6.1 总线概述
总线设备
- 主设备：有控制权限
- 从设备：无控制权限
总线分类
- 片内总线：CPU内部的寄存器、ALU等部件的公共连线
- 系统总线：CPU、主存、I/O接口的连线
- 可进一步细分为数据总线、地址总线、控制总线
- 通信总线：外部总线
系统总线的结构
- 单总线结构
- 双总线结构
- CPU 主存用一个
- I/O 接口用另一个 方便多个 I/O 接口间传输数据
- 三总线结构
- CPU 主存用一个
- 主存至各 I/O 通过 DMA 控制，用一个
- 各 I/O 与CPU 用一个
总线的性能指标
- 总线传输周期：一次完整的总线操作所需要的时间（申请、寻址、传输、结束）
- 总线时钟周期：机器的时钟周期
- 总线时钟频率
- 总线周期：传送一次数据的周期，可以是N个时钟周期
- 总线的工作频率：总线周期的倒数
- 总线宽度
- 总线带宽：总线工作频率*总线宽度/8
- 总线复用：一种信号线在不同时候传输不同的信息
- 信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的线数总和
6.2 总线仲裁
集中仲裁方式
- 链式查询方式
- 各部件通过 BR 发送申请，总线控制器链式地发送允许信号 BG 。如果接受到 BG 的部件暂不需要总线，则将 BG 信号传递给下一个部件，如果需要则部件可以开始使用总线，并部件需要将 BS 置高，表示繁忙。
- 优点：结构简单，控制线少，容易扩展
- 缺点：优先级差异明显，且对电路故障敏感
- 计数器定时查询方式
- 各部件通过 BR 发送申请，总线控制器根据部件编号循环计数，部件如果发现计数为自己，则可以开始使用总线，且在使用时将 BS 置高电平，表示繁忙。
- 优点：技术方式可修改，比较灵活
- 缺点：对 $n$ 个部件，需要至少 $\lceil log_2 n \rceil + 2$ 根控制线，其中 $\lceil log_2 n \rceil$ 用于计数，另外一根 BS，一根 BR
- 独立请求方式
- 各部件单独一根请求线 $BR_i$ 和一根允许线 $BG_i$，和共用的一根繁忙线 $BS$
- 优点：相应快、优先次序灵活
- 缺点：需要 $2n+1$ 条控制线，控制逻辑比较复杂
分布仲裁方式
- 当各部件有请求时，将各自的仲裁号发在共享的仲裁总线上，每个部件对比自己的仲裁号和仲裁总线上的仲裁号，若自己的仲裁号优先级低，则撤销，最后仅留下最高的仲裁号在总线上。
6.3 总线操作和定时
总线传输的4个阶段
- 申请分配阶段
- 寻址阶段：获得总线使用权的主模块通过总线发出本次想要访问的模块的地址
- 传输阶段：主模块与从模块进行数据交换
- 结束阶段：撤销总线上相关信息
同步定时方式
- 系统采取统一的时钟来协调发送和接受
- 优点：传输速度快，控制逻辑简单
- 缺点：被强制性同步，不能及时进行有效性检验，可靠性较差
异步定时方式
- 通过握手信号来实现定时控制
- 方式
- 不互锁方式
- 半互锁方式
- 全互锁方式
- 优点：灵活，能照顾速度差异较大的两个部件
- 缺点：比同步控制复杂，且速度较同步控制慢
6.4 总线标准
常见总线标准
- ISA (Industry Standard Architecture)
- EISA (Extended Industry Standard Architecture):扩展 ISA
- VESA(Video Electronics Standards Association):针对多媒体
- PCI(Peripheral Component Interconnect):外部设备互联，适配显卡、声卡、网卡等
- PCI-Express(PCI-E):最新标准，将取代现行 PCI 和 AGP
- RS-232C(Recommended Standard,RS):一种串行通信总线
- USB(Universal Serial Bus):通用串行总线，用于连接外部设备，有即插即用、支持热插拔等优点
- PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association):笔记本电脑广泛应用的一种接口
- IDE(Integrated Drive Electronics):集成设备电路，或称 ATA，磁盘和光驱通过此接口和主板连接
- SCSI(Small Computer System Interface):小型计算机系统接口，用于计算机和智能设备如硬盘、软驱、光驱、打印机之间
- SATA(Serial Advanced Technology Attachment):串行高级技术附件，一种硬盘接口规范
串行与并行
- 串行：每次发送 1 位数据
- 并行：每次发送多位数据