一、总线的概念和结构形态

1. 总线的基本概念

   ⑴概述

总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。

   ⑵ 分类

总线的分类方式有很多：如被分为外部总线和内部总线、系统总线和非系统总线、片内总线和PCB板级总线、串行总线和并行总线、高速总线和低速总线、同步总线和异步总线。专用总线和通用总线等。

如以用途分类：一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：

①CPU 内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线；

②CPU 同存储器、通道等计算机系统的其他高速功能部件互相连接的总线，称为系统总线；

③中、低速 I/O 设备之间互相连接的总线，称为 I/O 总线。

 

 

 

    ⑶  特性

①物理特性

②功能特性

③电气特性

④时间特性

     ⑷ 性能指标

       衡量总线性能的重要指标是总线带宽，即总线本身所能达到的最高传输速率，单位是兆字节每秒（MB/s）。设总线的总线周期为 T，其在一个总线周期中共传输 D 个字节，则总线带宽为 D/T。

     

 

⑸ 

 

 

  2. 总线的连接方式

外围设备通过适配器与计算机连接，从而实现高速 CPU 与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制，适配器通常简称为接口。

⑴ 单总线结构

     在许多单处理器的计算机中，使用单一的系统总线来连接 CPU、主存和 I/O 设备，称为单总线结构，如图6-1 所示。

 单总线结构有以下特点：

①连接到总线上的逻辑部件必须高速，从而避免不必要的时间延迟；

②当 CPU 读取指令时会将程序计数器中的地址同控制信息送至总线，而只有地址与总线传输的地址相对应的设备才会执行数据传送操作；

③在单总线系统中，对输入/输出设备的操作，完全与对主存的操作方法一样；

④在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址；（访问存储器和访问外设指令相同，由地址来区分）

⑤单总线结构容易扩展成多 CPU 系统。

        ⑥总线简单，使用灵活、易于扩展

        ⑦任意两设备之间理论上都可以直接交换信息。

        ⑧所有设备分时工作，仅适用于低速的计算机系统中。

      

   ⑵多总线结构

      由于单总线系统的信息传送效率和吞吐量都受到极大限制，因此产生了多总线结构，如图 6-2 所示。

②高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线可以连接串行工作方式的 I/O 设备；

③多总线结构中，高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，提高了总线的效率和吞吐量。

④存储总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性；

 ⑤由于外设和内存处于不同的总线，需要增加I/O指令。

3. 总线的内部结构

   ⑴ 早期总线的内部结构

早期总线的内部结构如图 6-3 所示。

其中地址线是单向的，而数据线和控制线是双向的，早期总线的不足有两个地方：

①CPU 是唯一主控者，从而无法满足多 CPU 的环境要求；

②由于总线信号是 CPU 引脚信号的延伸，故总线结构与 CPU 紧密相关，通用性较差。

 

⑵当代总线的内部结构

当代流行的总线内部结构如图 6-4 所示。

 

 

其中总线分为四个部分：

①数据传送总线：主要由地址线、数据线、控制线组成，一般是 32 位或 64 位；

②仲裁总线：主要包括总线请求线以及总线授权线；

③中断与同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线；

④公用线：主要包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。当代总线的结构是标准总线，并且满足包括多个 CPU 在内的主控者环境需求。

 

  

二、总线接口

 

1. 信息传送方式

计算机系统中，传输信息可采用串行传送、并行传送和分时传送三种方式，但是出于速度和效率上的考虑， 系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。

    ⑴ 串行传送 

串行传送只有一条传输线，且通过脉冲传送，因此特别适合长距离传输，但是传输效率低。

    ⑵ 并行传送

并行传送，对每个数据位都需要单独一条传输线。并行传送一般采用电位传送，由于所有的位同时被传送， 所以并行数据传送比串行数据传送快得多。

    ⑶ 分时传送

①采用总线复用方式，即传送地址和传送数据在不同的时间片内完成；

②共享总线的部件分时使用总线。

 

 

 

