總線概述
總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。分時和共享是總線的兩個特點。分時是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，若系統中有多個部件，則它們只能分時地向總線發送信息。共享是指總線上可以掛接多個部件，各個部件之間互相交換地信息都可通過這組線路分時共享。在某一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，但多個部件可同時從總線上接收相同的信息。
總線上所連接地設備，按其對總線有無控制能力可分為主設備和從設備兩種。主設備：總線的主設備是指獲得總線控制權的設備。從設備：總線的從設備是指被主設備訪問的設備，它只能響應主設備發來的各種總線命令。
總線特性是指機械特性（尺寸、形狀）、電氣特性（傳輸方向和有效的電平范圍）、功能特性（每根傳輸線的功能）和時間特性（信號和時序的關系）。
在一個總線周期內傳輸存儲地址連續的多個數據字的總線傳輸方式，稱為猝發（突發）傳送。
計算機系統中的總線，按功能划分為以下 3 類：
- 片內總線。片內總線是芯片內部的總線，它是 CPU 芯片內部寄存器與寄存器之間、寄存器與 ALU 之間的公共連接線。
- 系統總線。系統總線是計算機系統內各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之間互相連接的總線。按系統總線傳輸信息內容的不同，又可分為 3類：數據總線、地址總線和控制總線。
- 數據總線用來傳輸各功能部件之間的數據信息，它是雙向傳輸總線，其位數與及其字長、存儲字長有關。
- 地址總線用來指出數據總線上的數據源或目的數據所在的主存單元或 I/O 端口的地址，它是單向傳輸線，地址總線的位數與主存空間的大小有關。
- 控制總線傳輸的是控制信息，包括 CPU 送出的控制命令和主存（或外設）返回 CPU 的反饋信號。
各個功能部件通過數據總線連接形成的數據傳輸路徑稱為數據通路。數據通路表示的是數據流經的路徑，而數據總線是承載的媒介。
- 通信總線。通信總線是在計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如遠程通信設備、測試設備）之間傳送信息的總線，通信總線也稱外部總線。
此外，按時序控制方式可將總線划分為同步總線和異步總線，還可按數據傳輸格式將總線划分為並行總線和串行總線。
總線結構通常分為單總線結構、雙總線結構和三總線結構等。
- 單總線結構。單總線結構將 CPU、主存、I/O 設備（通過 I/O 接口）都掛在一組總線上，運行 I/O 設備之間、I/O 設備與主存之間直接交換信息。CPU 與主存、CPU 與外設之間可直接進行信息交換，而無須經過中間設備的干預。
- 雙總線結構。雙總線結構有兩條總線：一條是主存總線，用於在 CPU、主存和通道之間傳送數據；另一條是 I/O 總線，用於在多個外部設備與通道之間傳送數據。優點：將低速 I/O 設備從單總線上分離出來，實現了存儲器總線和 I/O 總線分離。缺點：需要增加通道等硬件設備。
- 三總線結構。三總線結構是在計算機系統各部件之間采用 3 條各自獨立的總線來構成信息通路，這 3 條總線分別為主存總線、I/O 總線和直接內存訪問（DMA）總線。主存總線用於在 CPU 和內存之間傳送地址、數據和控制信息。 I/O 總線用於在 CPU 和各類外設之間通信。DMA 總線用於在內存和高速外設之間直接傳送數據。優點：提高了 I/O 設備的性能，使其更快地響應命令，提高系統吞吐量。缺點：系統工作效率較低。
總線的性能指標
- 總線的傳輸周期。指一次總線操作所需的時間（包括申請階段、尋址階段、傳輸階段和結束階段），簡稱總線周期。總線傳輸周期通常由若干總線時鍾周期構成。
- 總線時鍾周期。即機器的時鍾周期。計算機有一個統一的時鍾，以控制整個計算機的各個部件，總線也要受此時鍾的控制。
- 總線的工作頻率。總線上各種操作的頻率，為總線周期的倒數。實際上指 1 秒內傳送幾次數據。
- 總線的時鍾頻率。即機器的時鍾頻率，它為時鍾周期的倒數。
