总线的基本概念

一. 为什么要用总线

如果采用两两分散连接（每两个需要通讯的部件采用一条线连接），将有以下缺点：

需要的通讯线路将非常庞大
将这些线印刷在电路板上的难度非常大，成本非常高
设备的接口的空间占用将会非常巨大
很难增加新设备，如果需要增加一个新设备，将需要另外的N束线与系统的原模块通讯

为了解决以上问题，所以引入总线

二. 什么是总线

总线是：连接各个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质；

当多个部件与总线相连时，如果两个或两个以上部件同时向总线发送信息，势必导致信息冲突，传输无效，因此，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受相同的信息。

总线简化了硬件的设计，简化了系统结构，使系统扩充性提升，提升了系统的更新性能。

显然，总线将非常繁忙，任何时刻只有一对设备能使用总线，其他设备想要通讯必须等待总线处理完正在进行的通讯

缺点：总线的使用效率是整个系统的一个瓶颈
优点：结构简单，可拓展性非常好

三. 总线上信息的传送

串行：要传输的的信息一位一位的放在总线上去，接收方一位一位的接收

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并行：要传输的信息多位同时放在总线上传输，接收方同时接收多位信息
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并行传输方式需要多位总线进行传输，如果传输距离较远，平行的线互相之间存在干扰；所以并行传输的距离一般较短，比如集中在机箱的内部；如果想要并行传输较远，需要特殊的技术措施，但目前并行传输技术遭遇发展困境

串行传输在机器与机器之间

从技术发展的情况来看，串行传输方式大有彻底取代并行传输方式的势头，USB取代IEEE 1284，SATA取代PATA，PCI Express取代PCI

四. 总线结构的计算机举例

单总线结构框图

存在的问题：
①如果一个I/O设备在和主存进行通讯，那么CPU将无法与主存通讯，这将严重影响CPU运行效率
②如果设备较多，那么总线长度将过长，时间延迟会比较长
③设备之间的总线争用
面向CPU的双总线结构框图

存在的问题：
主存和I/O设备之间的信息传输没有直接的连接，需要占用CPU
以存储器为中心的双总线结构框图

技术瓶颈：现在技术水平下，主存的两个总线端口不能同时工作；虽然现在有双口的RAM，但是也是分时工作的

随着技术的发展，期望以后主存能同时向系统总线和存储总线进行信息传输

总线的分类

按不同的分类标准：

片内总线：芯片内部的总线
系统总线：计算机各部件之间的信息传输线
①数据总线：双向，与机器字长、存储字长有光
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（存储器读写，总线允许、中断确认）有入（中断请求、总线请求）
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

总线特性及性能指标

一. 总线物理实现

二. 总线特性

机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
电气特性：传输方向和有效的电平范围
功能特性：每根传输线的功能地址数据控制
时间特性：信号的时序关系

三. 总线的性能指标

总线宽度：数据线的根数
标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
时钟同步/异步
总线复用：地址线与数据线复用（减少总线中信号线的数量，减少芯片的管脚数）
信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
其他指标：负载能力

四. 总线标准

总线结构

一. 单总线结构

问题突出，需要改良

二. 双总线结构

三. 三总线结构

DMA：Direct Memory Access，直接存储器访问

主存的性能提升跟不上CPU的性能提升，所以增加了一个高速Cache

问题：高速设备和低速设备共用总线

四. 四总线结构

高速设备和低速设备分开，数据传输效率更高

五. 总线结构举例

PCI是并行传输，PCI-E命名为PCIExpress，Express意思是高速、特别快。

PCI-E采用了点对点串行连接，能提供更高的传输速率和质量，大有取代PCI之趋势。

并行传输即字符编码的各位同时传输。并行传输速度快，一位时间内可传输一个字符，但通信成本高，每位传输要求一个单独的信道支持；因此如果一个字符包含8个二进制位，则并行传输要求8个独立的信道的支持。而且并行不支持长距离传输，由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。

串行传输是将组成字符的各位串行发往线路。串行传输速度较低，一次一位；不过通信成本也较低，只需一个信道。串行支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输

