组原学习笔记二：总线

总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。总线传输的特点是在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

一、总线的分类

• 根据总线的作用范围可分为：计算机总线、测控总线、网络通信总线
• 根据连接部件的不同可分为：

  1. 片内总线，芯片内部的总线

  2. 系统总线，计算机各部件（CPU、主存、I/O设备）之间的信息传输线，由于这些部件通常都安放在主板或各个插件板上，故又称板级总线。

     按系统总线传输信息的不同可分为：数据总线、地址总线、控制总线

  3. 通信总线，用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信

     根据数据传输方式可分为：串行通信总线、并行通信总线

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数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息。特点：双向 。与机器字长、存储字长有关，数据总线的位数称为数据总线宽度，它是衡量系统性能的一个重要参数。

地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。特点：单向 。地址总线上的代码与存储地址、I/O端口的地址有关。地址总线的位数与存储单元的个数有关，代表的是CPU的寻址能力。

控制总线：用来发出各种控制信号的传输线。特点：对于任一控制线而言，它的传输是单向的；对于控制线总体而言，又可认为是双向的；控制总线还起到监视各部件状态的作用。比如：查询设备是处于“忙”还是处于“闲”。

二、总线特性及性能指标

特性：

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
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（如地址、数据、控制等）
4. 时间特性：信号的时序关系

性能指标：

1. 总线宽度：通常指数据总线的根数
2. 总线带宽（即总线的数据传输率）：每秒传输的最大字节数(MBps)

影响总线带宽的因素有：总线宽度、传输距离、总线发送和接收电路工作频率的限制以及数据传输形式等。

3. 时钟同步/异步
4. 总线复用：地址线与数据线复用
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
6. 总线控制方式：并发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 其他指标：负载能力

总线标准：
ISA 工业标准结构总线
EISA
VESA(VL-BUS) 视频电子标准协会
PCI 外设部件互连标准
AGP 主要为了连接控制芯片和显卡，是在PCI总线基础上发展起来的。主要针对图形显示方面进行优化，专门用于图形显示卡。
RS-232 串行通信接口标准
USB 通用串行总线

总线带宽的计算：

三、总线结构

• 单总线结构（系统总线）
• 双总线结构（主存总线+I/O总线）
• 三总线结构（主存总线+I/O总线+DMA总线）或（局部总线+系统总线+扩展总线）
• 四总线结构（局部总线+系统总线+高速总线+扩展总线）

总线结构举例： 传统微型机总线结构、VL-BUS局部总线结构、PCI 总线结构、多层 PCI 总线结构

四、总线控制

判优控制

总线上连接着各类设备，按其对总线有无控制能力可分为主设备和从设备两种。若多个主设备同时要使用总线时，就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按照一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。

总线判优（总线仲裁）控制可分集中式和分布式两种，常见的集中控制优先权仲裁方式有三种：链式查询方式、计数器定时查询、独立请求方式。

链式查询方式

（BS-总线忙、BR-总线请求、BG-总线同意、数据线、地址线）

• 优点：1、结构简单，只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁 2、这种链式结构很容易扩充设备。
• 缺点：1、对电路故障特别敏感 2、查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，那么优先级较低的设备可能长期不能使用总线。

计数器定时查询方式

（BS-总线忙、BR-总线请求、设备地址线、数据线、地址线）

• 优点：具有灵活的优先级。（设备的优先级可以通过设置不同的计数初始值来改变。若每次计数总是从0开始，此时设备的优先次序是固定的；若每次计数的初始值总是上次得到控制权的设备的设备号，那么所有设备的优先级就是相等的，是一种循环优先级方式。）
• 缺点：这种方式增加了一组设备线（设备地址线的宽度和设备数量有关），并且每个设备要对设备线的信号进行译码处理，因而控制也变复杂了

独立请求方式

（BG-总线同意、BR-总线请求、数据线、地址线）

• 优点：1、响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。 2、对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。

通讯控制

总线的通讯控制主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调配合通信的问题。

总线传输周期

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. 数据传输阶段：主模块和从模块 交换数据
4. 结束阶段：主模块撤消有关信息，同时从模块撤消有关信息

总线通信的四种方式

1、同步通信：
通信双方由统一时钟控制数据的传输

• 优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。
• 缺点：主从模块时间配合属强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。并且对所有从模块都用同一限时，这就势必造成对各不相同速度的部件而言，必须按最慢速度部件来设计公共时钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局限性，缺乏灵活性。
• 同步通信一般用于总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。

(1) 同步式数据输入

(2) 同步式数据输出：

2、异步通信：
通信双方没有公共的时钟标准，采用应答方式通信。一般用于总线上各部件速度不一致的场合。异步通信分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。

异步通信可用于并行传递或串行传递。异步串行通信时，没有同步时钟，也不需要在数据中传送同步信号。为了确认被传送的字符，约定字符格式为：1个起始位（低电平）、5－8个数据位、1个奇偶校验位、1－2个终止位。传送时起始位后面紧跟的是要传送数据的最低位，每个字符的结束是一个高电平的终止位。
异步串行通信的数据传输率用波特率来表示，波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数。
（带宽是指单位时间内总线上可传输的数据位数）

3、半同步通信：
同步、异步结合。
同步：发送方用系统时钟前沿发信号，接收方用系统时钟后沿判断、识别
异步：允许不同速度的模块和谐工作， 增加一条 “等待”响应 $\overline{WAIT}$ 信号线

T1 ---- 主模块发地址
T2 ---- 主模块发命令
Tw ---- 当 $\overline{WAIT}$ 为低电平时，等待一个 T
Tw ---- 当 $\overline{WAIT}$ 为低电平时，等待一个 T
T3 ---- 从模块提供数据
T4 ---- 从模块撤销数据，主模块撤销命令

同步通信、异步通信、半同步通信的共同点（以一个传输周期内输入数据为例）：

• 主模块发地址、命令：占用总线
• 从模块准备数据：不占用总线，总线空闲
  从模块向主模块发数据：占用总线

4、分离式通信：
充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。充分提高了总线的有效占用。

将一个总线传输周期分为两个子周期，子周期1中主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权。子周期2从模块变为主模块申请占用总线，将各种数据送至总线上。

分离式通信特点：

1. 各模块有权申请占用总线
2. 采用同步方式通信，不等对方回答
3. 各模块准备数据时，不占用总线
4. 总线被占用时，无空闲