总线有无控制功能将总线上所连接的各类设备分为主设备和从设备。

    主设备:具有获得总线控制能力的设备。
    从设备:被主设备访问的设备,只能响应总线上的各种数据请求,而本身不具备控制总线的能力的设备。

    随着技术的发展,多个主设备同时访问总线的情况越来越多,这个时候多个设备就会去争抢总线的使用权,由此引出了总线仲裁。

    二、总线仲裁的分类

    总线仲裁可以分为两大类:集中仲裁方式和分布仲裁方式。

    1.集中仲裁方式

    首先来了解一下总线仲裁的流程,方便后面的理解。

    总线总裁可以分为三步:

    1. 主设备发出请求信号。
    2. 若同时有多个主设备请求,由总线控制器按照一定的优先级确定哪个设备能够访问总线。
    3. 获得总线控制权的设备开始传输数据

    了解了总线仲裁的流程,下面来详细介绍一下集中仲裁的三种方式:

    1.链式查询方式

    图例:
    在这里插入图片描述
    这里对图中的三种数据线做一下介绍,后面与此相同:

    BG:总线允许,由总线控制设备指定一个主设备获得总线控制权
    BR:总线请求,主设备向总线控制器发出控制总线的请求
    BS:总线忙,如果此时有一个主设备已经获得了总线的控制权,由该主设备发出总线忙信号告诉总线控制设备我已经获得了总线控制权
    	不要再将控制权分给别人。
    

    这里介绍一下具体的工作流程:

    1. 主设备通过BR总线请求线向总线控制设备发出控制总线的请求。
    2. 总线控制设备通过BG线,从距离总线控制设备最近的那个主设备出发,判断是哪个主设备发出了总线控制请求,最后将总线的使用控制权交给给主设备。
    3. 主设备获取到总线控制权后,会通过BS线告知我已经获取了总线的控制权并仍在使用。
    4. 主设备对总线的使用完毕后,会通过BS线发出使用完毕的信号,同时释放总线的控制权,再由总线控制设备赋予其他发出总线控制请求的设备控制权。

    链式查询的特点:从图中可以看出,总线控制设备会从设备1依次向后遍历,来确认该设备是否发出了总线控制请求。所以距离总线控制设备越近的设备优先级就会越高。

    链式查询方式的优点:只需要很少的几根线就能按照一定的优先级次序实现总线控制,结构简单。

    同样的缺点也很明显:对硬件故障反应很敏感,如果某个时刻BG线发生故障,会导致故障点以后的主设备无法在获得总线的控制权。还有,如果优先级较高的设备频繁的使用总线的时候,此时优先级较低的设备就长时间无法使用总线。

    2.计数器定时查询方式

    在这里插入图片描述
    如图:计数器定时查询方式省去了BG线,增加了一组设备地址线,要注意,这里的设备地址线是一组,不是一根。具体数目的多少要根据有多少个设备来决定。

    如果有n个设备,就是log2n条(以2为底n的对数),再加上BS、BR。
    

    具体的工作流程与链式查询类似,这里不再赘述。值得注意的是:在总线控制设备内部,有一个计数器的一个装置。是用来计数操作的,总线控制设备每访问一个设备,计数器的数值都会加1。

    这样做的好处就是避免了链式查询方式的缺点:计数器的初始可以改变优先级的顺序。如果每次计数都重新从0开始计数,则优先级是固定的,距离总线控制设备越近,优先级就越高;如果每次计数从上次计数的终点开始,那么每个主设备都只能获得一次的总线控制权,优先级相同。同时,由于设备地址线是一组线,对硬件故障反应就没有那么敏感。

    3.独立请求方式

    在这里插入图片描述
    从图中可以看出,每一个设备都有一套自己的设备线。在总线控制设备内部,存在一个排队器,当多个设备请求控制总线时,会由排队器决定他们的优先级顺序。

    具体的工作流程还是参照上面两种方式。

    从独立请求方式的结构图可以看出,设备可以与总线控制设备直接交互,所以响应速度是很快的,同时对优先级的控制也相对更加灵活。
    但是相对的需要的控制线众多,总线的控制逻辑也相对复杂

    如果有n个设备,就需要2n条控制线,一根BS线
    

    2.分布仲裁方式

    分布式仲裁不需要中央仲裁器,每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。这里不做详细介绍。

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  • 因此必须提供⼀种机制来决定在某个时刻由哪个设备拥有总线使⽤权的过程称为总线仲裁。 仲裁⽅式可分为集中仲裁方式和分布式仲裁方式。 一、集中仲裁方式 集中仲裁将所有的总线请求集中起来,利⽤⼀个特定的裁决...

