1.总线的概述（选择题即可）
1.1总线的定义
总线
是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。一根总线有许多的信号线组成，所有硬件部件都可以通过这根总线传递数据。
同一时刻只能有一个部件发送数据，但是可有多个部件接受数据。这是为了避免发生信号冲突。
1.2总线的特点
1.2.1共享性
共享
是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。
1.2.2分时性
分时
是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。
1.3总线的特性
1.3.1机械特性
机械特性
：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
1.3.2电气特性
电气特性
：传输方向和有效的电平范围
1.3.3功能特性
功能特性
：每根传输线的功能(地址、数据、控制)
1.3.4时间特性
时间特性
：信号的时序关系
1.4总线的分类
1.4.1按数据传输格式
1.4.1.1串行总线
优点
：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输，抗干扰性强；应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
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。(即我们cpu按字或按字节编码，串行总线需要把数据编码成字或字节，cpu才看得懂)
1.4.1.2并行总线
优点
：总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。
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。
1.4.2按总线的功能（连接的部件）
1.4.2.1片内总线（CPU内部）
片内总线是芯片内部的总线。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。
1.4.2.2系统总线（计算机内部）
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。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。
1.4.2.2.1数据总线
数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，包括指令和操作数；它是
双向
传输总线，其
位数与机器字长、存储字长有关
。
1.4.2.2.2地址总线
地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是
单向
传输总线，地址总线的
位数与主存地址空间的大小及设备数量有关
。
1.4.2.2.3控制总线
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。包含两种控制线，出信号线：CPU送出的控制命令；入信号线：存（或外设）返回CPU的反馈信号。每一根控制线传输一个信号；
1.4.2.3通信总线（计算机之间）
通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如网线、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。
1.5系统总线的结构
1.5.1单总线结构
单总线结构
:CPU、主存、I/O设备（通过IO接口）都连接在一组总线上，允许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。
单总线并不是指只有一根信号线
,里面包含多组地址总线、数据总线和控制总线。
优点
：结构简单，成本低，易于接入新的设备(设备只需接在这一根总线上，不需要连接其他地方)。
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（这里的并发其实是并行的意思，多个部件只能争用唯一的总线）传送操作。
1.5.2双总线结构
双总线结构
：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
传送；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送。
双总线结构
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(cpu要取的内容在主存里一般是连续的，我们能连续取出主存里内容)。
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。
缺点
：需要增加通道等硬件设备。
1.5.3三总线结构
三总线结构
：三总线结构是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路，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。
优点
：提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
缺点
：系统工作效率较低(三条中最多只有一条总线在运行)。
2.总线的性能指标(计算题第一题)
2.1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（仲裁）、 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。
2.2总线时钟周期
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。
2.3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=时钟频率/N。 实际上指一秒内传送几次数据。
2.4总线的时钟频率
即机器的时钟频率，
为时钟周期的倒数
。 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。
2.5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。
2.6总线带宽
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。
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）
2.7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。
2.8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。
2.9例题
例：某同步总线采用数据线和地址线复用方式，其中地址/数据线有32根，总线时钟频率为66MHz，每个时钟周期传送两次数据(上升沿和下降沿各传送一次数据)。
- 该总线的最大数据传输率（总线带宽）是多少？
- 若该总线支持突发（猝发）传输方式，传输一个地址占用一个时钟周期，则一次“主存写”总线事务传输128位数据所需要的时间至少是多少？
答案：
1 每个时钟周期传送两次数据 →总线工作频率是时钟频率的两倍
总线工作频率 = 2 × 66MHz =132MHz
总线宽度 = 32bit = 4B
总线带宽 = 总线工作频率 × 总线宽度 = 132 × 4 MB/s = 528 MB/s
2) 突发(猝发)传输方式：一次总线事务中，主设备只需给出一个首地址，从设备就能从首地址开始的若干连续单元读出或写入多个数据。
一个时钟周期 = 1/66MHz ≈ 15ns
发送首地址占用1个时钟周期，128位数据需传输4次，占用2个时钟周期 总耗时 = (1+2) × 15ns =45ns
3.总线仲裁
3.1总线仲裁的基本概念
总线仲裁
：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。
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
。
