总线的概念和结构形态
- 总线的基本概念
- 总线的分类
- 总线的物理实现
- 总线的特性
- 总线的性能指标
- 总线的连接方式
- - 单总线结构
  - 双总线结构
  - 三总线结构
  - 多总线结构
- 总线的内部结构
- - 早期总线内部结构
  - 现代总线内部结构
总线接口
- 信息的传送方式
- 总线接口的基本概念
总线仲裁
- 集中式仲裁
- - 链式查询方式
  - 计数器定时查询方式
  - 独立请求方式
- 分布式仲裁
总线的定时和数据传送模式
- 总线的信息传送过程
- 总线周期
- 定时
- 定时的分类
- - 同步总线定时协定
  - 异步总线定时协定
  - 半同步总线定时协定
  - 周期分裂式总线定时协定
- 总线数据传送模式

总线的概念和结构形态

总线带宽影响总线性能

总线的基本概念

总线是构成计算机系统的互联机构，是系统内多个系统功能部件之间进行信息传送的公共通路

总线的分类

按传送的信息分：
数据总线、地址总线、控制总线

地址总线：
单向，三态总线，用于传送地址信息
其位数决定可直接寻址的范围
数据总线：
双向，三态总线，用于传送数据信息
一般与机器字长同位
其位数决定运算的规模和精度
控制总线：
传送控制、状态信息
其类型决定计算机的特色；位数不定

按连接部件分：
内部总线、系统总线(外部总线)、通信总线(I/O总线)

CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线
CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线，称为系统总线
中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为I/O总线

总线的物理实现

总线的特性

物理特性：
总线的位数，总线插头、插座的形状、引脚的排列方式等

功能特性：
确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等

电气特性：
规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容

时间特性：
总线上各信号有效的时序关系

总线的性能指标

总线宽度
一次总线操作中，最多可传送的数据位数

总线周期
一次总线操作所需要的最小间隔时间

总线周期与总线的时钟频率成反比，即T=1/f

总线带宽
单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率

单位一般为MB/s

总线的连接方式

单总线结构

使用一条系统总线来连接CPU、内存、和I/O设备
特点：简单易行，系统总线负载重

在单总线结构中：
要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行。否则，可导致很大的时间延迟
对输入、输出设备的操作，完全和主存的操作方法一样处理

双总线结构

在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线

内存总线使CPU可通过专用高速总线与存储器交换信息，减轻了系统总线的负担
主存可通过系统总线与外存之间实现DMA操作，不必经过CPU

DMA操作：一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据

主存是内存的另一种叫法，二者无区别

三总线结构

系统总线负责连接CPU、主存、I/O通道
存储总线负责连接CPU和主存
I/O总线负责连接各I/O适配器

特点：
设置了通道，对外设进行统一的管理，分担了CPU的工作
提高了CPU工作效率，也最大限度提高了外设的工作速度
但硬件成本进一步增加

三总线结构的另一形式，可参考来理解

多总线结构

通过桥将多总线彼此相连

总线桥是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路
多总线结构确保高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线

总线的内部结构

早期总线内部结构

实际是CPU芯片引脚的延伸

早期总线的不足
CPU是总线上唯一的主控者
总线结构与CPU紧密相关，通用性较差

现代总线内部结构

多采用标准总线
与结构、CPU、技术无关
又被称为底板总线

现代总线可分为四个部分：
数据传送总线：地址线、数据线、控制线
仲裁总线：总线请求线、总线授权线
中断和同步总线：中断请求线、中断认可线
公用线：时钟信号、电源等

总线接口

信息的传送方式

串行传送：只有一条传输线，且采用脉冲传送

通常采用指定位时间的时序格式方法加以识别
指定位时间，即制定一个二进制位在传输线上占用的时间长度

在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并-串变换，这成为拆卸；而在接收部件又需要进行串-并变换，这称为装配.

并行传送：对每个数据位都需要单独一条数据线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送，是系统总线的信息传送方式

分时传送：不同时间不同部件使用（理解）

总线接口的基本概念

接口：
I/O设备适配器；
指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件.

一个适配器必有两个接口
一个同系统总线相连，采用并行方式
另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是穿行方式

接口的典型功能
控制、缓冲、状态、转换、中断等

总线仲裁

为了解决多个主设备同时竞争控制权的问题，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方

总线占用期
主方持续控制总线的时间

集中式仲裁

集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到总线仲裁器，一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG

链式查询方式

设备的优先权与总线仲裁器的距离有关

优点：硬件连接简单，判优容易，设备增删容易
缺点：对电路故障敏感，优先级固定

计数器定时查询方式

设备的优先权由计数值决定，计数值为0时同链式查询方式

优点：优先权控制灵活，对电路故障不敏感
缺点：硬件成本增加，控制复杂度高

独立请求方式

设备的优先权由中央仲裁器的内部排队逻辑决定

优点：响应时间快，即确定优先相应的设备花费的时间少，对优先次序的控制也是相当灵活的
缺点：硬件复杂度高

分布式仲裁

分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布在各部件中的多个仲裁器竞争使用总线

每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁器和唯一的仲裁号，通过仲裁总线上仲裁号的比较，决定可占用总线的功能模块

分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础(比大小)

总线的定时和数据传送模式

总线的信息传送过程

请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回

总线周期

一次I/O传送时间

定时

确定事件出现在总线上的时序关系

定时的分类

同步总线定时协定

系统采用统一的时钟信号，所有事件的出现时间均由该时钟信号确定

优点：各模块配合简单一致，数据传输效率较高
缺点：各模块的速度差异较大时，会影响系统的整体工作效率；时钟信号受到干扰时，会引起错误的同步

适用于总线长度较短，各功能模块速度相差不多的系统

异步总线定时协定

系统依靠应答方式或互锁机制来决定时间出现的时间
优点：总线周期长度可变
缺点：增加了总线的复杂性和成本

适用于设备工作速度不一致的系统

半同步总线定时协定

整体上仍然采用同步操作方式

周期分裂式总线定时协定

总线数据传送模式

读写操作：
读操作是由丛方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送

块传送操作(猝发式传送)：
只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入

写后读、读修改写操作：
只给出地址一次，或先写后读(校验)，或先读后写(多道程序系统中对共享存储资源的保护)

广播、广集操作：
广播：总线允许一个主方对多个从方进行写操作
广集：与广播相反的操作，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源

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