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    仲裁⽅式可分为集中仲裁方式和分布式仲裁方式

    一、集中仲裁方式

    集中仲裁将所有的总线请求集中起来,利⽤⼀个特定的裁决算法进⾏裁决,基本由CPU进⾏处理。
    集中仲裁方式有链式查询方式、计数器定时查询 方式和独立请求方式3种。

    1.链式查询方式

    总线上所有的部件共用一根总线请求线,当有部件请求使用总线时,需经此线发总线请求信号到总线控制器。由总线控制器检查总线是否忙,若总线不忙,则立即发总线响应信号,经总线响应线BG 串行地从一个部件传送到下一个部件,依次查询。若响应信号到达的部件无总线请求,则该信号立即传送到下一个部件;若响应信号到达的部件有总线请求,则信号被截住,不再传下去。

    在链式查 询中离总线控制器越近的部件,其优先级越高:离总线控制器越远的部件,其优先 级越低。

    2.计数器定时查询

    采用一个计数器控制总线使用权,相对链式查询方式多了一组设备地址线,少了一根总线响应线 BG。它仍共用一根总线请求线,当总线控制器收到总线请求信号,判断总线空闲时,计数器开始计数 计数值通过设备地址线发向各个部件 当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时,该设备获得总线控制权。同时,中止计数器的计数及查询。

     

    3. 独立请求方式

    每⼀个设备均有⼀对总线请求BRi和总线允许线BGi,当总线上部件需要使⽤总线时,经过各⾃总线请求发送总线请求信号在总线控制器排队,当总线控制器按⼀定优先次序决定批准某个部件使⽤时,则给该部件发送总线响应信号,该部件获得控制权。

    二、分布仲裁方式 

    分布仲裁⽅式不需要中央仲裁器,每个潜在的主模块都有⾃⼰的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,就会把它们各⾃唯⼀的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器从仲裁总线上得到的仲裁号与⾃⼰的仲裁号⽐较。若仲裁总线上的仲裁号优先级⾼,则它的总线请求不予响应,并撤销它的仲裁号。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

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  • 6.2 总线仲裁

    2020-09-27 11:41:57
    6.2 总线仲裁 1.前言 1.仲裁要解决的问题:如何解决多个多个设备争用总线的问题? 2.同一个时刻只能有一个设备控制总线传输操作,可以有一个或多个设备从总线接受数据 3.主设备与从设备 主设备:获得总线控制权...
  • 摘要:以自行研制开发的PCI高速总线背板为背景,系统地论述了PCI总线的仲裁机制、... 在PCI总线技术规范的基础上,采用EPLD实现了高速PCI总线背板中多主控设备的总线仲裁。  1 PCI总线的仲裁机制  PCI总线仲裁是基
  • 总线仲裁

    2020-07-29 09:17:12
    总线仲裁 1.总线仲裁的基本概念 2.集中仲裁方式 3.分布仲裁方式
  • 文章目录1 总线的概念与分类1.1总线的定义1.2 总线的特点1.3 总线的特性1.4 总线的分类1.4.1 串行总线与并行总线1.4.2 按总线功能分类1.5 系统总线的结构1.6 总线概念与分类小结2 总线的性能指标2.1 性能指标分析2.2...
  • 总线 概述 基本概念 一组能为多个部件分时共享的 公共信息传送线路 共享指总线上可以挂接多个部件,各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组线路分时共享 分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息,如果...
  • 针对高冲突率的共享总线设备争用问题,为了提高设备目的带宽比和实际带宽比的吻合程度以及争用总线的公平性。本文在固定优先级和两层仲裁算法的基础上,借鉴经典彩票仲裁算法,通过给每个设备添加彩票,并在冲突设备...
  • 文章目录一:总线仲裁基本概念(1)主设备和从设备(2)总线仲裁的定义(3)为什么要进行总线仲裁(4)总线仲裁分类二:集中仲裁(1)链式查询方式(2)计数器查询方式三:独立请求方式 一:总线仲裁基本概念 (1)...
  • IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线),这种总线类型是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的,主要是用来连接整体电路(ICS) ,IIC是一种多向控制总线,也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下,...
  • 总线仲裁由于总线上连接着多个部件,何时由哪个部件发送信息,如何定时,如何防止信息丢失,如何避免多个设备同时发送,如何规定接收部件等一系列问题都需要总线控制器统一管理,主要包括总线的判优控制(仲裁逻辑)和...
  • SoC 设计广泛采用共享总线式的片上通信,其中的仲裁器是共享总线的关键技术之一。AMBA AXI 总线协议以高性能、高频率的系统设计为目标,适合高带宽、低延迟的系统设计,可以达到高频率的操作而不需要复杂的总线桥,...

空空如也

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