计算机组成原理—— 总线系统（十二）

不要害怕失败，因为每一次跌倒都是站起来的前奏；不要畏惧未知，因为在探索的过程中你会发现未曾预见的美好。你的每一步努力都在为未来的成功铺路，即使现在看不到成果，但请相信积累的力量。那些看似平凡的努力，终将在某一刻绽放出惊人的光芒。

记住，你是独一无二的存在，拥有着别人无法复制的独特价值。你的思想、你的创造力以及你的热情都是这个世界所需要的光亮。在这个广阔的世界里，总有属于你的一席之地，一个你可以尽情展现自我、实现梦想的舞台。

所以，请勇敢地追求你的梦想，无惧任何阻碍。让内心的火焰持续燃烧，照亮前行的道路。当你感到迷茫或疲惫时，不妨停下来回顾一下走过的路程，你会发现自己已经走了那么远，已经克服了那么多的困难。这份认知将成为你继续前进的动力。

未来是属于那些为之准备的人，而你已经在路上。每一天都是一个新的开始，每一刻都充满了无限可能。带着勇气和决心，去迎接每一个挑战，去拥抱每一个机遇。因为你值得拥有最好的一切，并且有能力将梦想变为现实。继续前行吧，你的光辉未来正在前方等待着你。

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目录

7.4 总线通信

7.4.1 同步通信

7.4.2 异步通信

7.4.3 总线数据传送模式

7.5 总线标准

总结与对比

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7.4 总线通信

总线是计算机系统中各部件（如CPU、内存、外设）之间传输数据的公共通道。总线通信的核心是协调不同设备的数据传输，确保高效和准确。以下是总线通信的关键知识点：

7.4.1 同步通信

定义：数据传输在统一的时钟信号控制下进行，所有操作由时钟边沿（上升沿或下降沿）触发。
工作原理：

• 主设备（如CPU）生成时钟信号，所有从设备（如内存）根据此时钟同步操作。

• 数据在固定时间窗口内传输，发送方和接收方必须严格遵循时钟频率。

特点与优缺点：

• 优点：时序简单、传输速度快（适用于短距离高速传输）。

• 缺点：时钟信号需严格同步；长距离传输时时钟偏移（Skew）可能导致错误。

• 应用场景：CPU与高速缓存（Cache）、内存（DDR SDRAM）之间的通信。

示例：

• PCI总线：早期PC中使用的同步总线，时钟频率33/66 MHz。

• DDR内存接口：每个时钟周期传输两次数据（双倍数据速率）。

详细解析
同步通信的核心是依赖全局时钟信号协调所有操作。以下是对比表格和案例：

特性	同步通信	异步通信
时钟依赖	必须全局同步时钟	无全局时钟，通过握手协议
传输速率	高（固定频率）	低（动态调整）
适用场景	短距离、高速（CPU-内存）	长距离、多设备（UART、USB）
复杂度	简单（时序固定）	复杂（需要握手信号）

案例：SPI总线同步通信
SPI（Serial Peripheral Interface）是典型的同步总线协议，常用于微控制器与传感器/存储器通信。

• 引脚定义：

  • SCLK：同步时钟（主设备生成）

  • MOSI：主设备输出，从设备输入

  • MISO：主设备输入，从设备输出

  • SS：从设备片选信号

• 时序图：

  
  数据在时钟上升沿或下降沿传输，由主设备控制时序。

代码示例（Arduino SPI通信）

cpp

#include <SPI.h>
void setup() {
  SPI.begin(); // 初始化SPI
  digitalWrite(SS, HIGH); // 默认不选中从设备
}
void loop() {
  digitalWrite(SS, LOW); // 选中从设备
  byte received = SPI.transfer(0x55); // 发送0x55，同时接收数据
  digitalWrite(SS, HIGH); 
  delay(1000);
}

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7.4.2 异步通信

定义：数据传输无需全局时钟，而是通过握手协议（Handshaking）或控制信号协调。
工作原理：

• 发送方和接收方通过“请求”（Request）和“应答”（Acknowledge）信号交互。

• 数据传输速率可动态调整，适应不同速度的设备。

特点与优缺点：

• 优点：适应性强（支持不同速度设备）、抗干扰能力好（适合长距离传输）。

• 缺点：额外控制信号增加复杂度；传输效率较低（需多次握手）。

• 应用场景：外设连接（如UART串口）、网络通信（如以太网）。

示例：

• UART（通用异步收发器）：通过起始位、数据位、停止位实现异步通信（如RS-232）。

• USB（低速模式）：通过握手协议协调主机与设备的数据传输。

详细解析
异步通信通过握手协议（如UART的起始/停止位）协调传输，无需全局时钟。

UART数据帧结构

字段	长度	描述
起始位	1 bit	低电平，标志传输开始
数据位	5-9 bits	实际数据（通常8位）
校验位	1 bit	奇偶校验（可选）
停止位	1-2 bits	高电平，标志传输结束

案例：UART在GPS模块中的应用
GPS模块通过UART向微控制器发送NMEA格式数据：

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47

• 波特率：9600 bps

• 帧格式：1起始位、8数据位、无校验、1停止位（8N1）。

代码示例（Python串口读取）

python

import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600, timeout=1)  # 打开串口
while True:
    data = ser.readline()  # 读取一行数据
    if data:
        print(data.decode('utf-8'))  # 打印GPS数据

