5.4 番外：先衔接后续的 x86，之后再跳回总线

5.4 番外：先衔接后续的 x86，之后再跳回总线

异步定时方式 异步定时方式的核心是：

没有统一时钟，靠请求和回答信号来配合。

主设备说：“我要访问你。”

从设备准备好了以后说：“我准备好了。”

这就像两个人对话，不是看统一铃声，而是互相确认。

12.1 异步方式为什么适合速度差异大的设备？

因为不同设备速度可能差很多。

比如：

CPU 很快。内存中等。键盘很慢。打印机更慢。某些 I/O 设备响应时间不固定。

如果强行同步，CPU可能总是在等慢设备，或者慢设备来不及响应。

异步方式允许设备按自己的速度响应。

快设备很快回答。慢设备慢一点回答。主设备等到回答后再继续。

13. 异步方式的三种握手方式

图里讲了：非互锁半互锁全互锁

所谓“互锁”，就是双方信号之间有没有严格依赖关系。

你可以把请求和回答想象成两个人打招呼：

张三：晚安。李四：收到晚安。

问题是：张三说完晚安后，是不是必须等李四回复才撤回？李四回复后，是不是必须等张三撤回才撤回？

这就是互锁关系。

14. 非互锁方式

非互锁方式：

主设备发出请求信号后，不用等从设备回答，过一段时间自己撤销请求。从设备收到请求后，发出回答信号，也不用等主设备撤销请求，过一段时间自己撤销回答。

也就是说，双方都比较“自顾自”。

流程大概是：

主设备：请求拉高。过一段时间，主设备自动撤销请求。从设备：看到请求后回答。过一段时间，从设备自动撤销回答。

它没有严格确认。

14.1 非互锁的特点

优点：速度快。控制简单。

缺点：可靠性差。

为什么可靠性差？

因为主设备可能撤销请求太早，从设备还没看清。从设备可能回答太短，主设备还没检测到。双方缺少严格确认。

所以非互锁适合：

设备速度差不多。信号延迟可预测。对可靠性要求不特别高的场景。

15. 半互锁方式

半互锁方式：主设备发出请求后，必须等到从设备回答，才能撤销请求。但是从设备发出回答后，不一定等主设备请求撤销，它可以过一段时间自动撤销回答。

也就是说：请求的撤销依赖回答。回答的撤销不依赖请求撤销。

流程是：主设备发请求。从设备收到请求后发回答。主设备看到回答后撤销请求。从设备过一段时间撤销回答。

15.1 半互锁比非互锁可靠在哪里？

因为主设备不会随便撤销请求。

它必须确认从设备已经回答了，才撤销请求。

这样至少保证：从设备确实收到了请求。

但从设备撤销回答仍然不是完全受主设备控制，所以还不算最可靠。

16. 全互锁方式

全互锁方式最严格。

主设备发请求后，必须等从设备回答后才能撤销请求。从设备发回答后，必须等主设备请求撤销后，才能撤销回答。

双方完全互相确认。

流程是：主设备发请求。从设备看到请求，发回答。主设备看到回答，撤销请求。从设备看到请求已经撤销，再撤销回答。

这就是完整握手。

16.1 全互锁为什么最可靠？

因为每一步都被对方确认。请求不会无缘无故消失。回答也不会无缘无故消失。双方都知道对方已经看到自己的信号变化。

所以全互锁可靠性最高。但它也最慢。

因为每一步都要等对方确认，不能自己提前撤。

16.2 三种异步握手方式总结

方式  |  主设备撤销请求是否等回答  |  从设备撤销回答是否等请求撤销  |  速度  |  可靠性
非互锁  |  不等  |  不等  |  最快  |  最差
半互锁  |  等  |  不等  |  中等  |  中等
全互锁  |  等  |  等  |  最慢  |  最高

非互锁：各撤各的。半互锁：主等从，从不等主。全互锁：双方都等对方。

17. 半同步定时方式

半同步定时方式是同步和异步的结合。

它有统一时钟，所以基本操作还是按时钟节拍走。

但是它允许从设备通过一个等待信号 Wait 告诉主设备：

“我还没准备好，你先等等。”所以半同步方式的核心是：

平时按同步方式工作，遇到慢设备就插入等待周期。

17.1 为什么需要半同步？

同步方式的问题是：CPU 按固定时间取数据，可是慢设备可能还没准备好。

异步方式的问题是：完全靠握手，控制复杂，速度也慢。

半同步方式折中：大家仍然跟统一时钟走。但是慢设备可以发 Wait 信号。CPU 检测到 Wait，就暂停等待。等 Wait 消失，CPU 再继续取数据。

17.2 半同步读操作大概过程

比如 CPU 读内存：CPU 发出地址和读命令。内存开始准备数据。如果内存还没准备好，就让 Wait 信号有效。CPU看到 Wait 有效，就不急着取数据。内存准备好数据后，撤销 Wait。CPU看到 Wait 消失，就从数据总线上取数据。

