计算机组成原理之系统总线

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和串行两种。

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
2. 电气特性
     传输方向 和有效电平范围
3. 功能特性
     每根传输线的功能（地址、数据、控制）
4. 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
2. 标准传输率
     每秒传输的最大字节数（MBps)
3. 时钟同步
     同步、不同步
4. 总线复用
     地址线与数据线复用（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
5. 信号线数
     地址线、数据线、控制线数的总和。
6. 总线控制方式
     突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 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。

   3. 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

   4. 三总线结构之二
      

   Cache：缓存

   4. 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：
   

2. 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）

4. 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。
3. 计数器链式查询
   
4. 总线控制部件里面存在一个计时器
5. 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。
6. 优点：优先级确定灵活
7. 独立请求方式
   
8. 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）。
9. 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。

5. 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：

      

6. 半同步通信（同步和异步结合）

7. 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

8. 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