注：所学教材为《计算机组成原理(第二版)》 唐朔飞 编著 ; 本次梳理涵盖内容为：
第三章 系统总线
3.1 总线的基本概念
3.2 总线的分类
3.3 总线特性及性能指标
3.4 总线结构
3.5 总线控制
第三章 系统总线
3.1 总线的基本概念
计算机系统的五大部件之间的互联方式有两种：
1.各部件之间使用单独的连线，称为分撒连接
2.将各部件连到一组公告信息传输线上，称为总线连接
总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。
总线实际上是由许多传输线或通路组成，每条线可以一位一位地传输二进制代码。
总线的传输方式有：1.串行 2.并行
总线的结构（详情见3.4）
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以CPU为中心的双总线结构：便于增删设备，但是会影响CPU的工作效率；如下图所示
面向CPU的双总线结构
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单总线结构：原则上不影响CPU的工作效率，必须设置总线判优逻辑；如下图所示
单总线结构
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以存储器为中心的双总线结构：增加存储总线，提高传输效率，减轻系统负担；如下图所示
以存储器为中心的双总线结构
3.2总线的分类
{ 1.片内总线：芯片内部的总线，如CPU、寄存器内部，寄存器与ALU之间的总线
{ 2.系统总线：{ ①数据总线：传输各功能部件之间的数据信息，双向，位数与机器字长、存储字长有关。
{ { ②地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据的地址，单向，位数与存储单元个数有关。
{ { ③控制总线：用来发出各种控制信号，单向(对任一控制线)\双向(对控制总线总体)。
{ 3.通信总线：{用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(控制仪表、移动通信等)之间的通信。
{ { ①串行通信：在单条1位宽的传输线上，一位一位地按顺序分时传送(适宜远距离传送)
{ { ②并行通信：在多条并行1位宽的传输线上，同时由源传送到目的地(适宜近距离传送)
3.3 总线特性及性能指标
总线特性
包括：1.机械特性 2.电气特性 3.功能特性 4.时间特性
性能指标
{ 1.总线宽度：数据总线的根数，用bit(位)表示，如16位(即16根)
{ 2.总线带宽：总线的数据传输速率，即单位时间总线上传输数据的位数，用MBps(兆字节每秒)表示；
{ 3.时钟同步\异步：数据与时间同步工作的总线为同步总线，数据与时间异步工作的总线为异步总线
{ 4.总线复用：一条信号线上分时传送两种信号
{ 5.信号线数：地址总线、数据总线、控制总线三种总线数的总和
{ 6.总线控制方式
{ 7.其他指标：负载能力、电源电压等
总线带宽的计算
总线的工作频率为33MHz，总线的宽度为32位，则总线带宽为：
32/8/(1/33) = 132MBps
总线标准
目前流行的总线标准：1.ISA总线 2.EISA总线 3.VESA总线 4.PCI总线 5.AGP总线 6.RS-232C总线 7.USB总线
3.4 总线结构
3.4.1 单总线结构：
结构简单便于扩充，但所有传送都通过这组共享总线，易形成计算机系统瓶颈
3.4.2 多总线结构
双总线结构：图中通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将部分功能放给通道，使其对I/O设备统一管理
双总线结构
三总线结构：DMA总线用于高速I/O设备与主存交换信息；局部总线将CPU与Cache连接；扩展总线将各种接口连接
三总线结构
三总线结构的另一形式
四总线结构：高速总线使高速设备与CPU更密切
四总线结构
3.5 总线控制：主要包括判优控制和通信控制
3.5.1 总线判优控制
总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备。
主设备对总线有控制权，从设备只能响应主设备发来的总线命令，对总线没有控制权。
判优控制可分为{ 1.集中式：将控制逻辑集中在一处(如CPU)：集中式分为：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式
{ 2.分布式：将控制逻辑分散在总线连接的各个部件或设备上
(1)链式查询：三根线用于总线控制(BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意)，离总线控制部件最近的 设备具有最高的优先级
链式查询
(2)计数器定时查询：多了一组设备地址线，少了一根总线同意线BG。接到BR的请求后，计数器开始计数，并通过设备地址线，向各设备发出一组地址信号。当某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时，便获得总线使用权，此时终止计数查询。
计数器定时查询
