总线概念

连接各个部件的信息传输线 各个部件共享的传输介质

总线是一组信号线的集合，组成系统的标准信息通道，使得计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统至今建立了信号联系，进行数据传输和通信。

总线的基本概述

总线分类标准

①按数据传输格式

1）串行总线
a．优点:只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输;应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
b．缺点:在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题。

2）并行总线
a．优点:总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。
b．缺点:信号线数量多，占用更多的布线空间;远距离传输成本高昂;由于工作频率较高时,并行的信号线之间会产生严重干扰,对每条线等长的要求也越高,所以无法持续提升工作频率。

②按总线功能（连接的部件）

1）片内总线
a．片内总线是芯片内部的总线。
b．它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

2）系统总线
a．系统总线是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/o接口）之间相互连接的总线。
b．按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类:数据总线、地址总线和控制总线。
a）数据总线（DB）
i．传输各功能部件之间的数据信息,包括指令和操作数;位数(根数)与机器学长、存储字长有关
ii．信息传输方向：双向。
b）地址总线(AB)
i．传输地址信息,包括主存单元或I/o端口的地址;位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关
ii．信息传输方向：单向。
c）控制总线(CB)
i．控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外设）返回CPU的反馈信号。

③按时序控制方式

1）同步总线
2）异步总线

微机总线（补充）

1、片总线：是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块的信息传输通路。

2、内总线：是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。

3、外总线：是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。

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性能指标

（1）总线的传输周期（总线周期）
一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。
（2）总线时钟周期
① 即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。
② 注：总线周期与总线时钟周期的关系比较魔幻，大多数情况下，一个总线周期包含多个总线时钟周期有的时候，一个总线周期就是一个总线时钟周期有的时候，一个总线时钟周期可包含多个总线周期
③现在的计算机中，总线时钟周期也有可能由桥接器提供

（3）总线的工作频率
①总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。
②若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。实际上指一秒内传送几次数据。

（4）总线的时钟频率
①即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。
②若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。实际上指一秒内有多少个时钟周期。
（5）总线宽度
又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位(bit）总线。

（6）总线带宽
①可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。
②总线带宽=总线工作频率×总线宽度(bit/s)=总线工作频率×(总线宽度/8)(B/S）
=总线宽度/总线周期( bit/s）=总线宽度/8/总线周期(B/s)
③注:总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率。在计算实际的有效数据传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时。
（7）总线复用
总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。
（8）信号线数
地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。

典型的计算机总线

1.个人计算机总线

1. 个人机器总线
2. EISA总线
3. ISA总线

测控机箱底板总线

1. VME
2. VXI
3. Compact PCI
4. PXI

仪器与计算机互联总线

1. IEEE488总线又称GPIB
2. SCSI总线
3. MXI总线

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PCI 总线

局部总线

1.PCI总线

PCI总线是一种典型的局部总线，用于CPU与高速外设间的数据交换，AGP是图形卡和北桥之间的局部总线，PCI-X则是PCI总线的扩展版本。

2.PCI-X总线

1. 支持多种总线频率。
2. 特征段技术，让每件总线事务都附带一个36位的特征域，指示该事务的开始位置，插入顺序，事务长度，是否需要缓冲检测，从而能追踪穿过总线的数据，需要时，将它在队列中向前移动.
3. 分离事务，允许一个正向某个给特定目标的设备请求数据的设备，在目标准备好数据之前，处理其他任何事情。
4. 允许目标设备仅仅与单个设备交换数据，若PCI - X设备没有任何数据传送，总线会自动将它移除，以减少PCI设备间的等待周期。

总线仲裁

主设备：具有获得总线控制能力的设备。
从设备：被主设备访问的设备，只能响应总线上的各种数据请求，而本身不具备控制总线的能力的设备
1．基本概念

（1）同一时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有一个或多个设备从总线接收数据。
（2）将总线上所连接的各类设备按其对总线有无控制功能分为
①主设备:获得总线控制权的设备。
②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。

（3）为什么要仲裁?
总线作为一种共享设备，不可避免地会出现同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题。
（4）总线仲裁的定义:
多个主设备同时竞争主线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁。

（5）总线仲裁分类:
①集中仲裁方式：链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式
②分布仲裁方式
2．集中仲裁方式
工作流程:
①主设备发出请求信号;
②若多个主设备同时要使用总线，则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线;
③获得总线使用权的主设备开始传送数据。

链式查询方式

①“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的设备
②优先级:
1）离总线控制器越近的部件,其优先级越高;
2）离总线挫制器越远的部件,其优先级越低。

③优点:链式查询方式优先级固定。只需很少几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易
④缺点:对硬件电路的故障敏感，并且优先级不能改变。当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

计数器定时查询方式

①结构特点:用一个计数器控制总线使用权，相对链式查询方式多了一组设备地址线，少了一根总线响应线BG;它仍共用一根总线请求线。
②当总线控制器收到总线请求信号，判断总线空闲时，计数器开始计数，计数值通过设备地址线发向各个部件。
③当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权。同时，中止计数器的计数及查询。

④优点:
1）计数初始值可以改变优先次序
a．计数每次从“0”开始，设备的优先级就按顺序排列，固定不变;
b．计数从上一次的终点开始，此时设备使用总线的优先级相等;
c．计数器的初值还可以由程序设置
2）对电路的故障没有链式敏感
⑤缺点:
1）增加了控制线数，若设备有n个，则需[ log2n]+2条控制线
2）控制相对比链式查询相对复杂

独立请求方式

①结构特点:每一个设备均有一对总线请求线BRi和总线允许线BGi。
②当总线上的部件需要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队。
③当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时,则给该部件发送总线响应信号。
④优点:
1）响应速度快，总线允许信号BG直接从控制器发送到有关设备,不必在设备间传递或者查询。
2）对优先次序的控制相当灵活。
⑤缺点:
1）控制线数量多，若设备有n个，则需要2n+1条控制线。其中+1为BS线，用于设备向总线控制部件反馈已经是否正在使用总线。
2）总线的控制逻辑更加复杂

分布仲裁方式

（1）特点:不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。
（2）当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上;
（3）每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较;
（4）如果仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号;最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。