3.1 总线的基本概念
一、为什么要用总线？
为了实现不同部分之间的连接。另外如果分别使用不同的线，那么成本非常高，难度也非常大，设备之间的接口要占用大量的空间，如果要新增一个模块，那么就要增加N束线，所以又不能用分散连接。所以使用总线（BUS）。
二、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。
三、总线上信息的传送
包括串行和并行。不再做解释。通常情况下，并行距离比较短，串行距离比较长。
四、总线结构的计算机举例
1.单总线结构框图
图1.1 单总线结构图
把所有部件都连接到1个总线上。但是它存在以下问题：
（1）同一时刻只能一个部分使用总线，这会成为整个系统的瓶颈。如果主存在和一个I/O设备传输的话，主存和CPU就无法进行传输，那实际上，如果不采取措施，在主存和I/O进行传输的时候，CPU的工作就无法进行，严重影响CPU运行效率；
（2）若总线较长，则远端设备向主存传输信息，时间延时也会比较长；
（3）总线争用。
2.面向CPU的双总线结构框图
图1.2 面向CPU的双总线结构
这种方法解决了CPU与主存传输、主存与I/O传输两者的冲突，但是也存在问题：如果主存想和I/O设备进行数据传输，那么主存无法和I/O设备直接进行传输，只能通过CPU来作为中介进行传输，一旦发生外部设备与主存进行传输，那么CPU还是会无法运行。
3.以存储器为中心的双总线结构框图
图1.3 以存储器为中心的双总线结构框图
本框图解决了图1.1、图1.2框架的问题。但是现代技术来说，这个框架仍然有问题，CPU、主存无法同时和I/O接口进行传输数据（目前采用的是分时传输）。
3.2总线的分类
从位置可分为：
1.片内总线：芯片内部的总线。
2.系统总线：计算机各部件之间的信息传输线，包括：
（1）数据总线：双向，与机器字长、存储字长有关；
（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（中断请求、总线请求），有入（存储器读、存储器写，总线允许、中断确认）。
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之间的通信。
从传输方式可分为串行通信总线和并行通信总线。
3.3 总线的特性及性能指标
一、总线物理实现
图3.1 总线的物理实现
总线就是在主板上的，CPU、主存等都是通过接口与总线相连的。
二、总线特性
1、机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序；
2.电气特性：传输方向和有效电平范围；
3.功能特性：每条传输线的功能（地址、数据、控制）；
4.时间特性：信号的时序关系。
三、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：同步、不同步；
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：突发、自动、仲裁、逻辑、计数；
7.其它指标：负载能力（能挂载多少I/O设备）。
四、总线标准
图3.2 总线标准
3.4 总线结构
一、单总线结构
如图1.1所示。
二、多总线结构
1.双总线结构
除了图1.2、图1.3所示类型，还有其他类型。如下：
4.1 双总线结构的一种框图
通道有自己的控制系统，能执行一些简单的程序。通道的程序是由操作系统编写，而不是程序员编写。
2.三总线结构
图4.2 三总线结构（1）
三总线是：I/O总线、DMA总线（直接内存存取）、主存总线。DMA是外部设备直接访问主存。但是一些高速设备和主存进行存取，是通过DMA总线，低速设备依旧需要通过I/O总线。
3.三总线结构形式2
图4.3 三总线结构（2）
上面是一条局部总线，CPU和主存的交换是最大的，但是CPU发展速度很快，但是主存性能提高很慢，为了解决这个问题，添加了一个小容量、高速的Cache。还有一个局部I/O控制器，连接一些高速的I/O设备。各种设备都可以连接到扩展总线上。但是看到多种传输速度的设备都连接到了扩展总线上，是会影响外部设备工作速度。
4.四总线结构
图4.4 四总线结构
四总线包括：局部总线、系统总线、高速总线、扩展总线。局部总线实现了CPU和Cache/桥的连接，系统总线实现了主存和Cache/桥的连接。Cache/桥扩展出高速总线，所有高速设备都连接到高速总线上。高速总线拓展出一个拓展总线接口，与之相连一个扩展总线，所有低速设备连接到这个总线上，通过扩展总线接口逐步连接到Cache/桥上。这种方式把高速设备和低速设备，使得传输速率可以更高。
三、总线结构举例
1.传统微型机总线结构
图4.5 传统微型机总线结构
CPU和存储器通过系统总线相连接，通过标准总线控制器可以拓展与其他控制器相连接。
2.VL-BUS局部总线结构
图4.6 VL-BUS局部总线结构
3.PCI总线结构
图4.7 PCI总线结构
4.多层PCI总线结构
图4.8 多层PCI总线结构（PCI总线能力不够的情况下）
3.5 总线控制
一、总线判优控制
因为总线在同时只能有一个设备控制，若两个或两个以上设备申请使用总线则会产生冲突。所以需要研究总线的判友控制。
1.基本概念
主设备（模块） 对总线有控制权
从设备（模块） 响应从主设备发来的总线命令
总线判优控制分为两类，其一是集中式（链式查询、计数器定时查询、独立请求方式），其二是分布式。
2.集中式——链式查询方法
图5.1 链式查询方式
总线控制部分是集中在一起的，这是集中式总线判优控制的典型特征。另外还有数据总线用于信息交换数据传输，还有地址总线，主设备占用了总线之后，要通过地址总线找到从设备。再另外，还有三条很重要。
一条是BR（总线请求），所有设备都从这条线发出总线占用或者总线使用的请求。
BS（总线忙），如果某个设备占用了总线控制权，那么就通过这个信号告诉其它部件总线忙。
BG（总线同意，这是链式查询的特征地方），是一个一个向下查询。如果I/O接口n想要占用总线，它会向总线控制部件提出占用请求，总线控制部件接受请求后，并且此时可以让出控制权给该I/O设备控制的时候，总线要通过BG逐个向下查询。
