目录
- 一、总线的基本概念
- 1.1什么是总线
- 1.2总线上信息的传送
- 1.3总线结构的计算机举例
- 二、总线的分类
- 2.1片内总线
- 2.2系统总线
- 2.3通信总线
- 三、总线特性及性能指标
- 3.1总线特性
- 3.2总线的性能指标
- 3.3总线标准
- 四、总线控制
- 4.1总线判优控制
- 4.1.1基本概念
- 4.1.2链式查询方式
- 4.1.3计数器定时查询
- 4.1.4独立请求方式
- 4.2总线通信控制
- 4.2.1目的
- 4.2.2总线传输周期
- 4.2.3总线通信的四种方式
- 4.1总线判优控制
一、总线的基本概念
1.1什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质
在任意时刻，只能有一对设备/部件使用总线
1.2总线上信息的传送
串行：一次传送一位数据。一般用于长距传输，如机器之间
并行：一次传送多位数据。多根线并列传输，线路过长时容易产生干扰导致接收方所得信号变形，因此一般用于短距传输，如机箱内部；可采用特殊措施实现长距传输
1.3总线结构的计算机举例
1、单总线结构框图
缺点：主存与 I/O接口连接时，CPU会停止工作，极大地降低了工作效率
2、面向 CPU的双总线结构框图
优点：CPU的指令和数据都来自主存，单独一根总线连接可提高效率
缺点：主存和 I/O设备间没有直接通路，通过 CPU中转时会导致 CPU停止工作从而降低工作效率
3、以存储器为中心的双总线结构框图
缺点：两条总线无法同时进行工作
二、总线的分类
2.1片内总线
芯片内部的总线
2.2系统总线
1、数据总线：双向；与机器字长、存储字长有关，总线宽度一般小于等于机器字长或存储字长
2、地址总线：单向：与存储地址、I/O地址有关
3、控制总线：有出（CPU发出的；存储器读/写，总线允许，中断确认），有入（发给 CPU的；中断请求，总线请求）
2.3通信总线
用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统（如控制仪表，移动通信等）之间的通信
传输方式：串行通信总线，并行通信总线
三、总线特性及性能指标
3.1总线特性
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、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（数字逻辑课程）
3.2总线的性能指标
1、总线宽度：数据线的根数
2、标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
3、时钟同步/异步：同步、不同步
4、总线复用：地址线与数据线复用（就是共用）——8086的例子 "复用的目的是减少芯片的管脚数，从而减小芯片的体积"
5、信号线数：地址线、数据线、控制线的总和
6、总线的控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7、其他指标：负载能力（能连接几个 I/O设备）
3.3总线标准
四、总线控制
4.1总线判优控制
4.1.1基本概念
1、主设备/模块：对总线有控制权
2、从设备/模块：相应从主设备发来的总线命令
有的总线只允许有一个主设备，有的允许多个
3、总线仲裁决定
分为集中式和分布式，集中式下分链式查询、计数器定时查询、独立请求方式
4.1.2链式查询方式
BS-总线忙，BR-总线请求，BG-总线同意
假设接口1和 n同时发送总线占用请求，两个请求通过 BR线传入总线控制部件。控制部件确定同意后，从 BG线发出响应。响应先到接口0，发现它没有发送请求，于是向下查询，到接口1发现是它发送的请求，于是把控制权交给接口1，接口1得到控制权后后通过 BS线发送总线忙的消息
特点：优先级与 BG线的查询顺序有直接关系，即各个 I/O设备占用总线的优先权的先后顺序。优先权由连接方式事先确定（若某设备优先级太低，发出的请求可能永远得不到回答）
缺点：对电路故障特别敏感。尤其是 BG线，如果某接口电路出现线路故障，该信号无法向下传，后面的设备永远无法获得总线使用权