总线控制

总线上连接了多个设备，设备之间的通讯必须解决一下两个问题：

总线的判优控制：多个设备可能同时向总线发出占用请求，到底谁先优先使用呢？
保证通讯的正确性

总线判优控制

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
总线判优控制方法：
①集中式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式
②分布式：

链式查询方式

缺点：

①BG这条线是逐个向下进行查询的，如果某个设备排的靠后，那么优先级将很低，可能总线占用请求将很长时间内得不到应答

②同时，查询的速度非常慢，需要一个一个的往下查询

③对线路故障特别敏感，如果某个I/O接口出现故障，那么后面的所有接口也无法使用

优点：

①结构特别简单，和总线仲裁相关的线主要就是BS BR BG这三条；

②增删设备简单，直接往后排就可以了

③优先级算法简单

④可靠性设计容易实现，比如只需BR增加一条线，确保万一BR线出现故障，另一条可以正常使用

基于以上优缺点，这种判优方式一般出现在微型计算机，简单的嵌入式系统当中

计数器定时查询方式

当I/O接口通过BR向总线发出占用请求时，如果总线有空，那么就启用计数器，假如此时计数器的值为4，那么总线控制通过设备地址线查询接口4是否发出请求，如果没有，计数器+1 = 5，查询接口5，+1 … +1 … +1 直到查询到发出过请求的接口

优点：
接口的优先级非常灵活，比如计数器初值可以灵活设置，用软件设置为K，那么每次都是从接口K开始查询，接口K的优先级最高；比如计数器的值为上一次的值，那么将会是循环优先级

独立请求方式

每个接口都有一条独立的BR线，一条独立的BG线，优先级的排队在总线控制部件内部实现

优点：优先级非常灵活，内部排队器可以自己设置
缺点：线数较多

总线通讯控制

总线的判优控制解决了由哪个主设备占用总线，主设备获得了总线使用权以后就要和从设备进行信息交换，总线通讯控制就是解决主设备和从设备之间协调配合通信的问题

1. 目的： 解决通信双方协调配合问题

2.总线传输周期： 主设备和从设备之间完成一次完整且可靠的通信所需要的时间
这个过程当中需要解决以下几个问题：
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

3.总线通信的四种方式：

①同步通信：由统一的定宽定距的时标控制数据传送，每一个操作每一个信号的给出都是在固定的时间点由统一时标控制

缺点： 采用统一的定宽定距的时标，所有的从模块都用同一个时标进行控制，主从模块是强制同步的，对于多个速度不同的模块，必须选择速度最慢的模块作为统一的时标

优点： 由于采用了公共时钟，每个部件什么时候发送或接收信息都由统一的时钟规定，因此，同步通信具有较高的传输频率。

一般这种方式应用在总线长度比较短，且各个模块存取时间比较一致的情况下：

同步方式对任何两个设备之间的通信都给予同样的时间安排。就总线长度来讲，必须按距离最长的两个设备的传输延迟来设计公共时钟。但是总线长了势必降低传输频率。

②异步通信：采用应答的方式，没有公共时钟标准

通过请求和回答这两个握手信号来完成通信的

③半同步通信：主要是为了解决不同速度的两个模块之间的通信问题，采用同步、异步结合，既采用时钟信号，又采用握手信号

有没有其他方式将总线空闲充分利用起来？

④分离式通信：高效的通信方式，充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力，让系统总线发挥最大的效能

从模块可以转变为主模块，发出占用总线请求；

在分离式通信方式中，总线上所有模块都可以成为主模块

问：分离式通信为什么采用同步方式进行通讯？有什么优点？

分离式通信把原先的的集中式一次通信划分成了两次通信，一次放弃总线使用，一次重新获取总线使用，所以没有必要等待对方的应答，这样效率低下，因为都是单方面的，不需要堪虑对方的速度，故采用同步传输。

总结

1.目前计算机多采用四总线结构：局部总线：连接CPU与Cache/桥。系统总线：连接Cache/桥与主存。高速总线：连接Cache/桥与高速设备。扩展总线：连接扩展总线接口与低速设备，其中扩展总线接口连接在高速总线上。

2：采用的通信控制有：同步通信：由统一时标控制数据传送。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、异步相结合。分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力，特别是利用传数阶段准备数据时的总线空闲

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