在多个I/O接口向总线控制部件提出控制请求后，首先查I/O接口0，看它是否提出了请求，如果它提出了，那么总线使用权限就给了0，如果0没有提出，那么就继续往下传递，直到第一个提出总线占用请求的设备（此时假设第一个提出的是1），然后I/O接口1发出BS表示总先忙，然后开始传输信息。
这个方式有以下特征：
（1）各个设备占用总线的优先级确认方式：优先级和BG的查询顺序有直接关系，，这个连接顺序是固定好了的，谁靠近控制部件近，谁优先，这样的话距离较远的设备可能永远都得不到使用总线的权限。
（2）对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。
（3）结构简单，一共3条线，增删设备非常容易，可以向后一直排下去，进行可靠性设计的时候比较容易实现。
（4）速度较慢
用在微型计算机或者简单嵌入式系统中。
3.计数器定时查询方式
图5.2 计数器定时查询方式
首先它还是有数据线和地址线，另外还有一条线是设备地址，实际上这条线就是这种方式名称的来源，这上面传输的地址是计数器给出的，用这种方式来查询某个设备是否发出了设备请求，当然BS和BR还是有的。
总线控制部件里面有一个计数器（初值任意），如果某个主设备想占用总线和从设备进行信息传输，它通过BR这条向控制部件提出总线控制请求。总线控制部件在总线可以被控制的情况下就会启动计数器，计数器的值是通过设备地址这条线向外传输，计数器给出哪个值，就对哪个接口进行查询，看哪个接口有提出使用总线请求，若没有则自动对计数器加1，直到找到那个提出请求的，然后此接口被选中，通过BS发出信号，然后开始工作。
这种方法的特点：
（1）优先级确定灵活，既可以是事先确定（计数器初始化为定值或者上一次停止时候的值），也可以是随机的（计数器初始化随机）；
（2）这种方式少了BG，多了一个设备地址线（条数和设备数有关系，有logn条），总的来说线条数为(logn)+2条
4.独立请求方式
前两种都是按照顺序来查找的，速度比较慢。独立请求方式改变了这种情况，速度更快。如下图所示。
图5.3 独立请求方式
每个设备都有BR和BG两条线。优先级的排队是用排队器来实现的。优先级的设置是非常灵活，可以人为直接设置，也可以用自适应的方式，也可以采用计数器的方式等。这种方式用线太多，需要2n条线。
二、总线通信控制
1.基本概念
总线通信控制是为了解决通信双方协调配合的问题。总线传输周期有以下过程：
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传数阶段：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。
2.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。
3.同步通信
（1）同步式数据输入
图5.4 同步式数据输入时序图
加入CPU通过同步的方式从外部设备进行数据输入，同步的特点是由一个定宽定距的的时标来进行控制，如图所示这个，整个总线周期由4个时钟周期组成。在固定时间点上进行固定操作。在T1上升沿，CPU（主设备）必须给出地址信号，在T2上升沿，必须给出读命令信号，告诉从设备要读数据了，在T3上升沿之前，从设备必须给出数据让主设备读取。T4的上升沿读命令和数据撤销，在T4结束的时候，地址命令也撤销。
（2）同步式数据输出
图5.5 同步式数据输出时序图
同步式数据数据与同步式数据输入类似，不再累述。
在同步模式中，主设备和从设备的时钟是强制统一的，因此在速度不同的设备时，要选择最慢的模块作为时钟标准进行设计。这种方式用在总线比较短，各个模块存取时间比较一致的情况下。
4.异步通信
图5.6 异步通信模式图
主设备发起此次通信。主设备和从设备之间没有定宽定距的时标，但是多了两条线——发出请求线和应答线。异步通信有三种方式，分别是不互锁、半互锁和全互锁。
下面来看一下第一种方式，不互锁。主设备发出请求，从设备接收到通信请求后进行应答，之后主设备撤销请求信号，从设备撤销应答信号。在这个过程中，主设备不管是否接收到应答信号，在经过一段时间后都会撤销请求信号，从设备也不管主设备是否接收到应答信号，一段时间后会撤销应答信号。这种方式可靠性有问题。
接下来看半互锁。主设备发出请求，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会撤销请求信号，如果没有接收到，会一直发出请求信号。但是从设备不管主设备是否接收到应答信号，一段时间后会撤销应答信号。有可能造成请求信号一直高电平。
最后看全互锁。主设备发出请求，从设备接收到请求后发出应答信号，只有主设备接收到应答信号后会撤销请求信号，同样，只有主设备的请求信号撤销以后，从设备才会撤销应答请求。
5.半同步通信（同步、异步结合）
同步特征：有一个定宽定距的时标。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。
异步特征：允许不同速度的模块和谐工作，为了协调快慢，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，如图所示。
图5.7 半同步通信时序图
上述三种通信的共同点：
一个总线传输周期（以输入数据为例）
（1）主模块发地址、命令：占用总线。
（2）从模块准备数据：不占用总线，总线空闲。
（3）从模块向主模块发数据：占用总线。
我们说总线连接了多个模块，总线的传输能力是系统的瓶颈。而在这个过程中中间这个步骤总线是空闲的，对总线资源来说是一种浪费。
6.分离式通信
充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。
一个总线传输周期：
（1）子周期1：主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权。
（2）子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送至总线。
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。
充分提高了总线的有效占用！
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