优点：结构简单，增删设备容易，进行可靠性设计容易实现（比如 BS、BG设置成2根线，避免一根线断了无法继续工作）
4.1.3计数器定时查询
BS-总线忙，BR-总线请求
请求方式和链式查询方式差不多，但是少了条 BG线，多了条设备地址线
假设计数器初值设为0，接口1和 n同时发送总线占用请求，两个请求通过 BR线传入总线控制部件。控制部件确定同意后，从设备地址线发出响应。计数器目前是0，因此先检查接口0是否发送请求，发现没有，计数器加1变成1，于是检查接口1发现是它发送的请求，于是把控制权交给接口1，接口1得到控制权后后通过 BS线发送总线忙的消息
特点：优先级的设置取决于控制部件内的计数器；计数器的初值可自行设定，从而确定优先级
4.1.4独立请求方式
前两种都是按顺序查找，速度较慢
BR-总线请求，BG-总线同意
特点：优先级的设置取决于控制部件内的排队器；可以事先确定优先级，也可以通过自适应算法建立
4.2总线通信控制
4.2.1目的
解决通信双方协调配合问题
4.2.2总线传输周期
主设备和从设备之间完成一次完整且可靠的通信所需时间
1、申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
2、寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
3、传输阶段：主模块和从模块交换数据
4、结束阶段：主模块撤销有关信息
4.2.3总线通信的四种方式
1、同步通信：由统一时标控制数据传送
2、异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准
3、半同步通信：同步、异步结合
4、分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力
详细讲解
假设 CPU从某一外部设备进行数据输入
同步通信
特征
- 有一个定宽、定距的时标控制整个数据的传输过程
- 在固定的时间点上要给出固定的操作
- 所有从模块用同一个时标控制
- 主从模块强制同步；对速度不同的从模块，选择最慢的作为统一的时标
- 通常应用在总线长度较短，各个模块存取时间比较一致的情况
- 总线传输周期由四个时钟周期组成
- 除了时钟信号，CPU要完成数据输入（输出）的话，还需要地址信号、读（写）信号
- 从模块在给定时间点上给出数据的输出（输入），对 CPU来说是数据的输入（输出）
1）同步式数据输入
过程
- 在第一个时钟周期的上升沿，给出地址信号，该地址信号是主模块给出的（该例中是 CPU给出的）
- 在第二个时钟周期的上升沿，给出读信号，告诉从模块 CPU要从从模块读入数据
- 在第三个时钟周期的上升沿，从模块必须给出数据信号，并通过数据总线传输
- 在第四个时钟周期的上升沿，数据信号和控制信号撤销
- 在第四个时钟周期结束的时候，地址信号撤销
2）同步式数据输出
过程
- 在第一个时钟周期的上升沿，给出地址信号
- 在第一个时钟周期的下降沿，给出数据信号
- 在第二个时钟周期的上升沿，给出写信号，向从模块进行数据写入
- 在第三个时钟周期的上升沿，作写入操作
- 在第四个时钟周期的上升沿，数据信号和控制信号撤销
- 在第四个时钟周期结束的时候，地址信号撤销
异步通信
特征
- 没有定宽、定距的时钟周期，但增加了两条线：请求线（主模块发出请求信号），应答线（从模块回应主设备发送的请求）
- 通过请求、回答两个控制信号完成联络
不互锁
主模块发出通信请求，从模块接收后进行应答。之后主模块撤销请求信号，从模块也撤销应答信号
主模块不管是否收到应答信号，经过一定的时延后都会撤销请求信号
从模块不管主模块是否收到应答信号，经过一定的时延后都会撤销应答信号
半互锁
主模块发出通信请求，从模块接收后进行应答，主模块接收应答信号后撤销请求信号；如果接收不到，请求会一直保持
后果：可能造成请求信号一直高电平
全互锁
主模块发出通信请求，从模块接收后进行应答，主模块接收应答信号后撤销请求信号，只有主模块撤销请求后，从模块才会撤销应答信号
如果传输过程中发现数据出错，半互锁、全互锁可以请求从模块重新发送和接收数据