计算机总线系统

1.总线的概念和结构形态

1.1 总线的基本概念

• 总线
  ○ 构成计算机系统的互联机构,是系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路。
  总线的分类：
  ① 按连接部件分
  内部总线、局部总线、系统总线、通信总线。
  ② 按传送的信息分
  数据总线、地址总线、控制总线。

• 按传送信息分类的总线：
  ● 地址总线
  单向,三态总线,用于传送地址信息，其位数决定可直接寻址的范围;
  ● 数据总线
  双向,三态总线,用于传送数据信息，其位数有8位、16位、32位、64位等。
  ● 控制总线
  传送控制、状态信息，位数不定。

• 按连接部件分类的总线
  ● 内部总线
  各芯片内部逻辑器件的连接总线
  ● 局部总线
  CPU与其他部件的连接总线，介于CPU内部总线和系统总线之间，可高速传输数据;
  ● 系统总线
  计算机各功能部件的连接总线通信总线，微机系统与微机系统、其他设备之间的连接总线；

• 总线的物理实现
  

• 1. 总线的特性
  ● 物理特性
  总线的位数，总线插头、插座的形状，引脚的排列方式等
  ● 功能特性
  确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等，如传送数据、地址、控制信号
  ● 电气特性
  规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容;
  ● 时间特性
  总线上各信号有效的时序关系;

• 2. 总线标准
  ● 总线的标准化
  为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的;
  主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。
  ● 总线标准的来源
  权威组织正式公布的标准，实际存在的工业标准
  ● 典型的标准总线
  ISA、EISA、PCI等;
  ● 按总线标准设计的接口是通用接口。

• 3. 总线的性能指标
  ● 总线宽度
  一次总线操作中,最多可传送的数据位数。
  ● 总线周期
  一次总线操作所需要的最小间隔时间，总线周期与总线的时钟频率成反比,即T=1/f。
  ● 总线带宽
  单位时间内通过总线的数据位数,总线的数据传输率，单位一般为MB/s。

例题：
(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,假设一个总线周期等于一个总线时钟周期,总线时钟频率为33MHz,则总线带宽是多少?
一个总线周期T=1/f=1/(33×10⁶)
一个总线周期的传送的数据量D=4B
总线带宽Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×10⁶/s=132MB/s
(2)如果一个总线周期中并行传送64位数据,总线时钟频率升为66MHz,则总线带宽是多少?
●总线带宽Dr=D×f=8B×66×10⁶/s=528MB/s（一个字节占用8位数据）

1.2 总线的连接方式

• 适配器:又称接口
  实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制单机系统中,总线结构的三种基本类型:
  • 单总线结构
    使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和O设备
  • 双总线结构
    在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线
  • 三总线结构
    在各外部设备与通道之间增加一组O总线
  • 多总线结构
    通过桥将多总线彼此相连

总线结构	概念图	特点
单总线结构： (系统内的所有部件均由系统总线连接)		优点：各部件之间可直接进行通信;系统易于扩充； 缺点：总线负载重,若有慢速设备,则会产生较大的时间延迟。
双总线结构：(系统内的所有部件均由系统总线连接;在CPU和主存之间再专门设置了一组高速的存储总线)		优点：保持了单总线的优点(简单、易扩充)，减轻了系统总线的工作负担,使CPU工作效率有所提高；缺点：增加了硬件成本
三总线结构：(系统总线负责连接CPU、主存、I/O通道;存储总线负责连接CPU与主存;I/O总线负责连接各I/O适配器)		优点：设置了通道,对外设进行统一的管理,分担了CPU的工作，提高了CPU工作效率,同时也最大限度的提高外设的工作速度。缺点：硬件成本进一步增加
三总线结构的又一形式
多总线结构

1.3 总线的内部结构

• 早期总线内部结构：实际是CPU芯片引脚的延伸
  早期总线的不足：CPU是总线上惟一的主控者，总线结构与CPU紧密相关,通用性较差。
  
• 现代总线
  多采用标准总线：与结构、CPU、技术无关;又被称为底板总线。现代总线可分为四个部分:

