总线的基本概念
在计算机系统中，各部件之间传输信息的通路。
按总线的位置分
内部（CPU）总线
系统总线
通信总线
按总线的功能分【系统总线】
地址总线（
Address Bus
）
数据总线（
Data Bus
）
控制总线（
Control Bus
）
总线特性
物理特性
：指总线的物理连接方式，包括总线的根数、总线的插头、插座的形状、引脚线的排列方式等等。
功能特性
：描述总线中每一根线的功能。分为地址总线、数据总线、控制总线三大类。
电器特性
：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。
时间特性
：定义了每根线在什么时间有效。
总线的标准化（总线协议）?
标准化内容
机械结构规范。对总线的模块尺寸、总线插头、总线接插件以及安装尺寸进行统一规定。
功能规范。对总线每条信号线名称、功能、逻辑关系、时序要求甚至信号线的排列次序等细节都进行明确定义。
电气规范。对总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力和抗干扰性等都作明确定义。
标准化的好处
简化系统结构
简化系统设计
提高系统的可扩展性
总线性能指标——带宽?
总线本身能够达到最大的传输速率
例1: (1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
解:设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得
?????? (1) Dr = D/T = D×1/T = D×f
????????????????? = 4B×33×1000000/s=132MB/s
? ? ? ? ? ? ?（2）Dr=D/T = D * 1/T = D * f
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=8B * 66 *1000000/s = 528MB/s
总线的连接方式
单总线结构
双总线结构
三总线结构
总线的连接方式对计算机系统的性能有着十分重要的作用
最大存储容量
指令系统
? ? ? ? ? ? ? ? ? 吞吐量?
单总线的结构
计算机系统中所有的部件都用一条总线相连。
没有输入
/
输出指令。
CPU
访问内存和
I/O
设备，区别在于地址的数值。（广播式）
某些外围设备也可以指定地址。
如果一个由外围设备指定的地址对应于一个内存单元，则内存予以响应，于是在内存和外设之间将进行内存传送（
DMA
）。
也可指定另外一个外设地址
双总线结构
 ?
双总线结构保持单总线的系统简单、易于扩充的特点，
在
CPU
和主存之间专门设置了一组高速存储总线，使
CPU
可通过专门总线与存储器交换信息，减轻了系统总线的负担。
同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现
DMA
操作，而不必经过
CPU
。
三总线结构
在双总线系统的基础上增加
I/O
总线。
三总线包括系统总线，存储总线，
I/O
总线。
由于总线专用，可以提高速度，但控制上比较复杂。
三总线结构为许多机器所采用。
总线的内部结构
 ?
早期的总线实际是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。一般由50-100根线组成。?
早期总线结构的不足之处在于：
CPU
是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的
DMA
控制器以支持
DMA
传送，但仍不能满足多
CPU
环境的要求。
总线信号是
CPU
引脚信号的延伸，故总线结构紧密与
CPU
相关，通用性较差。
当代流行的总线结构
 ?
数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成，一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布线，64位数据线的低32位常常和地址线采用多路复用方式。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。
中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。
公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。
总线的分层结构：
  ?
PCI总线图：
 ?
总线接口
一、信息的传送方式
串行传送
并行传送
复合传送
???????? ?
总线接口是CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件。?
总线接口的基本功能 ：
控制
数据缓冲
状态设置
数据转换
：
如并——串转换或串——并转换
整理
：
如在数据传输过程中更新字计数器
程序中断
外围设备接口结构
 ?
分时
和
共享
是总线最重要的两个特点。
总线的仲裁（根据总线仲裁电路所处位置的不同）分为以下两种：
集中式
?????????????????分布式?
1，集中式仲裁
集中式仲裁的总线仲裁电路集中在一处，称为中央仲裁器（也称为总线控制器）。由中央仲裁器对总线进行集中控制。这是大多数单总线结构和双总线结构的机器普遍采用的仲裁方法。主要有一下方法：
链式查询方式
查询链中离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，离中央仲裁器越远，优先级越低。
优点；只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，并且这种链式结构很容易扩充设备。
缺点：对询问链的电路故障很敏感；查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级低的设备可能长期不能使用总线。
?
计数器定时查询方式
总线上 的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号后，BS线“0”的情况下让计数器开始记数，记数值通过一组地址线发给各设备。每个设备都有一个设备判别电路，当地址线上的记数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止记数查询。
每次记数从“0”开始（优先级的顺序也是固定的），也可以从终止点开始（每个设备使用总线的优先级相等）。
计数器的初值可用程序设置，这样可以方便地改变优先次序
?
独立请求方式?
