3.1 總線的基本概念

為什么要用總線

計算機系統五大部件之間的互連方式有兩種：
- 分散連接——各部件之間使用單獨的連線
- 總線連接——各部件連到一組公共信息傳輸線上
早期的計算機大多采用分散連接方式，內部連線十分復雜，尤其當I/O與存儲器交換信息時都需要經過運算器，使運算器停止運算，嚴重影響CPU的工作效率。
什么是總線

總線是連接各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質
總線上的信息傳送
- 串行
- 並行

3.2 總線的分類

片內總線

芯片內部的總線
- CPU芯片內部
- 寄存器之間
- 寄存器與算邏單元ALU之間
系統總線

計算機各部件（CPU、主存、I/O設備）之間的信息傳輸線

按系統總線傳輸信息不同分為：
- 數據總線——傳輸各功能部件之間的數據信息
  - 雙向
  - 與機器字長、存儲字長有關
  - 數據總線寬度——數據總線的位數
- 地址總線——用來指出數據總線上的源數據或目的數據在主存單元的地址或I/O設備的地址
  - 單向（由CPU輸出）
  - 與存儲地址、I/O地址有關
  - 地址線位數(\(2^n\))與存儲單元的個數(n)有關
- 控制總線——用來發出各種控制信號的傳輸線
  - 出——中斷請求、總線請求
  - 入——存儲器讀/寫、總線允許、中斷確認
  - 常見控制信號：
    - 時鍾：用來同步各種操作
    - 復位：初始化所有部件
    - 總線請求：表示某部件需獲得總線使用權
    - 總線允許：表示需要獲得總線使用權的部件已獲得了控制權
    - 中斷請求：表示某部件提出中斷申請
    - 中斷響應：表示中斷請求已被接收
    - 存儲器寫：將數據總線上的數據寫至存儲器的指定地址單元內
    - 存儲器讀：將指定存儲單元中的數據讀到數據總線上
    - I/O讀：從指定的I/O端口將數據讀到數據總線上
    - I/O寫：將數據總線上的數據輸出到指定的I/O端口內
    - 傳輸響應：表示數據已被接收，或已將數據送至數據總線上
通信總線

用於計算機系統之間或計算機系統與其它系統（控制儀器、移動通信等）之間的通信

通信方式：
- 串行通信
  - 數據在單條1位寬的傳輸線上，一位一位地按順序分時傳送。
    - 一字節的數據要通過一條傳輸線分8次由低位到高位按順序傳送
  - 適用於遠距離傳送，實現遠程通信
- 並行通信
  - 數據在多條並行1位寬的傳輸線上，同時由源傳送到目的地。
  - 一字節的數據要通過8條並行傳輸線同時由源傳送到目的地
  - 適宜於近距離的數據傳輸，通常小於30m
- 數據傳送速率與距離成反比

3.3 總線特性及性能指標

總線物理實現

總線由許多導線直接印制在電路板上，延伸到各個部件。

CPU、主存、I/O這些插板通過插頭與水平方向總線插槽連接。為了保證機械上的可靠連接，必須規定其機械特性；為了確保電氣上的正確連接，必須規定其電氣特性；為了保證正確地連接不同部件，還需規定其功能特性和時間特性。

Pentium Ⅲ以上微型計算機已將CPU芯片直接安裝在主板上，很多插卡已做成專用芯片，減少插槽，結構更合理。

總線特性
1. 機械特性——總線在機械連接方式上的一些性能
  - 尺寸
  - 形狀
  - 管腳數
  - 排列順序
2. 電氣特性
  - 每一根傳輸線上信號的傳輸方向
  - 有效電平范圍
3. 功能特性——每根傳輸線的功能
  - 地址
  - 數據
  - 控制
4. 時間特性——信號的時序關系
  - 總線中的任一根線在什么時間內有效
  - 每條總線上的各種信號互相存在一種有效時序關系，一般可用信號時序圖描述
總線的性能指標
1. 總線寬度
  - 數據線的根數
  - 用bit（位）表示（8位，16位，32位，64位）
2. 標准傳輸率——每秒傳輸的最大字節數\(-MBps\)
3. 時鍾同步/異步——同步/不同步
4. 總線復用——地址線與數據線復用
5. 信號線數——\(\bold{地址線+數據線+控制線}\)
6. 總線控制方式
  - 突發工作
  - 自動配置
  - 仲裁方式
  - 邏輯方式
  - 計數方式
7. 其他指標
  - 負載能力
  - 電源電壓
  - 總線寬度能否擴展

