总线相关概念
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。
传输周期：指一次总线操作所需的时间简称为总线周期( 包括申请阶段 、选址阶段、 传送阶段和结束阶段 )。
总线宽度：总线宽度又称总线位宽 ，它是总线上同时能够传输的数据位数 。通常指数据总线的根数 。
总线带宽：总线带宽可以理解为总线的传输速率或者单位时间内总线上传输数据的位数 。通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量。
总线的信息传送
- 串行
1.数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按顺序分时传送。 一字节的数据要通过一条传输线分8次由低位到高位按顺序传送。
2.适用于远距离传送，实现远程通信。
- 并行
1.数据在多条并行1位宽的传输线上，同时由源传送到目的地。 一字节的数据要通过8条并行传输线同时由源传送到目的地。
2.适宜于近距离的数据传输，通常小于30m 数据传送速率与距离成反比。
总线分类
-
片内总线：芯片内部的总线
CPU芯片内部
寄存器之间
寄存器与算逻单元ALU之间 - 系统总线：计算机各部件之间(CPU、主存、I/O设备)的信息传输线
系统总线分类：
- 数据总线——传输各功能部件之间的数据信息
- 双向
-与机器字长、存储字长有关
-数据总线宽度——数据总线的位数
- 地址总线——用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址
-单向（由CPU输出）
-与存储地址、I/O地址有关
-地址线位数(2n)与存储单元的个数(n)有关
- 控制总线——用来发出各种控制信号的传输线
出——中断请求、总线请求
入——存储器读/写、总线允许、中断确认
-
通信总线：
用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统（控制仪器、移动通信等）之间的通信。
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 |
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——同步/不同步
- 总线复用——地址线与数据线复用
- 信号线数——地址线+数据线+控制线
- 总线控制方式
| 控制方式 |
|---|
| 突发工作 |
| 自动配置 |
| 仲裁方式 |
| 逻辑方式 |
| 计数方式 |
- 其他指标——负载能力
总线标准
总线基本结构
- 单总线结构：
- 双总线结构：
- 三总线结构：
- 三总线结构的又一形式：
- 四总线结构：
总线判优控制
目的：解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题。
主设备：指获得总线控制权的设备
从设备：被主设备访问的设备，只能响应从主设备发来的各种总线命令。
集中式查询
- 链式查询（离总线控制器进的设备优先级高）
特点：
优先级由连接方式事先决定⟹BG的查询顺序
易扩充，容易实现可靠性设计
速度慢⟹用于微型计算机
对电路故障敏感（尤其BG线）
- 计数器定时查询（优先级可改变）：
特点：
对电路故障不敏感
增加设备地址后，控制相对敏感
判优过程：计数器控制设备地址线进行查询
判优灵活：可设定计数器初值；利用循环计数实现公平判优
- 独立请求方式：
特点：
响应快时间快
优先次序控制灵活，但控制线量多，较复杂。
每个I/O接口都有单独的请求线和授权线 ，成本高。
优先级：总线控制部件内部有排队器
总线通讯控制
目的：解决通信双方如何让获取、传输开始和传输结束，如何协调配合。
- 总线传输周期：
-
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：主模块撤销有关信息
- 总线通信的四种方式：
-
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、异步结合
-
分离式通信：充分利用控制系统总线每个瞬间的潜力
同步通信——定宽定距的公共时钟信号
一般用于总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。
- 优点
规定明确、统一 模块间的配合简单一致。”简约“
- 缺点
主、从模块时间配合“强制性”同步 ，必须按最慢速度的部件来设计公共时钟，严重影响总线的工作效率。
总线传输周期越短，数据线的位数越多，直接影响总线的数据传输率：
数据传输率MBps：总线在单位时间内可以传输的数据总量。（每秒传输的最大字节数）
例题：在一个32位的总线系统中 总线的时钟频率为66MHz， 假设总线的最短传输周期为4个时钟周期，
试计算总线的最大数据传输率？
解法一：
总线宽度：32位/8=4B
时钟周期：1/66MHz=0.015μs
总线最短传输周期：40.015μs=0.06μs
最大数据传输率：4B/0.06μs=66.67MBps
解法二：
总线工作频率：66MHz/4=16.5MHz
最大数据传输率：16.5MHz4B=66.7MBps
异步通信
- 不互锁⟹ 通信可靠性存在问题
主设备发出通信请求
从设备收到请求后进行应答
主设备撤销请求信号
从设备撤销应答信号(无论有无收到信号都会撤销)
- 半互锁⟹可能造成主设备请求信号一直保持高电平
主设备发出通信请求
从设备收到请求后进行应答
主设备收到应答后撤销请求信号
从设备撤销应答信号
- 全互锁：
主设备发出通信请求
从设备收到请求后进行应答
主设备收到应答后撤销请求信号
请求信号撤销后从设备撤销应答信号（有回应才撤销）
有关于异步串行的计算：
波特率：单位时间内传送二进制数据的位数——bps
比特率：单位时间内传送二进制的有效数据的位数——bps
例： 在异步串行传送系统中 ，字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个校验位、 2个终止位 ，若要求每秒传送120个字符。
请求传送的波特率和比特率？
解法：
一帧：1+8+1+2=12位
波特率：120帧/秒12位=1440波特
比特率：1440波特(8/12)位=960bps或120帧/秒*8位=960bps
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(上面带个杠杠)
同步、异步、半同步的共同点：
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
分离式通信：⟹充分提高了总线的有效占用
各模块有权申请占用总线
采用同步方式通信，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
资料来源：《计算机组成》唐朔飞