2.总线接口的基本概念

   ⑴ 概述

I/O 功能模块通常简称为 I/O 接口，也叫适配器。广义地讲，I/O 接口是指 CPU、主存和外围设备之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件。

  ⑵ 外围设备

CPU、I/O 接口和外围设备之间的连接关系如图 6-5 所示。

 ⑶I/O 接口

      一个标准 I/O 接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。I/O 接口模块的一般结构框图如图 6-6 所示。

三、总线的仲裁

1. 概述

        为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。主方持续控制总线的时间称为总线占用期，按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

2.集中式仲裁

       集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到总线控制器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线 BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG。

   ⑴链式查询方式

      为减少总线授权线数量，采用菊花链查询方式，其中 A 表示地址线，D 表示数据线。BS 线为 1 表示总线正被某外设使用，如图 6-7 所示。

①工作过程

链式查询中，总线授权信号 BG 串行地从一个 I/O 接口传送到下一个 I/O 接口。假如 BG 到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如 BG 到达的接口有总线请求，BG 信号便不再往下查询，这意味着该 I/O 接口就获得了总线控制权。由此可见，离总线仲裁器越远，优先级越低。

②优缺点

优点：结构简单，只需较少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁；

缺点：对电路故障很敏感，并且高优先级的设备频繁请求时，低优先级的设备可能长期不能使用总线。

 ⑵计数器定时查询方式

计数器定时查询方式原理如图 6-8 所示。

 其工作过程为：

       总线上的任一设备要求使用总线时，通过 BR 线发出总线请求。总线仲裁器接到请求信号以后，在 BS 线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备将 BS 线置“1”，获得了总线使用权，此时中止计数查询。

当释放总线后，有两种方法：

①重新开始从 0 开始计数，这样和链式查询法相同，离总线仲裁器越近，优先级越高；

②从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。

⑶独立请求方式

独立请求方式原理如图 6-9 所示。

 

       在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 BR 和总线授权线 BG。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号 BG。

②优缺点

       独立请求方式的优点是响应时间快，并且控制优先级也相当灵活，但是电路结构复杂，所需线路多。

 

3.分布式仲裁

      分布式仲裁每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器，不需要集中的总线仲裁器。当有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，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。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

分布式仲裁器的逻辑结构示意图如图 6-10 所示。

四、总线的定时和数据传送模式

1. 总线的定时

总线的一次信息传送过程，大致可分为五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）。

  ⑴ 同步定时

在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。一次 I/O 传送被称为时钟周期或总线周期，如图 6-11 所示为读写数据的同步时序。

 

 

①工作过程

以读周期为例，CPU 首先将存储器地址放到地址线上，并发出地址允许信号，在第二个时钟周期发出一个读命令，再经过一个周期的存取时间，将数据和认可信息放到总线上，被 CPU 读取。

②优缺点

优点：同步定时具有较高的传输频率；同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。缺点：同步总线必须按最慢的模块来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会大大损失总线效率。

  ⑵ 异步定时

       在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制的基础上。这种系统不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度是可变的。

①读周期的过程。

系统总线读周期时序图如图 6-12 所示。

      CPU 将地址信号和读状态信号发送到总线上，待这些信号稳定后，它发出读命令，指示有效地址和控制信号的出现。存储器模块进行地址译码并将数据放到数据线上。一旦数据线上的信号稳定，存储器模块使确认线有效，通知 CPU 数据可用。CPU 从数据线上读取数据后，立即撤销读状态信号，从而引起存储器模块撤销数据和确认信号。最后，确认信号的撤销又使 CPU 撤销地址信息。

 

②写周期的过程

系统总线写周期时序图如图 6-13 所示。

 

 

2.总线数据传送模式

当代的总线标准大都能支持的数据传送模式如图 6-14 所示。

 

五、HOST 总线和 PCI 总线

典型的多总线结构框图如图 6-15 所示。

 

PCI 总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。同时 PCI 总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多条总线并行工作。PCI 适合于低成本的小系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。

⑶LAGACY 总线

       该总线可以是 ISA，EISA，MCA 等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速 I/O 设备。