总线系统总结

总线的概念与分类

总线概念：一组能为多个部件分时共享的公共信息传输线路。更好地解决I/O设备与主机间连接的灵活性问题。
数据通路表示的是数据流经的路径;数据总线是承载的媒介
共享：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。
分时：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。

总线的特性：
机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性：传输方向和有效的电平范围
功能特性：根传输线的功能（地址、数据、控制）
时间特性：信号的时序关系

总线的分类：
按数据传输格式分：串行总线和并行总线
按总线连接的部件分：片内总线 系统总线 通信总线
按时序控制方式分：同步总线和异步总线

串行总线和并行总线：
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；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。
并行总线:
优点：总线的逻辑时序简单，电路实现容易。
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；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。

片内总线 系统总线 通信总线
1.片内总线: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。
2.系统总线:系统总线是计算机系统内各功能部件(CPU、主存、接口）之间相互连接的总线。按传输信息内容不同又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线:用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关。
地址总线: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，单向传输，地址总线的位数与主存地址空间的大小有关。
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.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。

总线的结构：
1.单总线结构：单总线并不是指只有一根信号线，系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线。
结构：CPU、主存、I/O设备（通过O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。
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：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。通道是具有特殊功能的处理器，能对IO设备进行统一管理。通道程序放在主存中。
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IO总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
优点：将较低速的IO设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和IO总线分离。
缺点：需要增加通道等硬件设备。
3.三总线结构：
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，分别为主存总线、IO总线和直接内存访问DMA总线。
优点：提高了IO设备的性能，使其史快地响应命令，提高系统吞吐量。
缺点：系统工作效率较低。
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的总线速度较快。每级总线的设计遵循总线标准

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），通常由若干个总线时钟周期构成。
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。
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。实际上指一秒内传送几次数据。
4.总线的时钟频率
即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。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
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(bit/s)=总线工作频率×（总线宽度／8）(B/S)
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。

总线仲裁
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：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。
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。
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。

总线仲裁分类：
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）和分布仲裁方式

链式查询方式：
原理：
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。
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。
“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的设备
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：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 :
原理：：
当总线控制器收到总线请求信号时，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。当地址线的计数值与请求使用控制设备的地址一致时，该设备获得总线控制权。同时，中止计数器的计数及查询。
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：1.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2.对电路的故障没有链式敏感
缺点：1.增加了控制线数；2.控制相对比链式查询相对复杂
独立请求方式:
原理：
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。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。
结构特点：每一个设备均有一对总线请求线和总线允许线
优点：1.响应速度快，总线允许信号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。
缺点：1·控制线数量多：其中+1为BS线，其用处为，用于设备向总线控制部件反馈己经使用完毕总线。2.总线的控制逻辑更加复杂

分布仲裁方式：
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。

总线的操作和定时
总线周期的四个阶段：
1）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。
2）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。
3）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）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。

总线定时：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
同步通信（同步定时方式）由统一时钟控制数据传送
异步通信（异步定时方式）采用应答方式，没有公共时钟标准
半同步通信:同步异步结合
分离式通信:充分挖掘系统总线每瞬间的潜力

同步通信:是指系统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。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，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。
同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。
异步通信: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。
根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，分为3种类型1.不互锁方式2.半互锁方式3.全互锁方式
1）不互锁方式——速度最快可靠性最差
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。
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”信号己经撤销，而是隔一段时间后自动撤销“回答”信号，不存在互锁关系。
3）全互锁方式——最可靠速度最慢
主设各发出“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”信号己撤销后，再撤销其“回答”信号。双方存在互锁关系。
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。
波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，单位用bps（位/秒）表示，记作波特
比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用bps表示，bps即bit/s
半同步通信：在统一时钟的基础上增加一个“等待”信号线，通过插入时钟等待周期的措施协调通信双方的配合问题；同步: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；异步:允许不同速度的模块协调工作
分离式通信：
利用总线正在被占用但不被使用的时间；将一个传输周期分为两个子周期，子周期1：主模块申请占用总线，用完立即归还使用权；子周期2：从模块申请占用总线，将信息送到总线上
特点：
1．各模块均有权申请占用总线
2，采用同步方式通信，不等对方回答
3．各模块准备数据时，不占用总线
4．总线利用率提高

总线标准
总线标准：总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，是各种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。
系统总线标准：ISA、EISA、VESA、PCI、PCI—Express等。
设备总线标准：IDE、AGP、RS一232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA等。
局部总线标准：在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，如PCI、PCI-E、VESA、AGP等，可以节省系统的总带宽。
即插即用：自动配置（低层）计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。把物理设备和软件（设备驱动程序）相配合，并操作设备，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道。
热插拔：即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展和灵活性等，例如一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能。