一、基本概念
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，各系统功能部件之间实现地址、数据、控制信息的交换。总线的使用在争用资源的基础上进行工作
1、一个单处理器系统中的总线大致分为三类：
①、内部总线：CPU内连接各寄存器及运算器部件之间的总线
②、系统总线：计算机系统中CPU和其他高速功能部件(存储器、通道)相互连接的总线
③、I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线
2、总线的特性
①、物理特性：总线的物理连接方式
根数、插头、插座形状、引脚线的排列方式
②、功能特性：描述总线中每一根线的功能
地址、数据、控制三类
③、电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围
单/双向、电平高有效/低有效及范围
④、时间特性：规定了总线上各信号有效的时序关系，每根总线在什么时间有效
3、总线的标准化
对总线的四个特性指定出一个广泛认可的标准，实现不同厂家的功能部件互换使用
例：USB、PCI-E
4、总线带宽
总线所能达到的最高传输速率
设总线在一个时钟周期内能并行传送D个字节，总线带宽为Dr，总线时钟周期为T，总线频率为f=1/T，则：
Dr=D/T=D*f
注：不是所有总线都以高速数据传输为设计目标
5、总线的连接方式
(1)、适配器
外围设备和CPU的连接部件，通常称为接口
①、完成计算机和外设之间的数据传送和控制
②、实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步
(2)、总线结构
①、单总线结构
CPU是主控设备，结构简单、容易扩充。多部件共享总线，分时工作，传输效率低，处理器结构变化对总线产生影响
②、多总线结构
高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，总线的效率和吞吐量得以提高
二、总线接口
1、计算机系统中，传输信息基本有三种方式：串行传送、并行传送、分时传送
(1)、串行传送
①、方式
通常使用一条传输线(单端传输)，或两条传输线(差分传输)，按顺序来传送一个数码(字节)的所有二进制位，每次一位，先传低位，后传高位。数据传输前要进行并-串变换(拆卸)，数据传输后要进行串-并变换(装配)
②、控制
采用同步控制
位时间：每个二进制位在传输线上占用的时间宽度
波特率：每秒传送的二进制位个数
③、特点
成本低廉，速度慢
④、串行传输数据编码格式
起始位+数据位+校验位+停止位
(2)、并行传送
对每个数据位都需要单独一条传输线，传输频率较低时，数据传送比串行快的多
发展趋势：随着总线频率的增加，并行逐渐转向串行
①、并行传送距离受限
频率越高，线间串扰越严重，带宽无法继续提高
②、串行传输距离长
无串扰现象、提高更高的带宽
(3)、分时传送
功能复用：某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息
分时复用：共享总线的部件分时使用总线，必须划分时间片
2、总线接口的基本概念
(1)、I/O接口
即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的标准化逻辑器件，其起着转换器的作用，实现彼此之间的信息传送。一个接口可连接一个设备(1对1)，也可连接多个设备(1对多)
一个适配器有两个接口：
①、和系统总线的接口
②、和外设的接口
(2)、设备控制器
外部设备有自己的设备控制器，设备控制器通过I/O接口和CPU传输信息
三、总线仲裁
总线上的功能模块有主动和被动两种形态，主方启动一个总线周期，从方响应主方请求。每次总线操作，只能有一个主方，可以有多个从方
总线仲裁部件：
为了解决多个主方争用总线的问题，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。采用优先级或公平策略。按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式和分布式
1、集中式仲裁
一个中央仲裁器
(1)、每个模块有三条线连到中央仲裁器
①、BR：送往仲裁器的总线请求信号线
②、BG：仲裁器送出的总线授权信号线
③、BS：表征总线是否空闲的信号
(2)、集中式仲裁采用的三种方式
①、链式查询方式
接口发出总线请求信号BR(BR为置1)，总线仲裁器在总线空闲的时候(BS为0)开始总线仲裁和授权，总线授权信号BG串行的从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；BG到达的接口有总线请求，BG信号便不在往下查询，该I/O接口获得了总线控制权(BS置1)
设备离总线控制器越远，优先级越低
特点：用线少、易扩充、优先级固定、对响应链的电路故障很敏感
②、计数器定时查询方式
设备通过BR发出总线请求，中央仲裁器接到请求信号后，在BS为0的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与设备地址相一致时，该设备将BS置1，获得总线使用权，此时终止计数查询
每次计数可以从0开始，设备优先级顺序固定。也可以从终止点开始，每个设备优先级相等
优点：通过设备计数器的初值可以方便改变优先次序
缺点：控制线较多、扩展性较差(与计数器位数有关)
(3)、独立请求方式
每个设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。中央仲裁器的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备授权信号
特点：响应速度快、控制灵活(优先级可以通过程序改变)、控制线多(2n)、仲裁机构较复杂
2、分布式仲裁
不需要中央仲裁器，每个功能设备都有自己的仲裁号以及仲裁器
四、总线的定时与传送
定时：事件出现在总线上的时序关系
(1)、总线信息传送过程
请求总线→总线仲裁→寻址→信息传送→状态返回
(2)、定时协议
为了同步主从双方的操作
①、同步定时
时间出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，总线信号中包含公共时钟线
同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况
②、异步定时
不需要统一的公共时钟信号，建立在应答式或互锁机制基础上，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现
总线周期的长度是可变的
五、常用总线
1、PCI总线
美国SIG推出的32-64位总线，频率为33-66MHz，数据传输率为132-528MB/s
特点
①、允许智能设备在适当的时候取的总线控制权以加速数据传输和对高度专门化任务的支持
②、支持猝发传输模式，这种模式下，PCI能在极短时间内发送大量数据，特别适合图像快速显示
③、与ISA、EISA、MCA兼容
④、设有特别的缓存，实现外设与CPU隔离，外设或CPU的单独升级都不会带来问题
⑤、同步时序、集中式仲裁
2、PCI-E总线
基于串行技术、高宽带连接点、点到点连接的新型总线技术
采用4根信号线
①、差分方式传输，全双工(2根接收、2根发送)
②、定义了用于多种连接的方式，如x1、x4、x8、x16、x32通道的连接器
③、支持热插拔和热交换
④、软件层与PCI兼容
3、USB
特点：
①、传输速度大幅度提高
②、使用简单但编程复杂
③、适合计算机中所有高、中、低速传输
物理接口：
USB 1.1/2.0：4线传输、半双工
USB 3.0：全双工
Type-C不区分正反