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7.4.3 总线数据传送模式

总线支持多种数据传送方式，具体模式取决于应用需求：

1. 按传输方向分类：

   • 单工（Simplex）：单向传输（如广播）。

   • 半双工（Half-Duplex）：双向交替传输（如I2C总线）。

   • 全双工（Full-Duplex）：双向同时传输（如PCI Express）。

2. 按传输规模分类：

   • 单次传输：每次操作传输一个字（如CPU读取内存单个指令）。

   • 突发传输（Burst）：连续传输多个数据块（如内存读取缓存行）。

3. 按操作类型分类：

   • 读操作：主设备从从设备读取数据。

   • 写操作：主设备向从设备写入数据。

   • 原子操作：不可中断的传输（如总线锁定）。

4. 高级传输模式：

   • 流水线传输：重叠多个传输周期以提高效率（如现代内存控制器）。

   • DMA（直接内存访问）：外设直接与内存交换数据，无需CPU介入。

详细对比与案例

1. 传输方向分类

   模式	描述	案例
   单工	单向传输（仅发送/接收）	温度传感器→显示器
   半双工	双向交替传输	I2C总线（主从切换）
   全双工	双向同时传输	电话通话、PCI Express

2. 突发传输（Burst）案例
   DDR内存一次传输64字节的缓存行（Cache Line），减少寻址开销。

3. DMA传输案例
   硬盘通过DMA直接向内存写入数据，无需CPU参与：

   c

   // 伪代码：启动DMA传输
   dma_config.src_addr = HDD_BUFFER;
   dma_config.dst_addr = MEMORY_ADDR;
   dma_config.size = 4096;  // 传输4KB数据
   start_dma(&dma_config);

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7.5 总线标准

总线标准定义了机械结构、电气特性、协议规范等，确保设备兼容性。以下是常见总线标准：

1. 内部总线（系统总线）：

   • PCI（Peripheral Component Interconnect）：

     • 特点：并行总线，支持即插即用，带宽133 MB/s（32位@33 MHz）。

     • 应用：早期PC扩展卡（显卡、网卡）。

   • PCI Express（PCIe）：

     • 特点：串行点对点传输，分通道（Lane）设计，带宽可扩展（如PCIe 4.0单通道2 GB/s）。

     • 应用：现代显卡、NVMe SSD。

2. 外部总线（设备总线）：

   • USB（Universal Serial Bus）：

     • 特点：支持热插拔、树形拓扑，最新版本USB4（40 Gbps）。

     • 应用：外置存储、输入设备、手机充电。

   • SATA（Serial ATA）：

     • 特点：串行传输，支持热插拔，带宽6 Gbps（SATA III）。

     • 应用：硬盘、光驱连接。

3. 嵌入式/专用总线：

   • I2C（Inter-Integrated Circuit）：

     • 特点：两线制（SCL时钟线、SDA数据线），支持多主多从，低速（100 kHz~5 MHz）。

     • 应用：传感器、EEPROM。

   • SPI（Serial Peripheral Interface）：

     • 特点：四线制（SCK、MOSI、MISO、CS），全双工，高速（可达100 MHz）。

     • 应用：Flash存储器、显示屏驱动。

   • CAN（Controller Area Network）：

     • 特点：抗干扰强，支持多主通信，实时性高（1 Mbps）。

     • 应用：汽车电子、工业控制。

4. 历史总线：

   • ISA（Industry Standard Architecture）：

     • 特点：16位带宽，8 MHz，已被PCI取代。

   • AGP（Accelerated Graphics Port）：

     • 特点：专为显卡设计，带宽2.1 GB/s（AGP 8x）。

详细对比与案例

总线标准	类型	带宽	拓扑结构	应用场景
PCIe 4.0	内部串行总线	16 GT/s per Lane	点对点	显卡、NVMe SSD
USB 3.2	外部串行总线	20 Gbps	树形	外置硬盘、高速外设
I2C	嵌入式总线	100 kHz-5 MHz	多主多从	传感器、EEPROM
CAN	工业总线	1 Mbps	总线型	汽车电子、工业控制

案例：USB协议栈
USB数据传输分为四层：

1. 物理层：定义电气特性（如USB 2.0使用差分信号）。

2. 协议层：定义数据包格式（令牌包、数据包、握手包）。

3. 逻辑层：处理设备枚举、端点配置。

4. 应用层：驱动程序和设备交互。

代码示例（STM32配置USB CDC设备）

c

// 使用STM32CubeMX生成的USB CDC代码
int main(void) {
  HAL_Init();
  MX_USB_DEVICE_Init(); // 初始化USB
  while (1) {
    CDC_Transmit_FS((uint8_t*)"Hello World\n", 12); // 通过USB发送数据
    HAL_Delay(1000);
  }
}

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总结与对比

1. 同步 vs. 异步

   • 同步：时钟严格，速度快（如DDR内存）。

   • 异步：灵活，抗干扰（如工业现场总线）。

2. 总线标准选择

   • 高速内部连接：PCIe（点对点全双工）。

   • 低速多设备：I2C（半双工多从机）。

   • 通用外设：USB（热插拔、树形拓扑）。

3. 实际开发建议

   • 使用示波器或逻辑分析仪抓取总线信号（如SPI时钟波形）。

   • 优先选择成熟协议栈（如STM32的HAL库、Linux内核驱动）。