总线系统
总线概念和结构形态
总线：总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现了地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。
分类
- 内部总线 CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线
- 外部总线 CPU和计算机系统中其他告诉功能部件相互连接的总线，如存储器、通道等互相连接的总线
- IO总线 中低速IO设备互相连接的总线。
总线的特性：
- 物理特性 制总线的物理连接方式，根数、插座形状
- 功能特性 总线每根线的功能
- 电气特性 每根线上信号的传递方向及有效电平范围。
- 时间特性 规定了每根总线在什么时间有效，持续时间多长。
总线标准化
目前已经出现了很多总线标准如PCI ISA
标准化的优点：
- 简化系统设计
- 简化系统结构，提高系统可靠性
- 便于系统的扩充和更新
总线带宽
每秒钟可以传输的信息量，单位是 $MB/s$
总线连接方式
适配器（接口）: 实现高速CPU与低速外设之间的所有数据传送和控制。
起到信息缓冲、联络控制、信息变换的作用。
- 单总线 使用一条单一总线 连接 CPU 内存和IO设备
- 要求总线上的逻辑部件必须高速运行，便于某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权。
- 不适用总线时可以快速放弃总线控制权，否则由于多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。
- 多总线 在CPU 主存 I/O之间互联采用多条总线
- 通过桥，CPU总线、系统总线、高速总线彼此相连
- 高速总线通过扩充总线接口和扩充总线
- 桥实际上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路
- 实现了高中低速设备连接到不同总线上同时工作，提高总线效率和吞吐量，而且处理器结构变化不影响高速总线
总线结构
总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁，整个总线分为四个部分：
- 数据传输总线 有地址线 数据线 控制线组成
- 仲裁总线 包括总线请求和总线授权线，确保多个功能部件占有总线
- 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 时钟、电源、底线等等
分层次的多总线结构
总线接口
计算机系统中传输信息基本有三种方式：
- 串行传送 速度慢
- 并行传送 电缆多 成本高 短距离传输
- 分时传送 总线复用
接口：实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。
IO接口：CPU主存和外围设备之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件
波特率：每秒传送的比特位数
总线的仲裁
总线功能模块有主动和被动两种形态。
- 集中式仲裁
- 集中式仲裁每个功能模块有两条线连接到总线控制器，一条送往总线控制器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG
- 链式查询方式 串行，当前没有向下一个
- 优点 很少几根线按优先顺序排列即可，易扩充设备
- 缺点 对电路故障敏感，优先级固定
- 计数器定时查询
- 任意设备通过BR发出使用请求
- 中央仲裁器得到信号后开始计数，并通过一组地址线发向各设备发送计数值
- 每个设备有设备地址判别电路，当计数值一致时获得使用权。
- 独立请求
- 每一个共享总线设备都有一对总线请求线BR和总线授权线BG
- 当设备使用总线时发出请求信号
- 总线仲裁器具有一个排队电路根据优先次序决定先相应哪个设备的请求，并给予授权信号BG
- 响应快，确定优先级快，不用单个查询
- 优先级灵活 可以单独屏蔽
- 当代总线普遍采用独立请求
- 分布式仲裁
- 不需要中央仲裁器，多个仲裁器竞争使用总线
- 将自己的仲裁号发送到总线上，与仲裁总线的号进行对比
- 如果仲裁总线上的号大于他，则请求不予响应，并撤销仲裁号
- 最后优先级高的保留在总线上。