總線與數(shù)據(jù)傳輸率

總線與數(shù)據(jù)傳輸率第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

總線（BUS）是指計算機(jī)組件間規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)（data）的方式，即以一種通用的方式為各組件提供數(shù)據(jù)傳送和控制邏輯。

從專業(yè)上來說，總線是一種描述電子信號傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式，是一類信號線的集合，是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道總線

從另一個角度來看，如果說主板（MotherBoard）是一座城市，那么總線就像是城市里的公共汽車（bus），能按照固定行車路線，傳輸來回不停運(yùn)作的位（bit）。第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三總線必須在以下幾方面做出規(guī)定：(1)物理特性：物理特性指的是總線物理連接的方式。包括總線的根數(shù)、總線的插頭、插座是什么形狀的、引腳是如何排列的等。例如，IBMPC／XT的總線共62根線，分兩列編號。(2)功能特性：功能特性描寫的是這一組總線中，每一根線的功能是什么。從功能上劃分，總線分為三組(即三總線)：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三(3)電氣特性：電氣特性定義每一根線上信號的傳送方向、有效電平范圍。一般規(guī)定送入CPU的信號稱作輸入信號(IN)，從CPU送出的信號稱作輸出信號(OUT)。(4)時間特性：時間特性定義了每根線在什么時間有效，也就是每根線的時序。第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三總線分類的方式有很多，如被分為外部和內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和非系統(tǒng)總線等等按功能分（最常見）：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒郑捍锌偩€和并行總線按時鐘信號方式分：同步總線和異步總線總線的分類第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)據(jù)傳輸率指單位時間傳送的數(shù)字信息量的多少（傳信率)，用比特率衡量。一般用KB/s或MB/s。K是千，M是兆(百萬)，B是byte，s是秒。數(shù)字信息可以是在導(dǎo)線里傳送的電信號，也可以是光纜里傳送的光信號，當(dāng)然也可以是衛(wèi)星和地面站之間傳送的電磁信號。數(shù)字信息源不限于計算機(jī)，也可以是數(shù)字式儀器儀表,也可以是音頻，視頻等。數(shù)據(jù)傳輸率第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)據(jù)傳輸率分為外部傳輸率(ExternalTransferRate)和內(nèi)部傳輸率(InternalTransferRate)通常也稱外部傳輸率為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率(BurstdataTransferRate)或接口傳輸率第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

評價總線的主要技術(shù)指標(biāo)是總線的帶寬（即傳輸速率）、數(shù)據(jù)位的寬度（位寬）、工作頻率和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性等。評價總線的主要技術(shù)指標(biāo)第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

總線的帶寬指的是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔傳送MB的最大數(shù)據(jù)傳輸率總線可同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)就稱為寬度（width），以位為單位，總線寬度愈大，傳輸效能就愈佳?？偩€的帶寬（即單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)數(shù)）為：總線帶寬=頻率x寬度（Bytes/sec）。帶寬（傳輸速率）、位寬和工作頻率

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總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念；總線的位寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越大，總線的帶寬就越寬。

總線的工作時鐘頻率以MHz為單位，它與傳輸?shù)慕橘|(zhì)、信號的幅度大小和傳輸距離有關(guān)。在同樣硬件條件下，我們采用差分信號傳輸時的頻率常常會比單邊信號高得多，這是因?yàn)椴罘中盘柕牡姆戎挥袉芜呅盘柕囊话攵选５谑?，共十八頁，編輯?023年，星期三

可靠性是評定總線最關(guān)鍵的參數(shù)，沒有可靠性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是錯誤的信息，便就失去了總線的實(shí)際意義。

