总线

6.1 总线概述

6.1.1 总线基本概念

总线 是连接多个部件（如CPU、主存、I/O设备）的信息传输线，是各部件共享的传输介质。多个部件可同时向总线发送信息，但任一时刻只能有一个部件发送数据，而多个部件可同时接收数据。

总线的主要特征：

• 共享性：多个部件共用同一传输线。
• 分时性：同一时刻只允许一个部件发送信息。

总线的组成：

• 机械特性：尺寸、形状、引脚数等。
• 电气特性：信号电平、电压范围等。
• 功能特性：各引脚的功能定义。
• 时间特性：信号的时序关系。

6.1.2 总线的分类

1. 按数据传输方式

   • 并行总线：多位数据同时传输（如数据总线宽度为32位），传输速度快，但线间干扰大，不适合长距离。
   • 串行总线：数据一位一位顺序传输，线数少，抗干扰能力强，适合长距离（如USB）。

2. 按功能层次

   • 片内总线：芯片内部各寄存器和指令单元（如ALU、控制单元）之间的连线。
   • 系统总线：计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间的连接线。
     • 数据总线：传输数据信息，双向，宽度（位数）反映一次传输的数据量。
     • 地址总线：传输地址信息，单向（由CPU发出），宽度（地址总线的位数）决定可寻址空间。
     • 控制总线：传输控制信号和状态信号，每根线单向，整体双向。
   • 通信总线：用于计算机系统之间或计算机与外部设备之间的通信。

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数据通路和数据总线是不同的，要分清，数据通路指的是数据通过数据总线传输的路径。

3. 按时序控制方式
   • 同步总线：由统一的时钟信号控制，定时严格，速度快，但时钟频率受最长传输路径限制。
   • 异步总线：通过握手信号（请求、应答）协调，没有统一的时钟，适应不同速度的设备，但效率稍低。

6.1.3 系统总线的结构

1. 单总线结构（面向CPU）
   • CPU、主存、I/O设备都挂在同一组总线上。
   • 优点：结构简单，易于扩充。
   • 缺点：各部件争用总线，系统效率低；CPU与I/O、主存之间并行性差。

2. 双总线结构

   • 在CPU和主存之间设置一组高速的存储器总线，CPU与主存直接通过存储器总线通信。
   • 其他I/O设备通过I/O总线与CPU或主存交换数据，通过通道或I/O处理器连接。
   • 优点：提高了CPU访问主存的带宽，缓解了总线争用。

3. 三总线结构

   • 在双总线基础上增加扩展总线，用于连接低速外设（如ISA、EISA总线）。
   • 现代计算机通常采用多级总线结构（如北桥、南桥），将高速设备（显卡、内存）与低速设备（硬盘、USB）分离。

6.1.4 常见的总线标准

总线标准	类型	特点
ISA	系统总线	早期PC总线，16位，8MHz，已淘汰
EISA	系统总线	32位，兼容ISA，主要用于服务器
PCI	局部总线	32/64位，33/66MHz，即插即用，带宽高
PCIe	串行总线	点对点，全双工，采用差分信号，分链路（×1、×4、×16等），取代PCI
AGP	图形加速端口	专用于显卡，基于PCI改进，已淘汰
USB	通信总线	串行，热插拔，支持即插即用，版本2.0、3.0、3.1等
SATA	存储接口	串行，用于连接硬盘、光驱，高带宽
SCSI	系统总线	并行，多设备，用于服务器和存储设备
RS-232C	通信总线	串行，用于串口通信

6.1.5 总线的性能指标

最主要的性能指标是总线宽度、总线工作频率、总线带宽。

• 总线宽度：数据总线一次能并行传输的二进制位数（位宽）。指的是数据总线的根数，32根即32位。
• 总线时钟周期：总线一次传输一个数据周期的时间。
• 总线时钟频率：总线的工作时钟频率（MHz）。
• 总线带宽：单位时间内总线传输的数据量。

$$\text{带宽} = \text{总线宽度(B)} \times \text{总线频率(Hz)}$$

注意：若总线采用倍频技术，实际带宽可能更高。

• 总线传输周期：一次完整的总线操作所需时间。包括申请、寻址、传输、结束。
• 总线复用：地址线和数据线共用一组物理线路，分时传送地址和数据，可减少引脚数，但会降低带宽。
• 信号线数：地址线、数据线、控制线的总数。