總線標准

總線標准	數據線	總線時鍾	帶寬
ISA 工業標准結構總線	16	8MHz（獨立）	16MBps
EISA 擴展工業標准結構	32	8MHz（獨立）	33MBps
VESA(VL-BUS) 視頻電子標准協會	32	32MHz（CPU）	132MBps
PCI 外設部件互聯標准	32/64	33MHz（獨立）/ 66MHz（獨立）	132MBps 528MBps
AGP 加速圖形接口	32	66.7MHz（獨立） 133MHz（獨立）	266MBps 533MBps
RS-232	串行通信總線標准	數據終端設備（計算機）和數據通信設備（調制解調器）之間的標准接口
USB 通用串行總線	串行通信總線標准	普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高	1.5MBps (USB1.0) 12MBps (USB1.0) 480MBps (USB2.0)

3.4 總線結構

單總線結構
多總線結構
1. 雙總線結構（分離主存總線和I/O主線）
2. 三總線結構
  
  DMA（主存與I/O設備之間）：直接存儲器訪問
3. 三總線結構2
  
  多種外部設備都連在一條擴展總線上，影響外設設備工作速度
4. 四總線結構
  
  分離高速設備和低速設備
總線結構舉例
- 傳統微型機總線結構
  
  分離系統總線和I/O總線
- VL-BUS局部總線結構
  
  分類組織高速設備和低速設備
- PCI 總線結構
- 多層 PCI 總線結構

3.5 總線控制

總線判優控制
- 主設備（模塊）——對總線有控制權
- 從設備（模塊）——響應從主設備發來的總線命令
- 某些設備既可作為主設備也可作為從設備
\[控制方法\begin{cases} 集中式\begin{cases} 鏈式查詢\\ 計數器定時查詢\\ 獨立請求方式 \end{cases}\\ 分布式 \end{cases} \]
集中式查詢
- 鏈式查詢
  - 優先級由連接方式事先決定\(\implies\)BG的查詢順序
  - 增添設備容易
  - 容易實現可靠性設計
  - 速度慢\(\implies\)用於微型計算機，嵌入式系統
  - 對電路故障敏感（尤其BG線）
- 計數器定時查詢
  - 判優過程：計數器控制設備地址線進行查詢
  - 設備地址線寬度：與設備數n有關\(\implies\lceil\log_{2}{n}\rceil+2\)
  - 判優靈活：可設定計數器初值；利用循環計數實現公平判優
- 獨立請求方式
  - 速度更快
  - 每個I/O接口都有單獨的請求線和授權線
  - 優先級：總線控制部件內部有排隊器
  - 線數多：\(2^n\)
總線通信控制
- 目的：解決通信雙方協調配合的問題
- 總線傳輸周期
  - 申請分配階段：主模塊申請，總線仲裁決定
  - 尋址階段：主模塊向從模塊給出地址和命令
  - 存數階段：主模塊和從模塊交換信息
  - 結束階段：主模塊撤消有關信息
- 總線通信的四種方式
\[\begin{cases} \text{同步通信}\quad\quad由\color{blue}{統一時標}\color{black}控制數據傳送\\ \text{異步通信}\quad\quad采用\color{blue}{應答方式}\color{black}，沒有公共時鍾標准\\ \text{半同步通信}\quad\,\color{blue}同步、異步結合\\ \text{分離式通信}\quad\,充分\color{blue}挖掘\color{black}系統\color{blue}總線每個瞬間\color{black}的\color{blue}潛力 \end{cases} \]
同步通信——定寬定距的公共時鍾信號
- 優點
  - 規定明確、統一
  - 模塊間的配合簡單一致
- 缺點
  - 主、從模塊時間配合“強制性”同步
  - 必須按最慢速度的部件來設計公共時鍾，嚴重影響總線的工作效率
- 一般用於總線長度較短，各部件存取時間比較一致的場合
  - 總線傳輸周期越短，數據線的位數越多，直接影響總線的數據傳輸率
- 同步式數據輸入
  - \(T_1\)上升沿主設備給出地址信號
  - \(T_2\)上升沿給出讀命令信號
  - \(T_3\)上升沿從設備給出數據信號（數據總線）
  - \(T_4\)上升沿撤銷數據信號和控制信號
  - \(T_4\)下降沿撤銷地址信號
- 同步式數據輸出
  - \(T_1\)上升沿給出地址信號
  - \(T_1\)下降沿給出數據
  - \(T_2\)上升沿給出寫命令
  - \(T_3\)上升沿執行寫操作
  - \(T_4\)上升沿撤銷數據和寫命令
  - \(T_4\)下降沿撤銷地址數據
數據傳輸率：每秒傳輸的最大字節數——\(MBPs\)