- 總線寬度。又稱總線位寬，它是總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常指數據總線的根數，如 32 根稱為 32 位總線。
- 總線帶寬。可理解為總線的數據傳輸率，即單位時間內總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常用每秒傳送的字節數來衡量，單位可用 B/s 表示。總線帶寬 = 總線工作頻率 * （總線寬度 / 8）。
- 總線復用。總線復用是指一種信號線在不同的時間傳輸不同的信息，因此可以使用較少的線傳輸更多的信息，從而節省空間和成本。
- 信號線數。地址總線、數據總線和控制總線 3 種總線書的總和稱為信號線數。
其中，總線最主要的性能指標為總線寬度、總線（工作）頻率、總線帶寬，總線帶寬是指總線本身所能達到的最高傳輸速率，它是衡量總線性能的重要指標。總線帶寬 = 總線寬度 * 總線頻率。例如總線工作頻率為 22 MHz，總線寬度為 16 位，則總線帶寬= 22 * （16 / 8）= 44 MB/s。
在總線上，同一時刻只能有一個主設備控制總線的傳輸操作。
總線仲裁
為解決多個主設備同時競爭總線控制權的問題，應當采用總線仲裁部件，以某種方式選擇一個主設備優先獲得總線控制權。只有獲得了總線控制權的設備，才能開始傳送數據。
總線仲裁方式按其仲裁控制機構可分為集中總裁方式和分布仲裁方式兩種。
集中仲裁方式
總線控制邏輯基本上集中於一個設備（如 CPU）中。將所有的總線請求集中起來，利用一個特定的裁決算法進行裁決，稱為集中仲裁方式。集中仲裁方式有鏈式查詢、計數器定時查詢方式和獨立請求方式。
- 鏈式查詢方式。總線上所有的部件共用一根總線請求線，當有部件請求使用總線時，需經此線發總線請求信號到總線控制器。由總線控制器檢查總線是否忙，若總線不忙，則立即發總線響應信號，經總線響應線 BG 串行地從一個部件傳送到下一個部件，依次查詢。若響應信號到達的部件無總線請求，則該信號立即傳送到下一個部件；若響應信號到達的部件有總線請求，則信號被截住，不再傳下去。
在鏈式查詢中，部件離總線控制器越近，其優先級越高；部件離總線控制器越遠，其優先級越低。優點：鏈式查詢只需很少幾根控制線就能按一定優先次序實現總線控制，結構簡單，擴充容易。缺點：對硬件電路的故障敏感，且優先級不能改變。當優先級高的部件頻繁請求使用總線時，會使優先級較低的部件長期不能使用總線。
- 計數器定時查詢方式。它采用一個計數器控制總線使用權，相對鏈式查詢方式多了一組地址線，少了一根總線響應線 BG。它仍共用一根總線請求線，當總線控制器收到總線請求信號並判斷總線空閑時，計數器開始計數，計數值通過設備地址線發向各個部件。當地址線上的計數值與請求使用總線設備的地址一致時，該設備獲得總線控制權，同時終止計數器的計數及查詢。
優點：計數可從“0”開始，此時一旦設備的優先級次序被固定，設備的優先級就按 0，1，...，n 的順序降序排列，而且固定不變；計數也可從上一次的終點開始，即采用一種循環方法，此時設備使用總線的優先級相等；計數器的初值還可以由程序設置，故優先級可以改變，且這種電路的故障沒有鏈式查詢方式敏感。缺點：增加了控制線數（若設備有 n 個，則大致需要 ⌈log2n⌉ + 2 條控制線），控制也相對比鏈式查詢要復雜。
- 獨立請求方式。每個設備均有一對總線請求線 BRi 和總線允許線 BGi。當總線上的部件需要使用總線時，經各自的總線請求線發送總線請求信號，在總線控制器中排隊，當總線控制器按一定的優先次序決定批准某個部件的請求時，給該部件發送總線響應信號，該部件接到此信號就獲得了總線使用權，開始傳送數據。
優點：響應速度快，總線允許信號 BG 直接從控制器發送到有關設備，而不必在設備間傳遞或查詢，而且對優先次序的控制相當靈活。缺點：控制線數量多（設備有 n 個，需要 2n + 1 條控制線，其中加的那條控制線為 BS 線，作用是讓設備向總線控制器部件反饋已使用完總線），總線控制邏輯更復雜。
| 對比項目\仲裁方式 | 鏈式查詢 | 計數器定時查詢 | 獨立請求 |
| 控制線數 | 3（總線請求：1；總線忙：1；總線允許：1） | ⌈log2n⌉ + 2（總線請求：1；總線忙：1；總線允許：⌈log2n⌉） | 2n + 1（總線請求：n；總線忙：n；總線允許：1） |
