第三章 系统总线

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该笔记是最初是没打算发网上的，所以很多地方都为了自我阅读方便，我理解了的地方就少有解释；我不理解的地方理解后加上的解释便很多。

因此，若读者在阅读过程中遇到错误或理解问题，请评论区留言或者私信，我们一起讨论：看到会及时回复。

3.1 总线的基本概念

• 以存储器为中心的双总线结构

3.2 总线的分类

• 片内总线：芯片内部各部件之间的的总线，如CPU内部连接各寄存器及运算器之间的总线。
• 系统总线：计算机各部件之间 的信息传输线
  • 数据总线：双向 与机器字长、存储字长有关，但不一定等于字长，一个字可以分多次传输
  • 地址总线：单向 与存储地址、 I/O地址有关，和 MAR 位数相等
  • 控制总线：双向，存储器读、存储器写，总线允许、中断确认，中断请求、总线请求。
• 通信总线：用于 计算机系统之间 或 计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）
• 按照传输方式分类：
  • 并行通信总线：同一时刻，可以传输多个bit位的信号，有多少个信号位就需要多少根信号线。并行通讯的效率高，但是对信号线路要求也很高，很容易产生干扰，反而传输速度不能很快。
  • 串行通信总线：同一时刻，只能传输一个bit位的信号，只需要一根信号线。串行通讯效率较低，但是对信号线路要求低，抗干扰能力强，传输速度可以很快。

3.3 总线特性及性能指标

• 总线特性
  • 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
  • 电气特性：传输方向和有效的 电平 范围
  • 功能特性 ：每根传输线的功能，如地址线，数据线，控制线，反馈线
  • 时间特性：信号的时序 关系
• 总线的性能指标
  • 总线宽度：数据线的根数
  • 标准传输率 ：每秒传输的最大字节数（MBps）
  • 时钟同步/异步： 同步、不同步
  • 总线复用：地址线 与 数据线 复用，8086的20根地址线和16根数据线复用，减少芯片的管脚数量。
  • 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
  • 总线控制方式 ：突发、自动、仲裁、逻辑、计数

3.4 总线结构

• 单总线结构

• 双总线结构

  通道既是硬件数据通路，又是具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理。

  通道的作用：①存储；②串并转换；③计算

• 三总线结构
  • 主存总线和DMA总线不能同时工作，要进行判优工作。
  • 当主存总线和DMA总线出现竞争时，我们把优先权交给DMA总线

• 三总线结构的又一形式
  • 在此结构中，主机由缓存、主存、CPU组成，而不再是2部分组成。

• 四总线结构

• 传统微型机总线结构

• VL-BUS局部总线结构

• PCI 总线结构

• 多层 PCI 总线结构

3.5 总线控制

3.5.1 总线判优控制

• 主设备( 模块)： 对总线有 控制权

• 从设备( 模块) ：响应 从主设备发来的总线命令

• 总线判优控制两种方式：分布式（针对多机系统）、集中式

  下面给出集中式的三种优先权仲裁方式，注意其中（BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意）

  • 链式查询

    

    • 缺点：①请求不公平，越靠近总线控制部件，优先级越高；②不可靠，一旦BG链断裂，其后接口均无法再获得BG信号。

  • 计数器定时查询

    

    • 缺陷：计数器的设计要重点考虑，是总线同意后重置位还是继续计数

  • 独立请求方式

    

    • 缺陷：线路冗余

3.5.2 总线通信控制

• 总线传输周期

  • 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
  • 寻址阶段：主模块向从模块给出 地址 和 命令
  • 传输阶段：主模块和从模块 交换数据
  • 结束阶段：主模块 撤消有关信息

• 总线通信：为解决通信双方 协调配合 问题

  • 同步通信

    由 统一时标 控制数据传送 ，一般在总线长度比较短，各个部件速度比较一致的时候使用，存在短板效应。

    地址线为高电平有效，读命令为低电平有效，数据线为高电平有线；三线非方波是因为操作不是一瞬间的，而是有缓冲时间的。

    地址线传输一直有信号是因为数据具有指向性，一旦地址失效，则传输无法寻址，因此必须长期有效才行。

  

  • 异步通信

    异步通信克服了同步通信的缺点,允许各模块速度的不一致性，它没有公共的时钟标准，,不要求所有部件严格的统一操作时间,而是采用应答方式。

    异步通信的应答方式又可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型

    • 不互锁：通信双方非必须收到对方的响应消息才做出反应，如，主模块发送请求信号后，过了一段时间，自动确认从模块已收到，此时主动撤销请求信号，而不是等到从模块的回答才撤销；从模块亦然。
    • 半互锁：此时主模块对从模块持有锁，须等到从模块的回答才撤销请求信号；而从模块依然无锁，回答后过一段时间自动撤销回答信号。
    • 全互锁：双方均持有锁。

    以上三种应答方式，我们可用下图进行表述：

    

    异步串行通信的数据传送速率用波特率来衡量。波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数,单位用bps(位/秒)表示,记作波特，特别注意的是严格来说，波特率与比特率不同，仅仅在一个一个波特位用一个比特位表示时，波特率和比特率相等。

  • 半同步通信

    同步、异步 结合，发送方 用系统 时钟前沿 发信号，接收方 用系统 时钟后沿 判断、识别。增加一条 “等待”响应信号。当从设备数据没有准备好时发出$\overline{\text{WAIT}}$信号，数据准备好了再开始开始同步传输数据。

    

    上面三种数据通信的共同点

    • 主模块发地址、命令 需占用总线
    • 从模块准备数据 不占用总线
    • 从模块向主模块发数据 占用总线

  • 分离式通信

    主模块申请占用总线发地址 、命令，使用完后放弃总线的使用权；从模块准备数据完毕后，从模块申请占用总线（身份转换为主设备），向主模块发数据。从模块准备数据是不占用总线的，这时候其他设备可以请求总线，充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。

    • 各模块有权申请占用总线
    • 同步通信，不等回答
    • 各模块准备数据不占用总线
    • 总线被占用时，不空闲