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3. The structure of the system bus
4. The performance indicators of the bus
2. Distributed arbitration method
Three: bus operation and timing
2. Synchronous timing method (synchronous communication)
3. Asynchronous timing method (asynchronous communication)
4. Semi-synchronous communication (supplement)
5. Separate communication (supplement)
One: bus overview
1. The basic concept of bus
1.总线的定义
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
分时:同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息
共享︰总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息可以通过这组线路分时共享
2.总线设备
主设备∶总线的主设备是指获得总线控制权的设备
从设备︰总线的从设备是指被主设备访问的设备，只能相应从主设备发来的各种总线命令
3.总线特性
机械特性:尺寸形状
电气特性:传输方向和有效的电平范围
功能特性:每根传输线的功能
时间特性∶信号和时序的关系
4.总线的猝发传输
一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字的总线传输方式，称为猝发传输2. Classification of buses
1.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之间的公共连接线
2.外部总线：计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间传送信息的总线，也被称为外部总线
3.根据时序控制方式分类：同步总线、异步总线
4.数据传输格式分类：并行总线、串行总线
4.1 串行总线
优点:只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输;应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
缺点:在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题。
4.2 并行总线
优点:总线的逻辑时序比较简单电路实现起来比较容易。
缺点:信号线数量多，占用更多的布线空间;远距离传输成本高昂;由于工作频率较高时，
并行的信号线之间会产生严重干扰,对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作效率
5.按总线功能(连接的部件)：片内总线、系统总线、通信总线
5.1 片内总线
片内总线是芯片内部的总线。
它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。
5.2 系统总线
系统总线是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/o接口）之间相互连接的总线。
按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类:数据总线、地址总线和控制总线
5.2.1 数据总线DB
传输各功能部件之间的数据信息
双向传输总线
位数与机器字长、存储字长有关
5.2.2 地址总线AB
数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址
单向传输总线
地址总线的位数与主存地址空间的大小有关
5.2.3 控制总线CB：传输控制信息CPU送出的控制命令和主存返回CPU的反馈信号
5.3 通信总线
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（如远程通信设备、测试设备)之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。3. The structure of the system bus
1.单总线结构：系统总线
将CPU、主存、I/O设备都挂载到一组总线上
优点:结构简单成本低容易接入新设备
缺点:带宽低负载重多个部件只能争用唯一的总线，并且不支持并发传送操作
2.双总线结构：主存总线、I/O总线
一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间传送数据，另一条是I/O总线用于在多个外部设备和通道之间传送数据
优点︰将低速I/O设备从单总线上分离出来，实现了存储总线和I/O总线分离
缺点:需要增加通道等硬件设备
3.三总线结构：主存总线、I/O总线、DMA总线
计算机系统各部件之间采用三条独立总线来构成信息通路（主存总线I/O总线直接内存访问( DMA)总线
优点:提高了I/O设备的性能，使其更快的响应命令，提高系统的吞吐量
缺点∶系统工作效率较低
4.四总线结构(补)
桥接器:用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能。
靠近CPU的总线速度较快4. The performance indicators of the bus
总线的传输周期︰一次总线操作所需要的时间（申请阶段，寻址阶段，传输阶段和结束阶段），总线传输周期由若干个总线时钟周期构成 总线时钟周期：即机器的时钟周期 总线的工作频率︰总线周期的倒数 总线的时钟频率:时钟周期的倒数 总线宽度∶单位时间内总线可以传输的数据位数 总线复用：一种信号线在不同时间传输不同的信息，节约了空间和成本 信号线数︰地址总线、数据总线、控制总线，三种总线数的总和称为信号线数 总线带宽：总线本身的最大传输率，是衡量性能的重要指标
Two: bus arbitration
How to solve the problem of multiple devices contending for the bus?