6.2 总线事务和定时

6.2.1 总线事务

总线事务是指从请求总线到完成数据传输的整个过程。通常包括以下阶段：

1. 请求总线：需要控制总线的部件向总线控制器发出请求。
2. 总线仲裁：当多个部件同时请求时，由总线控制器决定将总线使用权分配给哪个部件。
   • 集中仲裁：由中央总线仲裁器统一裁决。
     • 链式查询：通过菊花链传递信号，优先级固定，电路简单，但速度慢，对电路故障敏感。
     • 计数器定时查询：用计数器产生地址，轮流查询，优先级可编程。
     • 独立请求方式：每个部件有独立请求线和允许线，并行处理，速度快，但线数多。
   • 分布仲裁：各部件自己参与仲裁，没有中央仲裁器。
3. 寻址：获得总线使用权的部件将地址、读写控制等信号放到总线上。
4. 数据传输：源部件发送数据，目标部件接收数据。
5. 结束：释放总线，撤销相关信号。

总线上的数据传送方式分为突发和非突发两种。

非突发传送每次传送都先传送地址，再传送数据。主从设备间通常只能一次传一个字长的数据。

突发传送方式能进行成组连续的传输，寻址阶段传送的是连续数据单元的首地址，传输阶段传送的是多个连续数据单元的数据。每个时钟周期可以传一个字长，但不释放总线，一组数据传送完毕再释放。

它们的核心区别在于是否连续传输数据而不重复发送地址。

对比项	非突发传送	突发传送
传输方式	每次传输一个数据单元，都需要先发送地址，再传输数据	只需发送一次首地址，随后连续传输多个数据单元
地址发送次数	每个数据单元对应一次地址传送	整组数据共享一次地址传送
总线占用	每个数据传送周期结束后可释放总线	连续占用总线直到整组数据传送完毕
适用场景	随机访问、数据不连续	连续存储的数据块（如Cache行填充、DMA传输）
带宽利用率	较低（地址开销大）	较高（地址开销分摊到多个数据）
典型应用	单字读写、I/O端口访问	主存块读取、Cache缺失处理、PCIe传输

6.2.2 总线定时

总线定时是指总线在双方交换数据过程中，时序信号的控制方式。主要有同步定时和异步定时两种。

1. 同步定时

• 采用统一的时钟信号，所有操作都在时钟边沿同步。
• 优点：时序关系简单，实现容易，传输速度快。
• 缺点：时钟频率受最慢部件限制，无法适应不同速度的设备。

同步读时序（假设时钟周期T）：

• T1：主设备将地址、读命令放到总线上。
• T2：从设备识别地址，准备数据。
• T3：从设备将数据放到数据总线，主设备在T3结束时采样数据。
• T4：撤销地址和控制信号。

2. 异步定时

• 采用握手信号（请求、应答）协调，没有统一时钟。
• 优点：适应不同速度的设备，可靠性高。
• 缺点：控制复杂，传输效率低于同步。

异步定时的三种方式：

• 不互锁：主设备发出请求后，过一段时间自动撤销；从设备发出应答后，过一段时间自动撤销。
• 半互锁：主设备收到应答后才撤销请求；从设备在请求撤销后自动撤销应答。
• 全互锁：主设备收到应答后撤销请求；从设备收到请求撤销后撤销应答；主设备收到应答撤销后完成传输。

6.3 常见问题和易混淆知识点

1. 总线的“共享”与“分时”：共享是指多个部件连接在同一总线上；分时是指同一时刻只能有一个部件发送数据，但多个部件可以同时接收。
2. 同步总线与异步总线的比较：同步总线速度快，但要求所有部件速度匹配；异步总线灵活，但控制复杂，传输效率稍低。
3. 链式查询与独立请求的区别：链式查询线数少，但优先级固定，速度慢；独立请求速度快，但线数多，电路复杂。
4. 总线带宽与总线宽度、频率的关系：带宽 = 总线宽度（字节） × 频率（Hz）。注意单位换算。
5. 总线复用：地址线和数据线共用，如PCI总线，可减少引脚数，但会降低有效带宽。