组成原理(十五)：总线
在计算机中，数据传输都是通过总线(Bus)进行的。
1、总线的概述
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
共享是指总线上可以挂接多个部件，各部件之间相互交换的信息都以通过这组公共线路传送；
分时是指同一时刻总线上只能传送一个部件发送的信息。
1.1、总线的基本概念
总线采用分时共享技术，当总线空闲(所有部件都以高阻状态连接在总线上)时，如果有一个部件要与目的部件通信，则发起通信的部件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻状态连接在总线上的部件，如果收到与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。
发送部件完成通信后，将总线让出(输出变为高阻态)。
1.1.1、三态门和总线电路
高阻状态又称浮空状态，输出呈高阻状态即相当于输出开路(隔断)，输出端对地的电阻无限大，与外界断开联系。具备高阻状态的门电路称为三态门，即具有3中逻辑状态(逻辑0、逻辑1和高阻状态)的门电路。
三态门主要用于总线连接，各个部件或设备必须通过三态缓冲器才能挂载总线上，通过控制段选择工作部件或设备。
1.1.2、总线事务
把在总线上一对设备之间的一次信息交换过程称为一个"总线事务"，把发出总线事务请求的部件称为主设备，与主设备进行信息交换的对象称为从设备。
一次总线事务有两个阶段：地址阶段 和 数据阶段。
突发传送事务由一个地址阶段和多个数据阶段构成，用于传送多个连续单元的数据，地址阶段送出的是连续区域的首地址。如此，一次突发传送事务可传送多个数据。
1.1.3、总线使用权
总线是由多个部件和设备共享，为了正确的实现他们之间的通信，必须有一个总线控制机构，对总线的使用进行合理的分配和管理。
主设备发出总线请求并获得总线使用权后，立即开始向从设备进行一次信息传送。以主设备为参考点，向从设备发送信息或接受从设备送来的信息的工作关系，称为主从关系。
主设备负责控制和支配总线，向从设备发出命令来指定数据传送方式与数据传送地址信息。
只有获得总线使用权的设备才是主设备。
总线数据的传送操作，以主设备为参考点，从设备将数据送往主设备，称为 "输入"；反之，称为输出。
完成一次总线操作的时间称为总线周期，总线使用权的转让发生在总线进行一次数据传送的结束时刻。
1.2、总线的分类
1.2.1、功能层次
片内总线，芯片内部的总线，是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连线。
系统总线，计算机系统内各功能部件(CPU、这主存、I/O接口)之间相互连接的总线，系统总线也称为内总线，是构成计算机的重要组成部分，可分为 数据总线、地址总线 和 控制总线。
通信总线，也称 "外总线"，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之间信息传送的总线。
1.2.2、数据线的多少
并行总线，含有多条双向数据线的总线，可以实现一个数据的多位同事传输。可能会造成传输错误。
串行总线，只含一条双向数据线或两条单向数据线的总线，串行总线可以实现一个数据的各位按照一定的速度和次序依次传输。适用于远距离通信。
1.3、总线的组成及性能指标
1.3.1、总线结构
单总线结构，只有一条系统总线，所有部件通过系统总线接入。
结构如下：
双总线结构，在单总线的基础上增加一条专用与CPU与主存之间的数据传送通道。
单总线中各部件只能分时工作，使信息传送的吞吐量受到限制。双总线，增加存储总线使CPU与存储器完成的信息交换，减轻系统总线负担。
结构如下：
三总线结构，在双总线的基础上再增加一条I/O总线。系统广总线是CPU、主存和通道(IOP)之间进行数据传送的公共通路，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。
结构如下：
1.3.2、总线的性能指标
总线宽度，总线的线数，决定了总线锁占的物理空间和成本。对总线宽度最直接的影响是地址线和数据线的数量，地址线的宽度指明了总线能直接访问储存器的地址空间范围，数据线的宽度指明了访问一次存储器或外设时能够交换的数据位数。
