系统总线

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1 总线的基本概念

  总线：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。同一时刻只能有一个部件向总线发送信息，但可以有多可部件接受信息。

  总线实际由传输线组成，每条线可以一位一位的传输二进制代码（高低电平）。一串二进制数据，可以在一条线上一位一位的传输（串行传输），也可每条线传输一位（并行传输）。

2 总线分类

• 按传送方式
• 串行传输总线
• 并行传输总线
  • 8位
  • 16位
  • 32位
  • 64位
• 按使用范围
  • 计算机总线
  • 测控总线
  • 网络通信总线
• 按连接部件
  • 片内总线：芯片内部的总线。
  • 系统总线：CPU、主存、IO设备（通过IO接口）各大部件之间的总线。
    • 数据总线：传输数据。双向。
    • 地址总线：指出源数据或目标数据的内存地址或IO设备地址。单向。
    • 控制总线：传输控制信号。双向。
  • 通信总线：计算机与其它系统之间的总线。
    • 串行通信总线：数据在一根传输线上一位一位顺序分时传输。
    • 并行通信总线：数据在多条数据线上并行传输。

3 总线特性、性能、标准

3.1 总线特性

• 物理特性：物理特性又称为机械特性，指总线上部件在物理连接时表现出的一些特性，如插头与插座的几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。
• 功能特性：功能特性是指每一根信号线的功能。如地址总线用来表示地址码。数据总线用来表示传输的数据，控制总线表示总线上操作的命令、状态等。
• 电气特性：电气特性是指每一根信号线上的信号方向及表示信号有效的电平范围，通常，由主设备（如CPU）发出的信号称为输出信号（OUT），送入主设备的信号称为输入信号（IN）。通常数据信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，控制信号则没有俗成的约定，如WE表示低电平有效、Ready表示高电平有效。不同总线高电平、低电平的电平范围也无统一的规定，通常与TTL是相符的。
• 时间特性：时间特性又称为逻辑特性，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。

3.2 总线性能指标

• 总线宽度：数据总线的宽度。
• 总线带宽：单位时间内传输的数据大小。总线带宽=总线频率x总线宽度。
• 同步方式：总线上的数据与时钟同步叫同步总线；否则为异步总线。
• 总线复用：一套信号线上分时传送两种信号。
• 信号线数：地址总线+数据总线+控制总线
• 总线控制方式：突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式
• 负载能力：总线接上负载后，总线的电平是否在额定范围内。
• 电源电压：采用5V还是3.3V。
• 宽度扩展：总线宽度可否扩展

3.3 总线标准

总线标准：系统与模块、模块与模块之间互连的标准界面。按标准设计的接口为通用接口。

• ISA
• EISA
• VESA
• PCI
• AGP
• RS-232C
• USB

4 总线结构

• 面向CPU的双总线结构
  • 缺点：IO设备与主存交换数据仍占用CPU
• 单总线结构
  • 优点：IO设备与主存交换数据不占用CPU
  • 缺点：各部件在某一时刻可能冲突
• 面向存储器的双总线结构
  • 优点：IO设备与主存交换数据不占用CPU；专用的存储总线减小了单总线结构中系统总线的负载。
• 三总线结构
• 四总线结构

5 总线控制

5.1 判优控制

• 集中式：将控制逻辑集中在一起。

• 链式查询

  • 原理：IO设备通过BR（请求总线）发起请求，如果BS（忙总线）为0，总线控制器通过BG（同意总线）发出同意信号并串行的在IO接口间传输，如果同意信号到达的接口有总线请求，就停止传输，该设备获得总线使用权。
  • 特点：离总线控制器最近的设备具有最高优先级、
  • 优点：只需很少几根线，容易扩充设备。
  • 缺点：对电路故障敏感，优先级低的设备很难获得请求。