1. Centralized arbitration
1.链式查询方式 一根总线请求线一根总线忙线一根总线允许线 越靠近总线控制器的部件优先级越高 优点∶优先级固定结构简单扩充容易 缺点∶对于电路故障敏感优先级不可变 2.计数器定时查询方式 使用计数器控制总线使用权 优点︰设备优先级相等优先次序可以改变 缺点:增加了控制线数控制较为复杂 3.独立请求方式 每个设备均有请求线与总线允许线 优点;响应速度快优先次序控制灵活 缺点∶控制线数多总线控制逻辑更复杂
2. Distributed arbitration method
不需要中央仲裁器，每个潜在主模块，都有自己的仲裁号和仲裁器，然后进行仲裁号比较，获胜者仲裁号保留在仲裁总线上
Three: bus operation and timing
1. 4 stages of bus transfer
1.申请分配阶段:设备提出申请
2.寻址阶段︰获得使用权的主设备，发出要访问模块的地址以及相关命令，启动本次传输的从模块
3.传输阶段:主模块与从模块，进行双向或者单向数据传送
4.结束阶段:主模块有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权
2. Synchronous timing method (synchronous communication)
1.适用于总线长度较短以及总线所接部件的存取时间比较接近的系统
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
2.优点:传送速度快拥有较高的传输速率总线控制逻辑简单
3.缺点︰主从设备属于强制性同步不能及时进行数据通信的有效性检验可靠性较差
4.根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，分为以下3种类型:不互锁方式、半互锁方式、全互锁方式3. Asynchronous timing method (asynchronous communication)
1.没有统一的时钟，完全按照传送双方相互制约的握手信号实现定时控制
2.优点︰总线周期长度可变可以保证两个速度相差较大部件或设备的信息传输
3.缺点:控制相对复杂并且速度相对较慢
4.分类
4.1 不互锁方式︰主设备发送请求信号，不必等待从设备信号回答，一段时间便撤销请求信号
4.2 半互锁方式:主设备发送请求信号，必须接到从设备应答信号才能撤销请求信号。
4.3 全互锁方式∶主设备发送请求信号，从设备应答，主设备撤销请求信号，从设备知晓主设备获得应答信号后撤销应答信号――套娃
4. Semi-synchronous communication (supplement)
Synchronous and asynchronous combination
1.同步:发送方用系统时钟前沿发信号;接收方用系统时钟后沿判断、识别
2.异步:允许不同速度的模块和谐工作
3.半同步通信:统一时钟的基础上，增加一个“等待”响应信号WAIT上划线
5. Separate communication (supplement)
Fully tap the potential of every moment of the system bus
1.上述三种通信的共同点
一个总线传输周期（以输入数据为例)
1.1 主模块发地址、命令 使用总线
1.2 从模块准备数据 不使用总线 总线空闲
1.3 从模块向主模块发数据 使用总线
2.分离式通信的一个总线传输周期
2.1 子周期1：主模块申请占用总线，使用完后放弃总线的使用权
2.2 子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上
2.3 特点:
各模块均有权申请占用总线
采用同步方式通信，不等对方回答3.各模块准备数据时，不占用总线4.总线利用率提高
Four: bus standard
1.系统总线
ISA(并行总线，1984提出)
EISA(并行总线，1988年提出，在ISA基础上增加位宽)
FBS、QPI（串行总线，Intel提出的两种系统总线，用于连接CPU与北桥芯片，QPI又称为multi-FSB)
2.局部总线
VESA(并行总线，1991年提出，用于传输图像)
PCI(并行总线，1992年提出，速度和VESA差不多，但是总线工作频率可以独立于CPU主频,用于连接显卡、声卡、网卡等，支持即插即用)
APG(并行总线，1996年提出，从PCI2.1基础上扩展而来，用于连接显存与主存)
PCI-E(串行总线，2001年提出，工作频率很高，支持全双工通信)
3.设备/通信总线
3.1 连接各种外设
RS-232C(串行总线，1970年提出，用于极慢速的电传打印机)
SCSI(并行总线，1986年提出，用于连接硬盘、打印机、扫描仪等)
用于计算机和智能设备之间系统级接口的独立处理器标准，是一种智能的通用接口标准
PCMCIA (并行总线，1991年提出，用于连接外部存储卡，目的是增强个人电脑的信息互换)
用于扩展功能的小型插槽即插即用
USB（串行总线，1996年提出，采用差模信号，每次传递1bit，工作频率可以很高)
3.2 连接硬盘
IDE(并行总线，1986年提出，又称ATA总线,paralle ATA，主夔用于连接硬盘渍光驱等)
集成设备电路，又称ATA，是一种IDE接口磁盘驱动器接口类型
SATA(串行总线，2001年提出，Serial ATA，主要角于莲接硬盘、光驱等)
是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口