所以半同步方式中，等待时间不是固定的，而是由从设备决定。

17.3 半同步的优缺点

优点：比完全异步简单。比纯同步可靠。能适应不同速度的设备。可以解决慢设备来不及响应的问题。

缺点：因为有统一时钟，所以系统时钟不能太高。遇到慢设备时会插入等待周期，整体速度会下降。

18. 分离式定时方式

分离式定时方式的思想很重要：

主设备发出请求后，如果从设备需要很久准备数据，主设备不用一直占着总线干等，而是先释放总线。等从设备准备好后，再重新申请总线传数据。

18.1 为什么需要分离式？

假设 CPU 读某个很慢的设备。

普通方式下：CPU 发请求。设备慢慢准备数据。总线一直被占着。其他设备都不能用总线。等设备准备好后，再传数据。

这样总线利用率很低。因为等待期间总线其实没在传数据，却被占着。

18.2 分离式方式怎么做？

流程大概是：

CPU 作为主设备，向从设备发出读请求。从设备应答，表示收到了。CPU 释放总线。从设备自己慢慢准备数据。这段时间总线可以给别人用。从设备准备好数据后，反过来申请总线，暂时成为主设备。从设备把数据送回 CPU。

所以分离式方式相当于把一次操作分成两个阶段：

第一段：发请求。第二段：回传数据。

中间等待阶段不占用总线。

18.3 分离式方式的优缺点

优点：提高总线利用率。等待期间总线可以处理其他事务。适合访问慢速设备或延迟较长的设备。

缺点：控制复杂。因为要记录谁请求了什么，谁还没返回数据，返回的数据对应哪个请求。从设备后面还要重新申请总线。

19. 四种总线定时方式整体比较

定时方式  |  核心思想  |  优点  |  缺点  |  适合场景
同步  |  所有操作按统一时钟  |  快，控制简单  |  适应性差，可靠性受设备速度影响  |  部件速度接近、总线短
异步  |  靠请求/回答握手  |  适合速度差异大的设备，可靠  |  控制复杂，速度较慢  |  速度差异大的设备
半同步  |  有统一时钟，也有 Wait  |  兼顾同步和异步  |  时钟不能太高，有等待周期  |  中速系统、设备速度有差异
分离式  |  等待时释放总线  |  总线利用率高  |  控制更复杂  |  慢速设备、长延迟访问

