总线标准与层次结构

计算机部件要具有通用性，适应不同系统与不同用户的需求，设计必须模块化。计算机部件产品(模块)供应出现多元化。模块之间的联接关系要标准化，使模块具有通用性。模块设计必须基于一种大多数厂商认可的模块联接关系，即一种总线标准。

总线的标准
总线是一类信号线的集合是模块间传输信息的公共通道，通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。
为使不同供应商的产品间能够互换，给用户更多的选择，总线的技术规范要标准化。
总线的标准制定要经周密考虑，要有严格的规定。
总线标准（技术规范）包括以下几部分：
机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件以及按装尺寸均有统一规定。
功能规范：总线每条信号线（引脚的名称）、功能以及工作过程要有统一规定。
电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。

总线的发展情况
S-100总线：产生于1975年，第一个标准化总线，为微计算机技术发展起到了推动作用。
IBM-PC个人计算机采用总线结构（Industry Standard Architecture, ISA)并成为工业化的标准。先后出现8位ISA总线、16位ISA总线以及后来兼容厂商推出的EISA（Extended ISA)32位ISA总线。
为了适应微处理器性能的提高及I/O模块更高吞吐率的要求，出现了VL-Bus(VESA Local Bus)和PCI(Peripheral Component Interconnect,PCI）总线。
适合小型化要求的PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)总线，用于笔记本计算机的功能扩展。

总线的指标
计算机主机性能迅速提高,各功能模块性能也要相应提高,这对总线性能提出更高的要求。总线主要技术指标有几方面：
总线宽度：一次操作可以传输的数据位数，如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。
总数工作频率：总线信号中有一个CLK时钟，CLK越高每秒钟传输的数据量越大。ISA、EISA为8MHz，PCI为33.3MHz, PCI-2可达达66.6MHz。
单个数据传输周期：不同的传输方式，每个数据传输所用CLK周期数不同。ISA要2个，PCI用1个CLK周期。这决定总线最高数据传输率。

总线的分类与层次
系统总线：是微处理器芯片对外引线信号的延伸或映射，是微处理器与片外存储器及I/0接口传输信息的通路。系统总线信号按功能可分为三类：
地址总线（Where）：指出数据的来源与去向。地址总线的位数决定了存储空间的大小。
系统总线：
数据总线（What）提供模块间传输数据的路径，数据总线的位数决定微处理器结构的复杂度及总体性能。
控制总线（When）：提供系统操作所必需的控制信号，对操作过程进行控制与定时。
扩充总线：亦称设备总线，用于系统I/O扩充。与系统总线工作频率不同，经接口电路对系统总统信号缓冲、变换、隔离，进行不同层次的操作（ISA、EISA、MCA)
局部总线：扩充总线不能满足高性能设备（图形、视频、网络）接口的要求，在系统总线与扩充总线之间插入一层总线。由于它经桥接器与系统总线直接相连，因此称之为局部总线（PCI）。

总线层次结构

总线操作

总线一个操作过程是完成两个模块之间传送信息，启动操作过程的是主模块，另外一个是从模块。某一时刻总线上只能有一个主模块占用总线。
总线的操作步骤：
主模块申请总线控制权，总线控制器进行裁决。

总线的操作步骤：
主模块得到总线控制权后寻址从模块，从模块确认后进行数据传送。
数据传送的错误检查。
总线定时协议：定时协议可保证数据传输的双方操作同步，传输正确。定时协议有三种类型：

同步总线定时：总线上的所有模块共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制。各模块的所有动作的产生均在时钟周期的开始，多数动作在一个时钟周期中完成。
异步总线定时：操作的发生由源或目的模块的特定信号来确定。总线上一个事件发生取决前一事件的发生，双方相互提供联络信号。
总线定时协议
半同步总线定时：总线上各操作的时间间隔可以不同，但必须是时钟周期的整数倍，信号的出现,采样与结束仍以公共时钟为基准。ISA总线采用此定时方法。
数据传输类型：分单周方式和突发(burst)方式。
单周期方式：一个总线周期只传送一个数据。
数据传输类型：
突发方式：取得主线控制权后进行多个数据的传输。寻址时给出目的地首地址，访问第一个数据，数据2、3到数据n的地址在首地址基础上按一定规则自动寻址（如自动加1）。

总线仲裁
基本概念
总线上可以连接多个主模块，它们均可占用总线传送数据。当出现多个主模块申请占用总线时，要进行仲裁，将总线控制权交给一个主模块。总线仲裁的主要方法有分布式仲裁与集中式仲裁两种方法。
菊花链式分布串行总线仲裁：每个主模块包含有总线控制逻辑，多个主模块分享总线。
所有主模块总线请求“线或”在一起，CPU响应信号级联传播，占用总线的模块发出忙信号。此方法优先级排定，灵活性差。
集中式并行总线仲裁
有一个集中的总线仲裁逻辑，各主模块的请求及响应信号独立。仲裁逻辑进行优先级判断，可有不同的仲裁策略。