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计算机组成原理之系统总线

October 1, 2019 • 计算机组成原理

总线的基本概念

一、 什么是总线

  总线是链接各个部件的信息传输线,是 各个部件共享的传输介质,在任何时候,每条总线只能给任意某一个部件使用。

二、总线信息传送方式

  总线信息传送分为并行串行两种。

三、 总线结构的计算机举例

1. 单总线结构框图

  存在的问题:

  1. 总线的征用
  2. 信息传输的时间延迟
  3. CPU执行程序的过程被频繁中止

2. 面向CPU的双总线结构(以CPU为核心)

  存在的问题:

  1. 当主存与IO设备通信时必须经过CPU,仍会打断CPU运行。

3. 以存储器为核心的双总线结构

   但是就目前技术而言,系统总线和储存总线也不能同时工作。

总线的分类

  1. 片内总线:芯片内部的总线
  2. 系统总线: 计算机各部件之间的信息传输线

    1.数据总线:双向 与机器字长,存储字长相关。通常小于等于机器字长,存储字长。64位电脑中可以使用8位总线

    2.地址总线:单项 与存储地址,IO地址有关。

    3.控制总线:有出 有入
  3. 通信总线:用于计算机之间,或计算机与其他系统(如控制仪表等)的通信

总线特性及性能指标

一、总线的物理实现

二、总线特性

  1. 机械特性

  尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序

  1. 电气特性

  传输方向 和有效电平范围

  1. 功能特性

  每根传输线的功能(地址、数据、控制)

  1. 时间特性

  信号间时序关系

三、总线的性能指标

  1. 总线宽度

  数据线的根数

  1. 标准传输率

  每秒传输的最大字节数(MBps)

  1. 时钟同步

  同步、不同步

  1. 总线复用

  地址线数据线复用(共用)
  例:8086CPU,20条地址总线,有16条也作为数据线使用
目的:减少芯片管脚数->减小芯片封装体系

  1. 信号线数

  地址线、数据线、控制线数的总和。

  1. 总线控制方式

  突发、自动、仲裁、逻辑、计数

  1. 其他指标

  负载能力

四、总线标准

总线结构

  1. 双总线结构

   一般来说,通道有自己的控制器、指令系统,可以执行简单的通道程序。但是这些程序均由操作系统编写。
  1. 三总线结构之一

DMA:直接存储器访问,外部部件直接访问存储器
  1. 三总线结构之二


Cache:缓存

  1. 四总线结构

特点:实现高速设备与低速设备分离

总线结构举例

  1. 传统微型机总线结构:

  1. VL-BUS局部总线结构

特点:同样实现高速设备与低速设备分离(VL-BUS总线就是一条高速总线),通过标准总线控制器扩展出ISA/EISA总线(低速总线)
3.PCI总线结构

特点:通过PCI桥扩展出PCI总线(高速总线),通过标准总线控制器扩展出ISA/EISA总线(低速总线)
  1. 多层PCI总线结构

特点:当连接数量过多,总线驱动能力不够,于是通过PCI桥进行扩展

总线控制

就目前来说,实现总线控制,必须要实现下面两个问题:1、判优控制,2、通信过程。

一、 判优控制:

描述:当多个设备同时向总线发送占用请求时,让哪个设备使用?

  1. 基本概念:

    • 主设备(模块) 对总线有控制权
    • 从设备(模块) 相应从主设备发来的总线命令
    • 总线判优控制:
        (1)集中式(总线控制部件集中在一起)
            链式查询
            计数器定时查询
            独立请求方式
        (2)分布式
  2. 链式查询方式

  • BR(总线请求):所有的设备都通过BR发出总线占用/使用的请求。
  • BS(总线忙):当某一设备

占用总线之后,通过BS告诉总线控制部件/其他部件 总线已被占用。

    • BG(总线同意/授权):当挂接在总线上的IO设备有总线占用请求,会通过BR想总线控制部件提出请求。
    • 判优过程:当控制部件收到请求后,通过BG逐个查询。直到碰到第一个提出请求的接口。(因此接口的排列顺序就是接口占用总线优先权的顺序)
    • 缺点:对电路故障特别敏感
    • 优点:结构简单、增删设备容易、可靠性设计容易实现。
    1. 计数器链式查询

    • 总线控制部件里面存在一个计时器
    • 判优过程:当某一主设备想要占用总线,且某一从设备想要数据传输,通过BR提出占用请求,若总线控制器能够让出总线控制权的情况下,就会启动这个计数器,计数器的值通过‘设备地址(宽度为$ \lceil log_2 N \rceil $)’总线向外输出。例如此时计数器的值为0,那么就会查看0号接口有没有提出占用请求,如果没有,计数器自动加1,接着询问接口1有没有发出过占用请求。如果接口1提出占用请求,那么接口1就会相应,通过BS进行应答。
    • 优点:优先级确定灵活
    1. 独立请求方式

    • 特点,任何一个IO接口都增加了属于他们自己的BG、BR总线。优先级由总线内部设置(排队器)。
    • 缺点:总线数较多。

    二、 通信过程:

    描述:如何保证通信过程的正确性

    1. 目的: 解决通信双方协调配合问题
    2. 总线传输周期:

      • 申请分配阶段:主模块申请,总线判优决定
      • 寻址阶段:主模块想从模块给出地址和指令
      • 数据传输阶段:珠模块和从模块交换数据
      • 结束阶段:主模块撤销有关消息
    3. 总线通信的四种方式

      • 同步通信:用统一时标控制数据传送
      • 异步通信:采用应答方式,没有公共时钟标准
      • 半同步通信: 同步,异步结合
      • 分离式通信:充分挖掘系统总线每一瞬间的潜力
    4. 同步数据:

      • 特点,有一个定宽定距的时钟控制数据传输,主从模块强制同步,取速度最慢的模块
      • 发送方用系统时钟前沿发信号
      • 接收方用系统时钟后沿 判断、识别

        1. 同步数据数据输入:

    2.  同步数据数据输出:

    • 应用:总线长度较短(为什么),存取时间一致。
    1. 异步通信:

      • 特点,分为主设备(发起总线通讯)和从设备(受主设备控制),无定宽定距时钟限制,但要增加两条线:请求线(主设备发出请求)和应答线(从设备应答)

        1. 不互锁:
    主设备不管是否接收到了应答信号,一段时间之后都会撤销请求信号(从设备也一样)    
    2. 半互锁:
    半互锁有什么缺陷?
    3. 全互锁:    
    

    1. 半同步通信(同步和异步结合)


    1. 三种通信共同特点:
      在一个总线传输周期为例:

      • 主模块发地址、命令 占用总线
      • 从模块准备数据 不占用总线 总线空闲
      • 从模块向主模块发送数据 占用总线
    2. 分离式通信:

    • 特点:

      1. 各个模块都可申请占用总线
      2. 采用同步通信方式,不等回应
      3. 各模块准备数据时,不占用总线
      4. 总线无空闲
    Last Modified: October 8, 2019
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