总线：特性、分类、性能指标、系统总线的结构、总线仲裁、总线定时、总线标准

总线（Bus），是一组为各功能部件之间进行信息传送的公共线路。

总线的特性：

• 机械特性（物理特性）：尺寸、形状、引脚数、排列顺序。
• 电气特性：每根信号线上的信号传输方向、表示信号有效的电平范围。
• 功能特性：每根信号线的功能。例如：地址总线表示地址码，数据总线表示传输的数据，控制总线表示总线上操作的命令和状态等。
• 时间特性（逻辑特性）：每根信号线上的信号什么时候有效，信号的时序关系。

总线的分类：

系统总线是通常意义上所说的总线。系统总线包括地址总线、数据总线、控制总线。

有些系统，地址总线和数据总线是复用的，即总线上的信号某一时刻表示地址另一时刻表示数据。

总线的性能指标：

总线宽度：又称总线位宽。总线上能同时传输的数据位数。通常与数据总线的根数相同。

总线周期：又称总线的传输周期。一次总线操作所需的时间。也就是通过总线传输 一组数据所需的时间。

        通常总线周期由若干个总线时钟周期构成。有时1个总线周期是1个总线时钟周期，有时1个总线时钟周期包含多个总线周期。

总线周期包括申请阶段（请求和仲裁）、寻址阶段、传输阶段、结束阶段。

1. 申请阶段（请求和仲裁）：设备发出申请信号，经总线仲裁机构决定哪个设备获得总线使用权。
2. 寻址阶段：主设备通过总线发出从设备的地址和相应的命令，启动从设备。
3. 传输阶段：主设备和从设备之间进行数据传送。
4. 结束阶段：主设备的有关信息全部从总线上撤销，让出总线使用权。

主设备：获得总线控制权的设备。

从设备：被主设备访问的设备。只能响应主设备发来的总线命令。

总线时钟周期：机器的时钟周期。即CPU的时钟部件发出节拍信号，1个节拍信号就是1个时钟周期。现在的计算机，总线时钟周期可能由桥接器提供。

总线工作频率：单位时间的传输率（一秒传送多少次数据）。是总线周期的倒数。

总线时钟频率：一秒有多少时钟周期。是总线时钟周期的倒数。

总线带宽：又称总线的数据传输率。即单位时间总线传输的数据位数（每秒总线上传输多少字节）。单位：字节/秒（B/s）

        总线带宽 = 总线工作频率 * 总线宽度 = 总线宽度 / 总线周期

信号线数：地址总线、数据总线、控制总线这3种线 数量的和。

系统总线的结构：

系统总线的结构

单总线结构	双总线结构	三总线结构	四总线结构
一组总线	两组总线	三组总线	四组总线
系统总线	主存总线，I/O总线	主存总线，I/O总线，DMA总线（Direct Memory Access）	CPU总线、系统总线、高速总线，扩充总线
	需要硬件：通道		需要设备：桥接器
CPU、主存、I/O设备都通过一组系统总线交换数据。	通道对I/O设备统一管理，通道程序存放在内存中。 支持突发（猝发）传送即送出一个地址，收到多个地址连续的数据。	高速外设通过DMA总线直接与主存交换数据。	桥接器用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换、控制功能。
结构简单，成本低。但带宽低，负载重，不支持并行传送。	缓和CPU和I/O设备之间的速度矛盾。但需增加通道等硬件设备。	缓和CPU和高速外设（磁盘）之间的速度矛盾。I/O设备对CPU的响应更快，提高系统吞吐量。但系统工作效率低（因同一时刻只有一个总线工作）	现代计算机更常使用。 越靠近CPU的总线速度越快。

总线仲裁：

总线仲裁：同一时间只能一组设备（2个）之间使用总线进行数据传送，多个设备同时需要使用总线，通过某种方式选择某一个主设备获得总线控制权，从而进行数据传送。

总线总裁的方式：集中仲裁方式（链式查询方式、计数器查询方式、独立请求方式），分布仲裁方式。

总线定时：

总线定时：是一种协议或规则，通过总线完成两个设备之间的数据传送需要时间上的配合。

（1）同步通信（同步定时方式）：由统一的时钟信号控制数据传送。固定的时间间隔，总线周期的时间相同。

（2）异步通信（异步定时方式）：没有统一的时钟控制，主设备和从设备之间采用应答方式。

•  不互锁：主设备发出“请求”信号，不必等到从设备的“回答”信号，过段时间自动撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后，发出“回答”信号，过段时间自动撤销“回答”信号。
• 半互锁：主设备发出“请求”信号，必须等到从设备的“回答”信号，再撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后，发出“回答”信号，过段时间自动撤销“回答”信号。
• 全互锁：主设备发出“请求”信号，必须等到从设备的“回答”信号，再撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后，发出“回答”信号，必须等到主设备已经撤销“请求”信号，才撤销“回答”信号。

（3）半同步通信：同步、异步结合。统一时钟的基础上，增加“等待”信号。

（4）分离式通信：主设备申请使用总线，使用完让出总线使用权。从设备申请使用总线，将数据传送到总线。从设备准备数据的时候不需要使用总线，让给其他设备使用总线。提高总线利用率。

总线标准：

总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，是把不同模块组成计算机系统时必须遵守的规范。保证计算机系统的可维护性和可扩充性。按照总线标准设计的接口可以视为通用接口。

总线标准

ISA	Industry Standard Architecture	1984年	系统总线	并行	不支持总线仲裁
EISA	Extended ISA	1988年	系统总线	并行	在ISA基础上增加位宽
FSB，QPI	Front Side Bus， QuickPath Interconnect（multi-FSB）		系统总线	串行	FSB连接CPU与北桥芯片。 QPI用来芯片之间的直接互联，矛头直指AMD的HT总线。
VESA	Video Electronics Standard Architecture	1991年	局部总线	并行	用于传输图像。连接高速网卡、显卡等。 受CPU的控制。
PCI	Peripheral Component Interconnect	1992年	局部总线	并行	连接显卡、声卡、网卡等。 支持即插即用，支持突发传送。 不依附于某个独立处理器，独立于CPU主频。
AGP	Accelerated Graphics Port	1996年	局部总线	并行	基于PCI 2.1版。 连接主存、显卡。
PCI-E	PCI-Express	2001年	局部总线	串行	不支持总线仲裁。支持双向传送，可运行全双工模式，支持热拔插。
RS-232C	Recommended Standard	1970年	通信总线	串行	连接极慢速的电传打印机。
SCSI	Small Computer System Interface	1986年	通信总线	并行	连接硬盘、打印机、扫描仪等。
PCMCI	Personal Computer Memory Card International Association	1991年	通信总线	并行	连接便携设备。连接外部存储卡，增强个人电脑的信息交换。
USB	Universal Serial Bus	1996年	通信总线	串行	设备和设备控制器之间的接口。支持热拔插、即插即用。USB集线器可链式连接127个外设。 采用“差模信号”传送1/0。每次只能传送1bit数据。
IDE（ATA）	Integrated Drive Electronics （PATA：Parallel ATA）	1986年	通信总线	并行	连接硬盘、光驱等。
SATA	Serial ATA	2001年	通信总线	串行	连接硬盘、光驱等。