总线带宽，总线的最大数据传输率，即每秒传输的字节数。
总线负载，连接在总线上的最大设备数量。
总线复用，总线分时复用是指在不同时段利用总线上同一个信号线传送不同信号。
2、总线仲裁
总线是由多个部件和设备所共享的，连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，CPU可以作为主方也可以作为从方，而存取器模块只能用作从方。
为保证同一时刻只有一个申请者使用总线，总线控制机构中设置有总线判优和仲裁控制逻辑，即按照一定的优先次序来决定哪个部件首先使用总线，只有获得总线使用权的部件才能开始数据传送。
总线判优按其仲裁控制机构的设置可分为集中式控制和分布式控制两种。
2.1、集中仲裁方式
总线控制逻辑集中在一处，称为集中式控制，有3中常见的优先权仲裁方式。
2.1.1、链式查询方式
总线控制器使用3根控制线与所有部件和设备相连，而AB和DB分别代表地址总线和数据总线。
总线请求(BR)：该线有效，则表示至少有一个部件或设备要求使用总线。
总线忙(BS)，该线有效，则表示总线正在被某部件或设备使用。
总线批准(BG)，该线有效，表示总线控制器响应总线请求。
与总线相连的所有部件经公共的BR线发出总线请求，只有在BS信号未建立前，BR才能被总线控制器响应，并送出BG回答信号。
BG信号串行的通过每个部件，若某部件本身没有总线请求，则将该信号传给下一个部件，若这个部件有总线请求，停止传送BG信号，获得总线使用权。此时该部件建立BS信号，表示它占用了总线，并撤销总线请求信号BR，进行数据的传送。
链式查询方式的优先次序是由BG线上串接部件的先后位置来确定的，在查询链中离总线控制器最近的设备具有最高优先权。
2.1.2、计数器定时查询方式
总线上每个部件可通过公共的BR线发出请求，总线控制器收到请求后，在BS为0的情况下，让计数器开始计数，定时的查询各个部件以确定谁发出的请求。
当查询线上的技术值与发出请求的部件号一致时，该部件就使BS线置1，获得总线使用权，并终止计数查询，直至该部件完成数据传送后，撤销BS信号。
2.1.3、独立请求方式
每一个共享总线部件均有一对控制线：总新请求BR和总线批准BG，当某个部件请求使用总线时，便发出BR，总线控制器中有一排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个部件的请求BR，然后个该部件送回批准信号BG。
独立请求方式的优点是响应时间快，以增加控制线数和硬件电路为代价。
2.2、分布式仲裁方式
分布式仲裁方式不需要中央仲裁器，即总线控制逻辑分散在连接于总线上的各个部件或设备中。
连接到总线上的主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求。
每次总线操作，只能有一个主方占用总线使用权，但同一时间里可以有一个或多个从方，对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级、冲突检测或公平策略等方法进行仲裁。
3、总线定时控制
总线的定时控制分为 同步方式 和 异步方式。
3.1、同步定时方式
同步定时方式，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，每个间隔构成了一个总线周期。
在一个总线周期中，发送和接收双方可以进行一次数据传送。
在规定的时间段内进行I/O操作，所以发送者不必等待接收者的响应，当这个时间段结束后就自动进行下一个操作。
同步方式中的时钟频率必须能适应在总线上最长的延迟和最慢的接口需要。
因此，同步方式的效率较低，时间利用不够合理；同时，没有办法直到被访问的外设是否已经真正的响应，所以可靠性较低。
3.2、异步定时方式
异步定时方式，也称为应答方式。在该种方式下，没有公用的时钟，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。
通常，把交换信息的两个部件或设备分为主设备和从设备，主设备剔除交换信息的"请求"信号，经接口传送到从设备；从设备接到主设备的申请后，通过接口向主设备发出"回答"信号，经接口传送到从设备；从设备接口主设备的申请后，通过接口向主设备发出"回答"信号，整个"握手"过程在一问一答中进行。