  • 数据传送总线
    地址线、数据线、控制线;

  • 仲裁总线
    总线请求线、总线授权线;

  • 中断和同步总线
    bash中断请求线、中断认可线;

  • 公用线
    时钟信号、电源等
    

1.4 总线结构实例：

• 总线技术的发展历程：
  

• PC/XT总线

  • 早期PC/XT微机配套的8位系统总线,也称为PC总线;
    主板上包括8个PC/XT总线扩展槽；主板时钟频率为143128MHz;
    OCPU时钟为4.77MHz,最快的访存周期由4个时钟周期构成,总线带宽约为1MB/s;
  • PC/XT总线扩展槽包括62个管脚;
    OCPU引脚经过8282、8286、8288、8259、8237等芯片组合而成
    右侧为A列,左侧为B列,各31个管脚,包括地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源线五类;

• ISA总线

  • 16位的总线结构,并保持了对8位总线的兼容性;
    主板上也是8个扩展槽；扩展槽既可以插入16位板卡,也可以插入8位板卡；总线时钟与CPU时钟均为6~ 12MHz,访存周期至少3个时钟周期,总线带宽约为4~8MB/s;

• ISA总线设计为长短插槽形式
  前62管脚的长插槽，信号分布与功能含义大致与PC总线相同;
  后36管脚的短插槽，ISA总线新增,分为C、D列,各18个管脚;
  

• EISA总线

  • ESA总线是SA总线的扩展
    数据总线从16位变为32位,地址总线从24位变为32位；增加了突发式传送(Burs
    Transfer,又称猝发式传送)；支持多处理器的高性能32位标准总线；
  • ESA总线扩展槽的插脚分上、下两层，上层同A总线的兼容，下层是ESA总线新增的信号。
    

• PC总线

  • PC总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准,是基于奔腾处理器而发展的总线。
  • PC总线的主要性能：
    数据总线32位(5V)，可扩充到64位(33V)；最多支持10台外设；总线时钟频率33MHz/66MHz；支持突发式传送,最大数据传输速率528MBs；能自动识别外设,硬件插卡自动识别、配置,即插即用；独特的中间缓冲器设计方式,独立于CPU,并将CPU子系统与外设分开；支持多主设备系统；

• PCI系统结构

  • PCI总线中提出了“桥”的概念
    “桥”——连接两条总线,使总线之间互相通信;
    PCI总线是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送桥的类型。
    主桥:连接CPU和基本PCl总线,也称为“北桥”;
    南桥：标准总线桥，PCI桥
    标准总线桥:连接PCl总线和其他标准IO总线;
    PCI桥:连接两条PCI总线;

• 基于PC总线的系统结构图
  

• Pentium pc的体系结构
  

• AGP总线

  • AGP总线是一种显示卡专用的局部图形总线；严格的说,AGP不能称为总线,因为它是点对点连接，即控制芯片和AGP显示卡连接连接
  • AGP总线直接与主板的北桥芯片相连,让显示芯片与系统主内存直接相连;
    避免了窄带宽的PC总线形成的系统瓶颈,增加3D图形数据传输速度；在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。

2.总线接口

2.1 信息的传送方式

• 串行传送
  ○使用一条传输线,采用脉冲传送，有脉冲时表示数字1，没有脉冲时表示数字0。
  ○特点:成本比较低廉,信息传送速度慢;
• 并行传送
  ○每一数据位需要一条传输线,一般采用电位传送，所有的位同时被传送。
  ○系统总线的信息传送方式
• 分时传送
  ○总线传送信息的分时复用 ，某个传输线上既传送地址信息,又传送数据信息。(例如:CPU中的复用引脚)
  O共享总线部件对总线的分时复用 ，在不同的时间内由不同的部件使用总线。(例如:系统中主模块对总线的争用)
  

2.2 接口的基本概念

• 接口
  I/O设备适配器，指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。
• 接口的典型功能:
  控制、缓冲、状态、转换、中断等。
• 一个适配器必有两个接口
  一个同系统总线相连,采用并行方式，另外一个同设备相连,可能采用并行方式或是串行方式。
• CPU、接口和外围设备之间的连接关系
  