主设备
：获得总线控制权的设备。
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。
3.2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
3.2.1链式查询方式
总线请求
：设备想要请求工作会想总线发错总线请求
总线忙
信号的建立者是获得总线控制权的设备
总线运行
：总线允许某个设备工作
链式查询方式优先级
：离总线控制器越近的部件，其优先级越高；离总线控制器越远的部件，其优先级越低。
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。
缺点
：对硬件电路的故障敏感(前面的I/O设备线路故障，后面的也将不能工作)，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，会使先级较低的部件长期不能使用总线。
3.2.2计数器查询方式
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。
优点
：
- 计数初始值可以改变优先次序 - 计数每次从“0”开始，设备的优先级就按顺序排列，固定不变； -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； 计数器的初值还可以由程序设置
- 对电路的故障没有链式敏感
缺点
：
3. 增加了控制线数,若设备有n个，则需ceil（log2n）+2条控制线(2个设备需要1跟地址线（0或1就可以实现），4个设备需要两个地址线（00 01 10 11可以实现）)
4. 控制相对比链式查询相对复杂
3.2.3独立请求方式
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。
优点
：
- 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。
- 对优先次序的控制相当灵活。
缺点
：
- 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。
- 总线的控制逻辑更加复杂
3.2.4总结
3.3分布仲裁方式（了解）
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。
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；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；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。
4.操作和定时
总线定时
是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，它的实质是一种协议或规则
4.1总线传输的四个阶段
4.1.1申请分配
申请分配阶段
：由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。
4.1.2寻址阶段
寻址阶段
：获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次
传输的从模块。
4.1.3传输阶段
传输阶段
：主模块和从模块进行数据交换，可单向或双向进行数据传送。
4.1.4结束阶段
结束阶段
：主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。
4.2同步定时方式(同步通信,由统一时钟控制数据传送)
同步通信不需要应答信号且总线长度较短
同步定时方式
:总线控制器采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。
若干个时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。
在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。
因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始。
优点
：传送速度快，具有较高的传输速率；总线控制逻辑简单。
缺点
：主从设备属于强制性同步；不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。
特点
：同步通信适用于总线长度较短(不容易发生信号跳变)及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。
4.3异步定时方式(异步通信,采用应答方式，没有公共时钟标准, 按需分配时间
按需分配时间
在异步定时方式中，没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备；从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出“回答”信号。
4.3.1不互锁方式
主设备发出“请求”信号后，不必等到接到从设备的“回答”信号，而是经过一段时间，便撤销“请求”信号。而从设备在接到“请求”信号后，发出“回答”信号，并经过一段时间，自动撤销“回答”信号。双方不存在互锁关系。
4.3. 2半互锁方式
主设备发出“请求”信号后，必须待接到从设备的“回答”信号后，才撤销“请求”信号，有互锁的关系。而从设备在接到“请求”信号后，发出“回答”信号，但不必等 待获知主设备的“请求”信号已经撤销，而是隔一段时间后自动撤销“回答”信号，不存在互锁关系。
4.3.3全互锁方式
主设备发出“请求”信号后，必须待从设备“回答”后，才撤销“请求”信号；从设备发出“回答”信号，必须待获知主设备“请求”信号已撤销后，再撤销其“回答”信号。双方存在互锁关系。
4.3.4总结
优点
：总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合。
缺点
：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。
4.4半同步通信（同步、异步结合,了解）
半同步通信
：统一时钟的基础上，增加一个“等待”响应信号WAIT
4.5分离式通信（充分挖掘系统总线每瞬间的潜力,了解）
无论是同步通信、异步通信还是半同步通信，在模块准备数据的时候，总线都是空闲的，我们可以利用这个阶段让别的I/O设备进行总线使用。
同步通信、异步通信、半同步通信使用总线流程
：
| 主模块发地址 、命令 | 使用总线 |
| 从模块准备数据 | 总线空闲 |
| 从模块向主模块发数据 | 使用总线 |
分离式通信使用总线流程
:
| 子周期1 | 主模块申请占用总线，使用完后放弃总线的使用权 |
| 子周期1 | 从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上 |
5.总线标准
5.1总线标准的基本概念
总线标准
是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵 守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口，在接口的两端，任何一方只需根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求，而无须了解对方接口的要求。
5.2系统总线
系统总线
：通常与CPU直接相连，用于连接CPU与北桥芯片、或CPU与主存等
5.3局部总线
局部总线
：没有直接与CPU连接，通常是连接高速的北桥芯片，用于连接了很多重要的硬件部件（如显 卡、声卡等）
高速设备采用局部总线连接，可以节省系统的总带宽。
5.4设备总线、通信总线
设备总线、通信总线
：通常由南桥芯片控制，用于连接计算机与计算机，或连接计算机与外部I/O设备
USB(通用串行总线）的特点有
①即插即用;②热插拔;③有很强的连接能力，采用菊花链形式将众多外设连接起来;④有很好的可扩充性，一个USB控制器可扩充高达127个外部USB设备;⑤高速传输，速率可达480Mb/s。
5.5总结（只需记住总线分类）
6.补充
- 计算机使用总线结构便于增减外设，同时减少信息传输线的条数。