• 计数器定时查询

  • 原理：总线控制器接到BR传来的总线请求后，如果总线未被占用（BS=0），则计数器开始计数，并通过地址线发出地址信号，当设备地址与计数器相同时，则获得总线使用权。
  • 特点：
    • 计数器从0开始，优先级固定不变。
    • 计数器从上次终点开始，所有设备优先级相同。
    • 计数器由程序设置，优先级可改变。
  • 优点：对电路故障不如链式查询敏感。
  • 缺点：增加控制线，控制较复杂。

• 独立请求

  • 原理：每个设备都有BR和BG。由总线控制器中的排队电路来决定响应哪一个设备获得总线使用权。
  • 优点：响应速度快，优先级控制灵活
  • 缺点：控制线数量多，控制复杂。

• 分布式：将控制逻辑分散在与总线相连接的各设备上。

主设备：对总线有控制权
从设备：对总线没有控制权，只能响应主设备从总线发来的命令。

5.2 通信控制

总线周期：完成一次总线操作的时间。

• 申请分配阶段
• 寻址阶段
• 数据传输阶段
• 结束阶段

总线通信控制：解决通信双发如何获取传输开始和结束，以及通信双发如何协调配合。

• 同步通信：通信双方由统一时钟控制数据传输。必须在限定的时间内完成请求的操作。
  • 读写操作
    • 读操作：
      • T1主模块发地址
      • T2主模块发命令
      • T3从模块提供数据
      • T4沿主模块撤销读命令，从模块撤销数据
    • 写操作：
      • T1主模块发地址
      • T0.5主模块提供数据
      • T2主模块发写命令，从模块在规定时间内将写入数据总线的数据写入地址总线指定的设备中。
      • T4主模块撤销写命令和数据
  • 优点：规定明确统一，模块间配合简单一致
  • 缺点：强制同步，时钟必须按照最慢的设备来设计
  • 适用于：总线短，各设备存取时间比较一致的场合。
• 异步通信：通信双方没有公共的时钟标准，不要求所有部件按照严格的统一操作时间，而是采用握手方式（主设备发出请求后一直等待从模块发出响应后才开始通信）。
• 全互锁：主设备发出请求信号后，必须等待从模块回答后才撤销请求信号。从设备发出响应信号，必须获知主设备的请求信号已撤销后才撤销回答信号。
• 半互锁：主设备发出请求信号后，必须等待从模块回答后才撤销请求信号。从设备发出响应后，不必获知主设备撤销了请求信号，而是过一段时间，确认主设备收到信号后，便撤销响应信号。
• 不互锁：主设备发出请求信号后，不必等待从模块的响应信号，而是过一段时间，确认从设备收到信号后，便撤销请求信号。从设备收到请求信号后，如果条件允许则发出响应信号，过一段时间，确认从设备收到信号后，便撤销响应信号。
• 半同步通信：在同步通信中增加一条$\overline{WAIT}$线，当从设备无法在规定时间提供数据时，则向主设备给出一个$\overline{WAIT}$信号，主设备收到信号后插入一个等待周期。
  • 适用于：系统速度不高，但各设备速度差异大。
• 分离式通信：将一个总线周期分为两个子周期。原因是：从设备在准备数据或写入数据期间占用总线但没有使用总线。
  • 读写操作
    • 读操作：在第一个子周期设备A在获取总线使用权后将设备B地址、命令，设备编号发送到总线上供设备B接收，然后放弃总线使用权；在第二个子周期设备B根据收到的命令准备好数据，然后申请总线使用权，一旦获得使用权，就将设备设备A编号、设备B地址、设备A所需数据发送到总线上供设备A接收。
    • 写操作：在第一个子周期设备A在获取总线使用权后将命令、数据通过总线发送给设备B，然后放弃总线使用权；在第二个子周期设备B根据收到的命令、地址写入数据。
  • 特点：
    • 各模块获取总线使用权时都必须申请
    • 获得总线使用权后，采用同步方式传输（必须在限定时间内传输信息），不需等待对方的应答信号
    • 在准备数据或写入数据时不占用总线
    • 控制复杂
  • 适用于大型机

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