总线基本概念
总线基本概念
为什么要用总线
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。（如果没有总线，那么每新增一个组件，就需要增加若干线和其余组件相连）
在任何一个时刻，只能有一对设备（固件）使用总线，其余设备若想要使用则需要等待总线释放。（可拓展性强）
总线上信息的传送
串行（要传输的信息一位一位放到总线，接收方也是一位一位接收）
并行（要传输的数据多位同时放到总线，接收方也同时接收多位数据）需要多条数据线进行传输。如果传输距离长，数据线平行向外走，线和线之间会干扰，传输信号会变形，接收方很难接收到正确数据。通常并行传输距离短，集中在计算机机箱内部。
总线结构举例
（假如主存和某一I/O设备在传输，那么CPU和主存之间就无法利用总线传输）
这里说的计数器是？？？
cpu运行程序时指令和数据都来自主存，两者信息交换非常繁忙。
这种处理方式弊端是主存和I/O设备没有直接信息通路。
但是现在存储总线和系统总线依然不能同时工作。
总线的分类
- 片内总线 芯片内部总线（完成芯片内部不同部件的连接）
- 系统总线 芯片和芯片之间的连接，计算机各个部件的信息传输。分为以下三类
- 数据总线 一般是双向的，与机器字长，存储字长有关
- 地址总线 单向的，由cpu发出或主设备发出，与存储地址、I/O地址有关
- 控制总线 有出（存储器读写、总线允许，中断确认） 有入（中断请求、总线请求） （向系统各个部件传输控制信号，或系统各个部件把状态信号传出） 3. 通信总线 用于计算机系统之间或计算机系统和其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信。 传输方式分串行通信总线和并行通信总线。
总线结构
多总线结构
1.双总线结构
此处通道具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一处理（通道有自己的控制器和指令系统。能执行通道指令和通道程序）
2.三总线结构
dma：外部设备直接访问系统内存
高速设备和主存信息交换用的DMA总线，低速设备依然使用I/O总线。
3.三总线结构的又一形式
cpu性能提高每年52%，内存每十年才会提升。内存速度是瓶颈。
小容量高速度cache，对主存数据进行缓存。cpu运行的指令和数据主要来自cache。
多种速度类型设备都连接到扩展总线上，会影响外部设备工作速度。
4.四总线结构
桥扩展出高速总线，低速设备连接到扩展总线上。
总线结构举例
1.传统微型机总线结构
2. VL_BUS局部总线结构
VL_BUS是一条高速总线
3.PCI总线结构
4.多层PCI总线结构
如果连接设备比较多，总线驱动能力不够，可通过PCI桥拓展。
总线控制
总线判优控制？ 多个设备同时向总线发出占用总线请求，选择哪个设备使用总线？
占用总线后如何完成通讯过程，保证通讯过程正确性?
一，总线判优控制
1.基本概念
- 主设备（模块） 对总线有控制权 （提出总线占用申请，占用了总线后可以控制和另外一台设备工作）
- 从设备（模块） 响应从主设备发来的总线命令 （计算机系统中有设备既可以作为主设备又可以作为从设备）
总线判优控制
- 集中式 判优逻辑放在一个部件上，如放在cpu中 又分三种：1.链式查询 2.计数器定时查询 3.独立请求方式
- 分布式 判优逻辑放到各个设备或设备端口
链式查询方式
BR：所有部件都是通过一条线提出的总线请求，不知道哪个设备优先权更高。
BG：逐个查询。各个设备优先级和BG查询顺序有关。（对电路故障特别敏感，出现故障会无法向下传。速度慢，需要一直向下查询。但是该结构简单）
定时器定时查询方式
设备地址：地址由计数器给出。
也是先从接口0开始查询，若接口0无请求，计数器会加1。
计数器的启动值可以配置，比如配置为上一次停止计数值开始，则变成了循环优先级。
设备地址线位宽和外部设备数量有关。
独立请求方式
上面都是按顺序查找，
排队器：可预先设备优先级。还可以自适应优先级，重要设备给与高优先级。
二，总线通信控制
1.目的 解决通信双方协调配合问题
2.总线传输周期 主设备和从设备完成一次完整可靠的传输所需时间。
- 申请分配阶段 主模块申请，总线仲裁决定
- 寻址阶段 主模块向从模块给出地址和命令
- 传数阶段 主模块和从模块交换数据
- 结束阶段 主从模块撤销相关信息
3.总线通信的四种方式
- 同步通信 由统一（定宽定距）时标控制数据传送
- 异步通信 采用应答方式，没有公共时钟标准
- 半同步通信 同步、异步结合（主要解决不同速度设备之间的通信问题）
- 分离式通信 充分挖掘系统总线每一瞬间的潜力
（1）同步式数据输入
固定时间点给出固定操作
t1时钟上升沿，必须给出地址信号。t2时钟上升沿，必须给出读命令信号。t3时钟上升沿之前，从设备必须给出数据信号。t4时钟周期上升沿，数据信号和控制信号撤销。
（2）同步式数据输出
强制同步，对多个不同的速度模块，必须选择速度最慢的模块作为统一时标。
（3）异步通信
和同步相比，不用定宽时标，增加了两条线。
主设备发出通信请求，从设备接收到通信请求后进行应答。之后主、从设备撤销请求、应答。在该过程中，主设备不管是否接收到应答信号，一段延时后都会撤销请求信号。从设备不管主设备是否接收到应答信号，都会撤销应答信号。（不互锁，通信可靠性有问题）
主设备发出通信请求，从设备接收到请求后，发出应答信号。主设备接收到应答信号后，撤销请求。如果接收不到，请求保持。 但是从设备不管总设备是否接收到应答信号。一段时间后都会撤销应答信号（半互锁，有可能导致请求信号一直保持）
主设备发出通信请求，从设备接收到请求后，发出应答信号。主设备接收到应答信号后，才会撤销请求。只有主设备请求撤销以后，从设备才会撤销自己的应答信号。 （全互锁）
（4）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”响应信号 ~wait
以输入数据为例的半同步通信时序
t1 主模块发地址
t2 主模块发命令
tw 当~wait为低电平时，等待一个t （t3到来前，从模块发出wait信号。主设备如果检测到wait信号为低电平，就会插入一个t，等待wait信号。重复检测）
。。。。
（如cpu和主存之间，cpu速度快于主存，t3之前从模块无法提供数据）
t3上升沿到来之前，从模块必须提供数据
t4从模块撤销数据，主模块撤销命令
允许不同设备的主从设备进行交互。
以上三种通信的共同点
一个总线传输周期（以输入数据为例）
- 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
（5）分离式通信
充分挖掘系统总线每一个瞬间的潜力
一个总线传输周期
- 子周期1 主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的请求
- 子周期2 从模块申请占用总线，将各种信息传送至总线上
主模块可以变成从模块
分离式通信特点
- 各模块有权申请占用总线（所有模块都可以从从模块变成主模块）
- 采用同步同步通信方式，不等对方回答
- 各模块准备数据时，不占用总线
- 总线被占用时，无空闲（一定在数据通信或传输命令）