可以这样记：

同步：大家听同一个钟。异步：大家互相打招呼确认。半同步：听钟，但慢了可以喊等等。分离式：慢慢准备时先别占路，准备好再回来传。

20. 同步串行通信方式

注意，这里的“同步/异步串行通信”和前面的“同步/异步总线定时”不是完全同一个层面的概念。

前面讲的是总线内部通信的定时方式。这里讲的是串行通信中一位一位传数据时，发送方和接收方怎么保持节奏一致。

20.1 什么是串行通信？

串行通信就是一位一位传数据。

比如一个字节 10110010，不是8位同时传，而是按顺序：

1 → 0 → 1 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0

它像单车道，一次只能过一辆车。

与之相对的是并行通信：

多根线同时传多个 bit。

比如 8 根线同时传一个字节。

20.2 同步串行通信的特点

同步串行通信中，发送方和接收方使用统一的时钟。

也就是说，接收方知道什么时候采样每一位。

它不需要每个字符都加起始位和停止位。

通常是把多个字节组成一个信息帧来传。

帧的结构可能是：

同步字符Byte1Byte2...Byte nCRC结束字符

20.3 同步串行通信为什么效率高？

因为它不是每传一个字符都加起始位、停止位。

它只在一整块数据前后加同步字符和结束字符。

比如传 100 个字节：

同步串行可能只在开头加同步字符，在结尾加结束字符。异步串行每个字节都要加起始位、停止位。

所以同步串行的额外开销更少，传输效率更高。

20.4 同步串行通信的缺点

缺点是硬件复杂。

因为双方要保持严格同步，要有时钟同步机制。

所以它实现起来比异步串行复杂。

21. 异步串行通信方式

异步串行通信中，发送方和接收方各自有自己的时钟。

但是它们提前约定好速率，比如：

9600 bps115200 bps

然后每传一个字符，都用起始位和停止位来同步。

21.1 异步串行一帧是什么样？

起始位数据位校验位停止位

一般结构是：

空闲状态：高电平起始位：低电平数据位：5～8位，常见8位校验位：可有可无停止位：1位、1.5位或2位，高电平

（后续会说很多的通讯协议比如说I2C UART SPI 等等计组不涉及但是微机要学）

21.2 起始位有什么用？

起始位表示：

“一个新字符要开始传了。”

在空闲状态下，线路通常保持高电平。

当发送方要开始发数据时，会先发一个低电平起始位。

接收方一看到从高到低的跳变，就知道：

“新的一帧开始了，我要开始按约定速率采样。”

所以起始位的作用就是重新对齐接收节奏。

21.3 停止位有什么用？

停止位表示：

“这个字符传完了。”

停止位通常是高电平。

它还有一个重要作用：

让线路回到空闲高电平，为下一次起始位的下降沿做准备。

重新开始新的信息帧传输之前，停止位一直保持高电平，这样可以保证重新开始时起始位处一定有一个下降沿。

这句话很重要。因为接收方就是靠这个下降沿识别新帧开始的。

如果没有高电平空闲状态，下一次低电平起始位就不明显，接收方可能不知道新帧从哪里开始。

22. 同步串行和异步串行的区别

比较项  |  同步串行  |  异步串行
时钟  |  收发双方共享或同步时钟  |  双方各自有独立时钟
数据单位  |  一帧可包含多个字节  |  一帧通常传一个字符
同步方式  |  靠同步字符或同步时钟  |  靠起始位和停止位
效率  |  较高  |  较低
硬件  |  较复杂  |  较简单
适合  |  大块连续数据  |  低速、简单通信

简单记：

同步串行：一大块一起传，效率高，但复杂。异步串行：一个字符一个字符传，简单，但开销大。

举例：I2C 是 同步 通信，UART 是 异步 通信。

· I2C：有时钟线（SCL），所有数据位的传输都由时钟信号同步，因此是同步通信。

· UART：没有时钟线，收发双方需预先约定相同的波特率，并在每个数据包的起始位进行同步，之后靠内部时钟计数采样，因此是异步通信。

23. 不同速度设备之间为什么更适合异步方式？

不同设备的时钟可能不完全一致：

CPU 的时钟很快。I/O 设备很慢。不同设备的晶振存在误差。传输线路有延迟。温度、电压变化也会影响时钟。

如果强行同步，时间差积累后就可能导致采样错误。

所以速度差距大的设备之间，常用异步方式，因为异步方式每次都通过请求/回答或起始/停止位重新协调节奏。

24. 这部分知识的主线怎么串起来？

可以按这条主线学：

计算机里很多部件要通信，所以需要总线。总线包括地址总线、数据总线、控制总线。一次完整使用总线的过程叫总线事务。总线事务一般包括请求、仲裁、寻址、传输、释放。传数据时，如果每个数据都给地址，就是非突发传送。如果只给首地址然后连续传多个数据，就是突发传送。总线工作时要规定信号什么时候有效，这叫总线定时。总线定时有同步、异步、半同步、分离式。串行通信里又有同步串行和异步串行，重点是收发双方如何保持位同步。

25. 总结：

地址总线：去哪儿。数据总线：传什么。控制总线：怎么传。

总线事务：从申请总线到释放总线的一整套过程。

非突发：地址、数据、地址、数据。突发：首地址、数据、数据、数据。

同步定时：统一时钟，快但不够灵活。异步定时：请求/回答握手，可靠但慢。半同步：统一时钟 + Wait等待。分离式：等待时释放总线，提高利用率。

同步串行：靠统一时钟或同步字符，一帧传多个字节。异步串行：靠起始位和停止位，一个字符一个字符传。

这章最容易考计算题的是：总线宽度、时钟频率、地址/数据线复用、突发传送。你做题时一定按这个顺序想：先算周期时间，再算数据要传几次，再看要不要额外传地址，最后乘以周期时间。