| 優點 | 結構簡單；擴充容易；優先級固定 | 優先級靈活 | 響應速度快；優先級靈活 |
| 缺點 | 對電路故障敏感 | 控制線多，控制復雜 | 控制線多，控制復雜 |
分布式仲裁方式不需要中央仲裁器，每個潛在的主模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。當它們有總線請求時，就會把它們各自唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將從仲裁總線上得到的仲裁號與自己的仲裁號進行比較，若仲裁總線上的仲裁號優先級高，則它的總線請求不予響應，並撤銷它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。
“總線忙”信號的建立者是獲得總線控制權的設備。
計數器定時查詢和獨立請求方式都可以使各個主設備得到總線使用權的機會基本相等，鏈式查詢方式則不能。
總線操作和定時
一個總線周期通常可分為以下 4 個階段：
- 申請分配階段。由需要使用總線的主模塊（或主設備）提出申請，經總線仲裁機構決定將下一傳輸周期的總線使用權授予某一申請者。也可將此階段細分為傳輸請求和總線仲裁兩個階段。
- 尋址階段。取得使用權的主模塊通過總線發出本次要訪問的從模塊（或從設備）的地址及有關命令，啟動參與本次傳輸的從模塊。
- 傳輸階段。主模塊和從模塊進行數據交換，可單向或雙向進行數據傳輸。
- 結束階段。住模塊的有關信息均從系統總線上撤除，讓出總線使用權。
同步定時方式
所謂同步定時方式，是指系統采用一個統一的時鍾信號來協調和發送接收雙方的傳送定時關系。時鍾產生相等的時間間隔，每個間隔構成一個總線周期。在一個總線周期中，發送方和接收方可以進行一次數據傳送。因為采用統一的時鍾，每個部件或設備發送或接收信息都在固定的總線傳輸周期內，一個總線的傳送周期結束，下一個總線的傳送周期開始。
優點：傳送速度快，具有較高的傳輸速率；總線控制邏輯簡單。缺點：主從設備屬於強制性同步；不能及時進行數據通信的有效性檢驗，可靠性較差。同步通信適用於總線長度較短及總線所接部件的存取時間比較接近的系統。
異步定時方式
在異步定時方式中，沒有統一的時鍾，也沒有固定的時間間隔，完全依靠傳送雙方相互制約的“握手”信號來實現定時控制。通常，把交換信息的兩個部件或設備分為主設備和從設備，主設備提出交換信息的“請求”信號，經接口傳送到從設備；從設備接到主設備的請求后，通過接口向主設備發出“回答”信號。
優點：總線周期長度可變，能保證兩個工作速度相差很大的部件或設備之間可靠地進行信息交換，自動適應時間的配合。缺點：比同步控制方式稍復雜一些，速度比同步定時方式慢。
根據“請求”和“回答”信號的撤銷是否互鎖，異步定時方式又分為以下 3 中類型。
- 不互鎖方式。主設備發出“請求”信號后，不必等到接到從設備的“回答”信號，而是經過一段時間便撤銷“請求”信號。而從設備在接到“請求”信號后，發出“回答”信號，並經過一段時間后自動撤銷“回答”信號。雙方不存在互鎖關系。
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半互鎖方式。主設備發出“請求”信號 后，必須在接到從設備的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號，有互鎖的關系。而從設備在接到“請求”信號后，發出“回答信號 ”，但不必等待獲知主設備的“請求”信號已經撤銷，而是隔一段時間后自動撤銷“回答”信號，不存在互鎖關系。
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全互鎖方式。主設備發出“請求”信號 后，必須在接到從設備的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號；從設備發出“回答”信號后，必須在獲知主設備“請求”信號已撤銷后，再撤銷其“回答”信號。雙方存在互鎖關系。
半同步通信總線可以既采用同步方式又采用異步方式通信。
總線標准
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