一、总线概述

二、总线的分类

三、系统总线的结构

四、总线的性能指标

五、总线仲裁

六、总线操作和定时

七、总线标准

一、总线概述

总线：是一组能为多个部件分时共享信息的传送线路

早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。为了更好的解决 I/O 设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展为总线连接。

分时：同一时刻只允许有一个设备向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则他们只能分时地向总线发送信息。
共享：总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换信息都可以通过这组线路分时共享。

总线的特性

机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性：传输方向和有效电平范围
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

二、总线的分类

按数据传输格式分类

（1）串行总线：数据一个bit一个bit的进行传输和接收

（2）并行总线：数据可以并行的传输和接收多个bit

并行总线在传输信息时，由于信号线距离进，有可能造成信息干扰，造成二进制信息位的跳变，这种电气特性会导致并行总线的实际工作频率并不会非常高，所以并行总线的传输效率未必比串行总线高。

按总线功能（连接的部件）分类

（1）片内总线：芯片内部的总线，是CPU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：计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间互相连接的总线，系统总线按照传输信息内容的不同，又可分为三类（地址、数据、控制）。

地址总线AB：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。
数据总线DB：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）与机器字长、存储字长有关，双线传输。
控制总线CB：一根控制线传输一个控制信号（有出：CPU发出的控制信号；有入：主存或外设返回CPU的反馈信号）

（3）通信总线：计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线或设备总线。

三、系统总线的结构

（1）单总线结构

结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O的接口）都连接在一组总线上，运行I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息
优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备
缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作

（2）双总线结构

结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传输。另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传输
通道：具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理，通道程序放在主存中
支持突发（猝发）传送：送出一个地址，收到多个地址连续的数据
优点：将较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线分离，较低速数据传输将不再影响较高速数据传输
缺点：需要增加通道等硬件设备，成本增加

（3）三总线结构

结构：在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通道，这3条总线分别为主存总线、I/O总线和直接内存访问DMA总线
DMA：Direct Memory Access，直接内存访问
优点：提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统的吞吐量
缺点：系统的整体工作效率较低（三个总线同一时刻只能由一个总线在工作）

（4）四总线结构

桥接器：用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能
靠近CPU的总线速度更快
每级总线的设计遵循总线标准

四、总线的性能指标

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），通常由一个或若干个总线时钟周期构成。

2. 总线的时钟周期（机器的时钟周期）：计算机系统有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟控制。现代计算机系统中总线的时钟周期有可能是由桥接器控制。

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

4. 总线的时钟频率（机器的时钟频率）：时钟周期的倒数。若时钟周期为T，则时钟频率为1 / T，指一秒内有多少个时钟周期。

5. 总线的宽度（总线位宽）：总线同时能传送的数据位数，通常指数据总线的根数，如32位对应32根bit总线。

6. 总线带宽：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，单位为字节/秒（B/s）。

7. 总线复用：总线复用是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、控制总线3种总线数的总和

总线带宽 = 总线的工作频率 × 总线位宽 (bit/s) = 总线的工作频率 × （总线位宽/8）(B/s) = 总线宽度 / 总线周期 (bit/s) = （总线位宽/8）/ 总线周期 (B/s)

五、总线仲裁

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

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：

主设备（主模块）：获得总线控制权的设备
从设备（从模块）：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

为什么要仲裁？总线作为一种共享设备，不可避免的会发生同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题

总线仲裁的定义：多个主总线设备同时竞争总线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权。

总线仲裁的分类

（1）集中仲裁方式：

链式查询方式：越靠近CPU的设备总线优先级越高，对硬件故障敏感
计数器定时查询方式：用一个计数器控制总线使用权，对设备进行编号，通过计数器对设备进行循环查询，对硬件故障没有链式敏感，电路比链式复杂
独立请求方式：每一个设备均有一对总线请求线BR和总线允许线BG。总线速度快，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查询，对总线的优先次序的控制相当灵活，但是控制线数量多，电路复杂

（2）分布仲裁方式：不需要中央处理器，每个潜在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

集中仲裁方式：