為了提高總線的可靠性，通常采用的措施有：采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送前發(fā)送器對總線進(jìn)行偵聽，只有偵聽到總線處于空閑狀態(tài)下時才可向總線傳送數(shù)據(jù)幀，這樣避免了不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沖突。采用雙絞線差分信號來傳送數(shù)據(jù)，以降低單線的電壓升降幅度，減小信號的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。適當(dāng)?shù)淖寯?shù)據(jù)的邊沿具有一定的斜坡。增加匹配電阻和電容等來減少總線上信號的發(fā)射和平衡總線上的分布電容等。采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屏蔽技術(shù)等來減少受其他信號的干擾。還有就是在軟件上通過數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)校驗(yàn)糾錯等措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。傳輸?shù)據(jù)的可靠性第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三依據(jù)前面對總線的定義可知總線的基本作用就是用來傳輸信號，為了各子系統(tǒng)的信息能有效及時的被傳送，為了不至于彼此間的信號相互干擾和避免物理空間上過于擁擠，其最好的辦法就是采用多路復(fù)用技術(shù)，也就是說總線傳輸?shù)幕驹砭褪嵌嗦窂?fù)用技術(shù)。所謂多路復(fù)用就是指多個用戶共享公用信道的一種機(jī)制，目前最常見的主要有時分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等。

PS1：總線傳輸基本原理第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三1.1時分多路復(fù)用（TDMA）時分復(fù)用是將信道按時間加以分割成多個時間段，不同來源的信號會要求在不同的時間段內(nèi)得到響應(yīng)，彼此信號的傳輸時間在時間坐標(biāo)軸上是不會重疊。1.2頻分多路復(fù)用（FDMA）頻分復(fù)用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號經(jīng)過頻率調(diào)制后的頻譜占用其中的一個頻段，以此來實(shí)現(xiàn)多路不同頻率的信號在同一信道中傳輸。而當(dāng)接收端接收到信號后將采用適當(dāng)?shù)膸V波器和頻率解調(diào)器等來恢復(fù)原來的信號。1.3碼分多路復(fù)用（CDMA）碼分多路復(fù)用是所被傳輸?shù)男盘柖紩懈髯蕴囟ǖ臉?biāo)識碼或地址碼，接收端將會根據(jù)不同的標(biāo)識碼或地址碼來區(qū)分公共信道上的傳輸信息，只有標(biāo)識碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會被接收。第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

對于總線的學(xué)習(xí)，了解其通訊協(xié)議是整個過程中最關(guān)鍵的一步，所有介紹總線技術(shù)的資料都會花很大的篇幅來描述其協(xié)議，特別是ISO/OSI的那七層定義。其實(shí)要了解一種總線的協(xié)議，最主要的就是去了解總線的幀數(shù)據(jù)每一位所代表的特性和意義，總線各節(jié)點(diǎn)間有效數(shù)據(jù)的收發(fā)都是通過各節(jié)點(diǎn)對幀數(shù)據(jù)位或段的判斷和確信來得以實(shí)現(xiàn)。PS2:總線的通信協(xié)議第十七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

圖1所示是常見的I2C總線上傳輸?shù)囊蛔止?jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，其總線形式是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的雙線制串行總線，并接在總線上的電路模塊即可作為發(fā)送器（主機(jī)）又可作為接收器（從機(jī)）。幀數(shù)據(jù)中除了控制碼（包括從機(jī)標(biāo)識碼和訪問地址碼）與數(shù)據(jù)碼外還包括起始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號[4]。起始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)?？刂拼a：用來選澤操作目標(biāo)與對象，即接通需要控制的電路，確定控制的種類對象。在讀期間，也即SCL時鐘線處于時鐘脈沖高電平時，SDA上的數(shù)據(jù)位不會跳變。數(shù)據(jù)碼：是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的具體的有用的數(shù)據(jù)（如對比度、亮度等）和信息。在讀期間，SDA上的數(shù)據(jù)位不會跳變。應(yīng)答信號：接收方收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送方發(fā)出特定的低電平。讀/寫的方向與其它數(shù)據(jù)位正好相反，也即是由從機(jī)寫出該低電平，主機(jī)來讀取該低電平。結(jié)束信號：SCL