例题
利用串行方式传送字符,每秒钟传送的比特(bi位数常称为波特率假设数据传送速率是120个字符/秒,每一个字符格式规定包含10位(起始位、停止位、8个数据位),问传送的波特率是多少?每位占用的时间是多少?
解:波特率为:10位×120秒=1200波特
每个bt占用的时间Td是波特率的倒数
Td=1/1200=0.833×0.001s=0833ms

3. 总线的仲裁

• 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态;
  主方可以启动一个总线周期，从方只能响应主方请求，每次总线操作,只能有一个主方,但是可以有多个从方。
• 多个功能模块争用总线时,必须由总线仲裁部件选择一个主设备使用总线。
• 总线占用期：主方持续控制总线的时间
• 总线仲裁方式
  集中式:由中央仲裁器决定总线使用权的归属。
  分布式:多个仲裁器竞争使用总线。

3.1 集中式仲裁

• 链式查询方式
  设备的优先权与总线控制器的距离有关，优点：硬件连接简单,判优容易,设备增删容易；缺点：对电路故障敏感,优先级固定；

• 计数器定时查询方式
  设备的优先权由计数值决定,计数值为0时同链式查询方式，优点：优先权控制灵活,对电路故障不敏感；缺点：硬件成本增加,控制复杂度高;

• 独立请求方式
  设备的优先权由中央仲裁器的内部排队逻辑决定；优点：响应时间快,即确定优先响应的设备花费的时间少；对优先次序的控制也是相当灵活的；缺点：硬件复杂度高。

• 链式查询方式

连接方式	工作方式
采用菊花链的方式连接所有具有总线使用能力的部件；各设备共用一根总线请求信号线BR、总线授权信号线BG、总线忙信号线BS与中央仲裁器连接;	总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口

• 计数器定时查询方式

连接方式	工作方式
省去总线授权信号BG；增加计数器和设备地址线号线,每次相应总线申请,由计数值决定响应的顺序。	有总线请求时,发出计数值,选择设备查询请求状态,依次查询每一个设备;

• 独立请求方式

连接方式	请求方式
每个部件均有独立的请求和响应信号线,由中央仲裁器的内部排队逻辑决定响应顺序。	每个部件均有独立的请求方式

3.2 分布式仲裁

• 分布式仲裁不需要中央仲裁器,由分布在各部件中的多个仲裁器竞争使用总线。
• 每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和唯一的仲裁号,通过仲裁总线上仲裁号的比较,决定可占用总线的部件。
  • 某部件有总线请求时,将其仲裁号发送到共享仲裁总线上;
  • 每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较○如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号;
  • 最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上
• 分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

4.总线的定时和数据传送模式

4.1 总线的定时

• 总线的信息传送过程
  请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回;

• 定时
  确定事件出现在总线上的时序关系;

• 定时的分类:
  同步定时
  异步定时

• 同步定时
  系统采用统一的时钟信号,所有事件的出现时间均有该时钟信号确定;
  
  优点：各模块配合简单一致，数据传输效率较高;
  缺点：各模块的速度差异较大时,会影响系统的整体工作效率，时钟信号受到干扰时,会引起错误的同步;
  适用于总线长度较短,各功能模块速度相差不多的系统。

• 异步定时
  系统依靠应答方式或互锁机制来决定事件出现的时间。
  
  优点：总线周期长度可变
  缺点：增加了总线的复杂性和成本;
  适用于设备工作速度不一致的系统。

• 异步定时的互锁机制：
  
  4.2 总线数据传送模式

  • 读、写操作
    主设备利用系统总线,完成与从设备直接的数据传送
  • 块传送操作 猝发式传送
    只需给出块的起始地址,然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。
  • 写后读、读修改写操作
    只给出地址一次,或先写后读(校验),或先读后写(多道程序系统中对共享存储资源的保护)。
  • 广播、广集操作
    广播:总线允许一个主方对多个从方进行写操作。
    广集:与广播相反的操作,它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作。