独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线
BR
x
和总线授权线
BG
x
。当设备要求是使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号
BG
x
。
独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着轮流对每个设备进行查询。其次，对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的方法，不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
?
2，分布式仲裁
不需中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，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，获胜者的仲裁好保留在仲裁总线上。
分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。
定时：解决获得总线控制权的通信双方如何配合协调的问题
?同步定时
总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共时钟信号进行同步，这种方法称为同步定时。这个公共的时钟可以由
CPU
总线控制部件发送到每一个部件（设备），也可以让每个部件有各自的时钟发生器，然而它们必须由总线控制部件发出的时钟信号进行同步。
由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的效率。
同步定时使用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。
 ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? 异步定时?：允许总线上的各部件有各自的时钟，在部件之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的时间标志信号，用“应答方式”来进行。总线的长度是可变的。?异步定时的优点是总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能连接在同一总线上，但这以增加总线的复杂性和成本为代价。
?CPU发出读命令信号和存储地址信号，经一段时间延迟，待信号稳定后，它启动主同步（MSYN）信号，这个信号引发存储器以从同步（SSYN）信号? 予以响应，并将数据放到数据线上。这个SSYN信号使CPU读数据，然后撤消MSYN信号，MSYN信号的撤消又使SSYN信号撤消，最后地址线、数据线上不再有有效信息，于是读数据总线周期结束
总线的数据传输方式：
读、写操作：
读操作:是由从方到主方的数据传送；
写操作是由主方到从方的数据传送。
块传送操作：（猝发式传送）其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长）的4倍
写后读、读修改写操作：只给出地址一次，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享资源的保护。
广播、广集操作：一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方和多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR 操作，用以检测多个中断源。
 ?
典型的总线结构
ISA(Industry Standard Architecture)总线
■I/O地址空间0100H-03FFH
■24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB
■8/16位数据线
■62+36引脚
■最大位宽16位(bit)
■最高时钟频率8MHz
■最大稳态传输率16MB/s
■中断功能
■DMA通道功能
■开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源
PCI(Peripheral Component Interconnect)总线
PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。
1．PCI总线的特点
PCI总线的特点归纳如下：
■数据总线32位，可扩充到64位。
■地址总线32位，数据总线和地址总线是一组线，分时复用。
■使用同步定时协议，总线时钟频率33MHz或66MHz，采用方波信号。总线所有信号均出现在时钟信号的下降沿。
■可进行猝发式数据传输。
■总线操作与处理器-存储器子系统操作并行。
■采用集中式总线仲裁方式(独立请求)
■全自动配置、资源分配、PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用（P&P）。
■PCI总线规范独立于微处理器，通用性好。
■PCI设备可以完全作为主控设备控制总线。
■PCI总线引线为高密度接插件，分基本插座（32位）及扩充插座（64位）。
第一代：
? ? ? ? 第二代：?
 ?
AGP(Accelerated Graphics Port )总线
AGP
（
Accelerated Graphics Port
）即加速图形端口。它是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。是
Intel
公司
96
年开发的新一代总线标准，它是建立在
PCI
的基础上的，专门针对
3D
图形处理而开发的高效能总线。
????????AGP总线直接与主板的北桥芯片相连，且通过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连，避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈，增加3D图形数据传输速度，同时在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。所以它拥有很高的传输速率
AGP1x: 32
位
, 66MHZ,
工作电压
3.3V.
上沿传输数据
, 266MB/s
。
AGP2x:
上升和下降沿传输数据
,533MB/s
。
AGP4x
：
32
位
,
透过四泵增至
266MHz
，工作电压
1.5V.
传输速率为
1066MB/s
AGP8x
：
32
位
,
透过八泵增至
533MHz
，工作电压
0.8V.
传输速率为
2133MB/s
PCI Express
原来的名称为“3GIO”，是由英特尔在2001年提出的，旨在替代旧的PCI，PCI-X和AGP总线标准。
USB
1994
年，由
PC
界的几位
“
巨人
”
——
康柏、
IBM
、
Intel
和
Microsoft
共同推出的，旨在统一外设接口，以便于安装使用。
1996
年推出了
USB1.0
，直到
1998
年，推出
USB1.1
标准，使
USB
技术更加成熟可靠；接着
Win98
发布，宣布正式对
USB
接口提供支持，
USB
才真正发展起来 。
IEEE1394(FireWire)
IEEE1394
，是苹果公司开发的串行标准，中文译名为火线接口
（
firewire
）
使用
Dslink
编码技术
P1394b
标准，速度提升到
800Mbps
甚至
1.6Gbps
可以不以
PC
为中心联接系统：如要将扫描的照片输出到打印机，只需打开扫描仪与打印机就能实现。
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