（二）总线的通信控制

1. 概念

1.1. 主从设备

• 主设备：获得总线控制权，发起数据传输的设备；
• 从设备：被主设备寻址，被动进行数据传输的设备；
• 例：CPU 对内存访存，CPU 主设备，内存从设备；

1.2. 总线周期

• 概念：通常将完成一次总线操作的时间称为总线周期；
• 总线周期的阶段：大致分为 4 个
  • 申请分配：主设备/模块申请，总线仲裁决定/分配；
    • 总线仲裁：多个设备同时提出请求时，需要总线控制器决定哪些设备优先使用总线；
    • 是由总线分时的特性导致的；
  • 寻址：主设备向从设备给出地址和命令；
  • 传数阶段：主从设备通过总线交换数据；
  • 结束阶段：主设备释放总线控制权；

2. 总线通信方式

2.1. 同步定时

• 概念：采用一个统一的时钟信号协调发送和接收双方的传输关系；
  • 时钟信号产生的时间间隔相等；
  • 若干个将间隔构成一个总线周期；
• 各模块在不同阶段的操作都统一规定（如：给地址—给命令—传输数据—撤销请求）；
• 特点
  • 传输频率较高；
  • 当各设备存取时间差距大时，会降低设备的利用效率；
• 适用：总线长度较短、各模块存取速度接近的系统；

2.2. 异步定时

• 概念：不采用同步时钟信号，而是采用主从设备之间的握手信号来同步；

• 主设备负责发送 "请求" 信号，从设备发送 "回答" 信号；

• 异步定时的三种实现方式

  方式	主设备发送请求后	从设备发送回答后
  不互锁	不等待回答，过一段时间自动撤销请求	不等待请求撤销，过一段时间自动撤销回答
  半互锁	必须等待回答才能撤销请求	不等待请求撤销，过一段时间自动撤销回答
  全互锁	必须等待回答才能撤销请求	必须等待请求撤销才能撤销回答

• 图示

  

• 特点

  • 速度：不互锁 > 半互锁 > 全互锁；
  • 可靠性：全互锁 > 半互锁 > 不互锁

2.3. 半同步

• 概念：同步 + 异步；

  • 同步：发送和接收双方仍采用一个系统时钟来同步；
  • 异步：增加一条等待响应信号 $\overline{\mathrm{WAIT}}$，允许存取速度不同的模块通信；

• 图示

  

2.4. 分离式

• 概念：采用同步方式，但将总线使用权细分到一个总线周期为单位，而不是一个操作；
  • 主设备申请占用总线，向从设备传输命令和参数，传输完成后释放控制权；
  • 从设备在数据准备完成前不占用总线；
  • 从设备数据准备完毕后，申请占用总线，向主设备回传数据；
    • 即此时双方身份互换；
• 特点
  • 主从设备均可申请占用总线；
  • 仍采用系统时钟同步；
  • 显著提高总线利用率；

习题

• 1. 单周期处理器中，指令周期和 CPU 时钟周期相等，则下列说法错误的是
  • A. 可采用和单总线结构数据通路；
  • B. 处理器时钟频率较低；
  • C. 指令执行过程中，控制信号不变；
  • D. 每条指令 CPI 为 1；
  • 答案：A
  • 解析
    • A. 因为指令执行需要取指，同时指令的行为可能会向存储单元写回数据。单总线在一个时钟周期内不可能完成，故 A 错；
    • B. 因为指令执行需要考虑到存储器的速度，此题中指令执行频率和 CPU 相同了，故 CPU 频率只能降低到其相同水平；
    • C. 一个时钟周期内控制信号不能改变，故 C 对；
    • D. 对；
• 2. 异步串行传输系统中，每秒传输 120 帧，每帧包含 1 起始位，7 数据位，1 奇偶校验位，1 终止位，计算波特率和比特率；
  • 答案：波特率 1200bps，比特率 840bps；
  • 解析：区分波特率和比特率
    • 波特率：每秒传输的码元数量，本题中码元为 0/1，即二进制位数；
    • 比特率：每秒传输的有效数据位数；
    • 每帧包含 10 码元，7 有效数据，每秒 120 帧，故得出 1200bps 波特率，840bps 比特率；