总线：构成计算机系统的互联机构，是系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路。

🍫总线的分类

1、按传送的信息分

• 数据总线：双向，三态总线，用于传送数据信息 ；一般与机器字长同位

• 地址总线：单向，三态总线，用于传送地址信息；其位数决定可直接寻址的范围

• 控制总线：传送控制、状态信息

2、按连接部件分

• 内部总线：CPU内部链接各寄存器及运算部件之间的总线
• 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线
• 通信总线(I/O总线)：中、低速I/O设备互相连接的总线

🍫总线标准化

为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的；
主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。

典型的标准总线：ISA、EISA、PCI、PCI-express；

按总线标准设计的接口是通用接口。

🍫总线的性能指标

• 总线宽度：一次总线操作中，最多可传送的数据位数。
• 总线周期：一次总线操作所需要的最小间隔时间。总线周期与总线的时钟频率成反比，即T=1/f
• 寻址能力：取决于地址总线的根数。PCI总线的地址总线为32位，寻址能力达4GB
• 负载能力：总线上能够连接的设备数。

是否支持突发传送
总线上数据传送方式：
正常传送——每个传送周期先传送数据的地址，再传送数据。
突发传送——支持成块连续数据的传送，只需给出数据块的首地址，后续数据地址自动生成。
PCI总线支持突发传送，ISA不支持。

总线带宽
也称为传输率，通常指总线所能达到的最高数据传输率，单位是Bps（每秒传送字节数）
计算公式：Dr=D×f /N
D——数据宽度； f——总线时钟频率；
N——完成一次数据传送所需的时钟周期数。
PCI总线1.0版的总线带宽132MBps

🍫总线仲裁

多个功能模块争用总线时，必须由总线仲裁部件选择一个主设备使用总线。

总线仲裁方式
集中式：由中央仲裁器决定总线使用权的归属。
分布式：多个仲裁器竞争使用总线。

集中式仲裁

• 链式查询方式：设备的优先权与总线控制器的距离有关(在查询链中离总线仲裁器最近的设备具有最高优先级)
  优点：硬件连接简单，判优容易，设备增删容易；
  缺点：对电路故障敏感，优先级固定(如果高优先级设备频繁请求，那么低优先级设备可能长期不能使用总线)；
• 计数器定时查询方式：设备的优先权由计数值决定，计数值为0时同链式查询方式；
  优点：优先权控制灵活，对电路故障不敏感；
  缺点：硬件成本增加，控制复杂度高；
• 独立请求方式：设备的优先权由中央仲裁器的内部排队逻辑决定；
  优点：响应时间快，即确定优先响应的设备花费的时间少；对优先次序的控制也是相当灵活的；
  缺点：硬件复杂度高。

分布式仲裁

分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布在各部件中的多个仲裁器竞争使用总线。
每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和唯一的仲裁号，通过仲裁总线上仲裁号的比较，决定可占用总线的部件。
某部件有总线请求时，将其仲裁号发送到共享仲裁总线上；每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较；如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号；最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

🍫总线传送方式

• 串行传送：使用一条传输线，采用脉冲传送。
  特点：成本比较低廉，信息传送速度慢；
• 并行传送：每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送；
  系统总线的信息传送方式。
• 分时传送：
  总线传送信息的分时复用：某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。(例如：CPU中的复用引脚)
  共享总线部件对总线的分时复用：在不同的时间内由不同的部件使用总线。(例如：系统中主模块对总线的争用)

🍫接口

接口：I/O设备适配器，指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。

一个适配器必有两个接口，一个同系统总线相连，采用并行方式；另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。

🍫I/O端口的地址编排方式

存储器统一编址(存储器映像编址)：

在这种编址方式中，I/O端口和内存单元统一编址，即把I/O端口当作内存单元对待，从整个内存空间中划出一个子空间给I/O端口，每一个I/O端口分配一个地址码，用访问存储器的指令对I/O端口进行操作。

存储器统一编址的优点是：
I/O端口的数目几乎不受限制；
访问内存指令均适用于I/O端口，对I/O端口的数据处理能力强；
cpu无需产生区别访问内存操作和I/O操作的控制信号，从而可减少引脚。

存储器统一编址缺点是：
程序中I/O操作不清晰，难以区分程序中的I/O操作和存储器操作；
I/O端口占用了一部分内存空间；
I/O端口地址译码电路较复杂(因为内存的地址位数较多)。

I/O独立编址：

I/O端口编址和存储器的编址相互独立，即I/O端口地址空间和存储器地址空间分开设置，互不影响。采用这种编址方式，对I/O端口的操作使用输入/输出指令(I/O指令)。

I/O独立编址的优点是：
不占用内存空间；
使用I/O指令，程序清晰，很容易看出是I/O操作还是存储器操作；
译码电路比较简单(因为I／0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。

I/O独立编址缺点是：只能用专门的I/O指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

🍫总线的定时

总线的信息传送过程：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回；

定时：确定事件出现在总线上的时序关系；

定时的分类：同步定时、异步定时

同步定时

系统采用统一的时钟信号，所有事件的出现时间均有该时钟信号确定；

优点：各模块配合简单一致;数据传输效率较高；
缺点：各模块的速度差异较大时，会影响系统的整体工作效率；时钟信号受到干扰时，会引起错误的同步；

适用于总线长度较短，各功能模块速度相差不多的系统。

异步定时

系统依靠应答方式或互锁机制来决定事件出现的时间。

优点：总线周期长度可变；
缺点：增加了总线的复杂性和成本；

适用于设备工作速度不一致的系统。

🍫习题练习

1、同步通信之所以比异步通信具有较高的传输速率是因为同步通信( C )
A、不需要应答信号
B、总线长度较短
C、用一个公共时钟信号进行同步
D、各部件存取时间比较接近

2、下列关于多总线结构的叙述中，错误的是（D）
A、靠近CPU的总线速度较快
B、存储器总线可支持突发传送方式
C、总线之间须通过桥接器相连
D、PCI- Express×16采用并行传输方式

3、常见总线标准的英文缩写：ISA、EISA、PCI、PCI-Express

4、下列关于总线设计的叙述中，错误的是（A）
A、并行总线传输比串行总线传输速度快
B、采用信号线复用技术可减少信号线数量
C、采用突发传输方式可提高总线数据传输率
D、采用分离事务通信方式可提高总线利用率

5、下列选项中，可提高同步总线数据传输率的是（B）
I. 增加总线宽度
II. 提高总线工作频率
III. 支持突发传输
IV. 采用地址/数据线复用
A、仅 I、II
B、仅 I、II、III
C、仅 III、IV
D、I、II、III 和 IV
III 突发传输一般表示的是两个设备之间进行数据传送的一种模式，也可将其称为突发模式下的数据传输。而突发（Burst）是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输的周期数就是突发长度（Burst Lengths，简称BL）。在突发传输模式下，多个数据单元当做一个单元（相当一个数据块）来传送，从而提高了传输效率。
IV 地址数据线复用并非提高而是降低，毕竟同一时间你还得传地址过去，等价的数据传输效率就低了。

6、下列关于I/O接口的叙述，错误的是（ D ）
A、状态端口和控制端口可以合用同一个寄存器
B、I/O接口中CPU可访问的寄存器称为I/O端口
C、采用独立编址方式时，I/O端口地址和主存地址可能相同
D、采用统一编址方式时，CPU不能用访存指令访问I/O端口