例1：假設總線的時鍾頻率為\(100MHz\)，總線的傳輸周期為4個時鍾周期，總線的寬度為32位，試求總線的數據傳輸率。若想提高一倍的數據傳輸率，可采取什么措施？

解：根據總線時鍾頻率為\(100MHz\)，得

一個時鍾周期為\(\frac{1}{100}MHz=0.01\mu s\)

總線傳輸周期為\(0.01\mu s\times4=0.04\mu s\)

由於總線得寬度為\(32位=4B(字節)\)

\(\implies\)總線的數據傳輸率為\(\frac{4B}{0.04\mu s}=100 MBps\)

若想提高一倍數據傳輸率，可以在不改變總線時鍾頻率得前提下，將數據線得寬度改為64位；

也可以保持32位的數據寬度，讓總線的時鍾頻率增加到\(200MHz\)
異步通信

\[\begin{cases} \text{主設備}\quad發起總線通訊\\ \text{從設備}\quad受主設備控制 \end{cases}\\ 增加\begin{cases} \text{請求線}\\ \text{應答線} \end{cases} \]
- 不互鎖
  - 主設備發出通信請求
  - 從設備收到請求后進行應答
  - 主設備撤銷請求信號
  - 從設備撤銷應答信號
  無論從設備是否收到請求信號，一段時間后主設備都會撤銷請求信號
  
  無論主設備是否收到應答信號，一段時間后從設備都會撤銷應答信號
  
  \(\implies\) 通信可靠性存在問題
- 半互鎖
  - 主設備發出通信請求
  - 從設備收到請求后進行應答
  - 主設備收到應答后撤銷請求信號
  - 從設備撤銷應答信號
  只有收到應答后主設備才撤銷請求信號
  
  無論主設備是否收到應答信號，一段時間后從設備都會撤銷應答信號
  
  \(\implies\)可能造成主設備請求信號一直保持高電平
- 全互鎖
  - 主設備發出通信請求
  - 從設備收到請求后進行應答
  - 主設備收到應答后撤銷請求信號
  - 請求信號撤銷后從設備撤銷應答信號
異步串行通信的數據傳送速率：
- 波特率：單位時間內傳送二進制數據的位數——\(bps(位/秒)\)
- 比特率：單位時間內傳送二進制有效數據的位數——\(bps(位/秒)\)
例2：在異步串行傳輸系統中，假設每秒傳輸120個數據幀，其字符串格式規定包含1個起始位，7個數據位，1個奇校驗位、1個終止位，試計算波特率。

解：根據題目給出的字符格式，一幀包含\(1+7+1+1=10位\)

\(\implies\)波特率為\((1+7+1+1)\times120=1200bps=1200波特\)

例3：在異步串行傳輸系統中，若字符串格式為：1起始位、8位數據位、1位奇校驗位、1位終止位。假設波特率為\(1200bps\)，求此時的比特率。

解：總數據位：\(1+8+1+1=11位\)

有效數據位：8位

\(\implies\)比特率為\(1200\times\frac{8}{11}\approx872.72bps\)
半同步通信
- 同步特征
  - 發送方用系統時鍾前沿發信號
  - 接收方用系統時鍾后沿判斷、識別
- 異步特征
  - 允許不同速度模塊和諧工作
  - 增加一條“等待”響應信號\(\to\overline{WAIT}\)
- 例：輸入數據
  - \(T_1\) 主設備發地址
  - \(T_2\) 主設備發命令
  - \(T_W\) 當\(\overline{WAIT}\)為低電平時，等待一個\(T\)
  - \(T_W\) 當\(\overline{WAIT}\)為低電平時，等待一個\(T\)
  - ......
  - \(T_3\) 從設備提供數據
  - \(T_4\) 從設備撤銷數據，主模塊撤銷命令
上述三種通信的共同點：

一個總線傳輸周期（以輸入數據為例）：
- 主模塊發地址、命令\(\to\)占用總線
- 從模塊准備數據\(\to\)不占用總線\(\implies\)總線空閑
- 從模塊向主模塊發數據\(\to\)占用總線
分離式通信
- 各模塊有權申請占用總線
- 采用同步方式通信，不等對方回答
- 各模塊准備數據時，不占用總線
- 總線被占用時，無空閑
\(\implies\)充分提高了總線的有效占用

一個總線傳輸周期：
- 子周期1——主模塊申請占用總線，使用完后即放棄總線的使用權
- 子周期2——從模塊（此時相當於主模塊）申請占用總線，將各種信息送至總線上
分離式通信控制比較復雜，一般在普通微型計算機系統很少采用