(3)独立请求方式：每一台设备均拥有一对总线请求线BRi和总线同意线BGi。总线控制部件中有一排队电路，可根据优先次序确定响应哪一台设备的请求。
独立请求方式
链式查询中仅用两根线确定总线使用权属于哪个设备，在计数器查询中大致用log2n根线，n为允许接纳的最大设备数，而独立请求方式需采用2n根线。
3.5.2 总线通信控制 （目的：解决通信双方协调、配合问题）
总线周期：完成一次总线操作的时间，分为四个阶段：
{ ①申请分配：需要使用总线的主模块提出申请，经总线总裁机构决定下一传输周期的总线使用权属于者
{ ②寻址阶段：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传数阶段：主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线流入目的模块
{ 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
总线通信控制通常有四种方式：
(1) 同步通信：通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信，必须由总线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步。
同步式数据输入传输
图中总线传输周期是连接在总线上的两个部件完成一次完整且可靠的信息传输时间，包含4个时钟周期T1、T2、T3、T4
1.对于读命令(数据输入传输)
{T1 主模块发地址
{T2 主模块发读命令
{T3 从模块提供数据
{T4 主模块撤销读命令，从模块撤销数据
同步式数据输出传输
2.对于写明了(数据输出传输)
{T1 主模块发地址
{T2 主模块提供数据
{T3 主模块发出写命令，从模块接收到命令后，必须在规定的时间内将数据总线上的数据写到地址总线所指明的单元中
{T4 主模块撤销写命令和数据等信号
同步通信一般用于总线长度较短、各部件存储时间比较一致的场合。
(2) 异步通信：请求响应模式，没有公共的时钟标准，不要求所有部件严格的统一操作时间。主从模块之间增加两条应答线，应答方式分为不互锁、半互锁和全互锁三种方式。
异步通信中请求和回答的互锁
①不互锁方式：主模块发出请求信号后，不必等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已经收到请求信号后，便撤销其请求信号；从模块接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间确认主模块已经收到回答信号后，自动撤销回答信号。
②半互锁方式：主模块发出请求信号，必须待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号，有互锁关系；而从模块在接到请求信号发出的回答信号，但不必等待获知主模块的请求信号已经撤销，而是隔一段时间自动撤销回答信号，无互锁关系。
③全互锁方式：主模块发出请求信号，必须待从模块回答后在撤销其请求信号；从模块发出回答信号，必须待获知主模块请求信号已撤销后，在撤销其回答信号。
异步通信可用于并行传送和串行传送。
①并行通信：Ready\Strobe为联络信号
②串行通信：一个字符的格式为："一个起始位(低电平)，5~8个数据位、一个奇偶校验位(作检错用)、1或1.5或2个终止 位(高电平)"。
传送时起始位后面紧跟传送字符的最低位，每个字符结束时是一个高电平的终止位。
起始位至终止位构成一帧，两帧之间的间隔可以是任一长度。
传输速率：两帧之间有空闲位(高电平)则传输速率低；两帧之间无空闲位则传输数率高(如下图所示)。
波特率：衡量异步串行通信的传送速率，指单位时间内传送二进制数据的位数，用bps表示，记作波特。
比特率：也可衡量异步串行通信的传送速率，单位时间内传送二进制有效数据的位数，用bps表示。
同步串行传送速度高于异步串行传送速度。
小于最高数据传送率
最高数据传送率
(3) 半同步通信：增设一条等待(WAIT)响应信号线，采用插入时钟等待周期的措施来协调通信双方的配合问题。
半同步通信数据输入过程
半同步通信控制方式比异步通信简单，在全系统内各模块又在统一的系统时钟内控制下同步工作，可靠性高，同步结构比较方便。
(4) 分离式通信：比较复杂，在普通微型计算机系统很少采用。
总线通信控制常见计算题
eg1：在一个32位的总线系统中，总线的时钟频率为66MHz，假设总线最短传输周期为4个时钟周期，试计算总线的最大数据传输率。
ans：总线的传输周期为(1/66)*4=2/33μs
总线的宽度为32位=4B(字节)
故数据传输率为4B/(2/33μs) = 66MBps
eg2：在异步串行传送系统中，字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。若要求每秒传送120个字符，试求传送的波特率和比特率。
ans：一个字符有1+8+1+2=12b(位)
若每秒传送120个字符，则每秒传送120*12 = 1440b(位)
故波特率为1440b/1s = 1440bps
比特率为8*120b/1s = 960bps
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