第三章系统总线

两种连接

• 分散连接：各部件之间使用单独的连线
• 总线连接：将各部件连接到一组公共信息传输线上

总线概念

• 共享：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。
• 分时：某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

总线分类

• 数据传输方式分：并行传输总线、串行传输总线
• 适用范围方式分：计算机总线、测控总线、网络通信总线
• 连接部件方式分：片内总线、系统总线、通信总线
  • 片内总线：芯片内部的总线，存在于CPU芯片内部，寄存器之间等
  • 系统总线：指CPU、主存、IO设备各大部件之间的信息传输线。由于这些部件通常都安放在主板或各个插件板上，又称板级总线、板件总线
    • 数据总线：用来传输各功能之间的数据信息，双向传输总线。数据总线位数又称数据总线宽度 与存储字长、机器字长有关
    • 地址总线：指出数据总线上的元数据或目的数据在主存单元的地址或IO设备的地址。地址总线的位数和存储单元个数有关。
    • 控制总线：用来发布各种控制信号的传输线。既可以理解为单向总线，又可以理解为双向总线
  • 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。分为串行总线(较远，成本低，速度慢)、并行总线(较近，成本高，速度快)。

总线特性

• 总线宽度：通常指数据总线根数，用bit(位)来表示
• 总线带宽：总线带宽可理解为总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位用MBps 兆字节每秒 表示。
• 总线复用：一条信号线上分时传输两种信号。
• 信号线数：地址总线+数据总线+控制总线 之和
• 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

总线标准

• 原因：解决系统、模块、设备、总线之间的不适应、不通用、不匹配情况。
• 常见的总线举例
  • ISA总线：所有的数据的传送必须通过CPU或DMA直接存储器接口来管理。
  • EISA总线：从CPU分离出总线控制权，实现多个主控器和突发方式的传输。
  • VESA总线：
  • PCI总线：
    • 高性能
    • 兼容性好
    • 支持即插即用
    • 支持多主设备能力
    • 可扩充
  • AGP总线：为了提高总线带宽和速度
  • RS-232总线：
  • USB总线：
    • 即插即用
    • 很强的连接能力
    • 串行
    • 标准统一

总线结构

• 分类：单总线结构和多总线结构

  • 单总线：将CPU 、主存、I/O设备都挂载在一组总线上

    • 优点：结构简单、成本低、易介入新设备
    • 缺点：负担大、导致传输速率慢、主存和IO之间传输速率不匹配等
      

  • 多总线：将CPU 和主存、IO设备 从单总线上分离出来，分别形成各自独立的总线结构。

    • 优点:实现相对同步，提高CPU利用率。
    • 缺点：更加复杂化。

    

    

    

    

总线控制

• 原因：总线上多个部件的信息发送接收请求进行统一管理和控制。由总线控制器统一管理，它包括判优控制(也称仲裁控制)和通信控制

• 大体结构：

  • 两个设备：主设备和从设备 根据有无对总线控制功能来区分，有为主，无为从，只能响应命令。
  • 两个方式：集中式和分布式 根据控制逻辑集是集中还是分离在各个部件来区分。
  • 三个判优：都指在集中式中的逻辑：链式查询 计数器定时查询 独立请求查询
  • 四个通信阶段(完成一次总线操作的时间)：申请分配阶段 寻址阶段 传数阶段 结束阶段
  • 四个通信：同步通信 异步通信 半同步通信 分离式通信

• 总线判优控制

  • 目的：解决总线使用权问题

  • 注意：BS总线忙 BR总线请求 BG总线同意

  • 链式查询：三根线用于总线控制(BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意)，离总线控制部件最近的 设备具有最高的优先级

    • 用3根控制线
    • 优点：线路少，优先级固定，易扩展。
    • 缺点：优先级低的设备可能难获得总线使用权，对电路故障敏感。
      

  • 计数器定时查询：多了一组设备地址线，少了一根总线同意线BG。接到BR的请求后，计数器开始计数，并通过设备地址线，向各设备发出一组地址信号。当某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时，便获得总线使用权，此时终止计数查询。

    • 公式为：

      lg N +2
      

    • 优点：设备的优先级可改变，系统故障敏感度降低。
    • 缺点：线路复杂。

  

  • 独立请求方式：每一台设备均拥有一对总线请求线BRi和总线同意线BGi。总线控制部件中有一排队电路，可根据优先次序确定响应哪一台设备的请求。
    • 需要2N条控制线
    • 优点：设备的优先级可灵活改变，响应速度快
    • 缺点： 控制线数量多，结构复杂

  

• 总线通信控制

• 原因：解决获得总线使用权后如何通信的问题。

• 同步通信：通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。

  • 优点：规定明确、统一，模块之间配合简单一致
  • 缺点：主从模块时间配合属于强制性同步，对于速度不同的部件而言，影响工作效率，缺乏灵活性
  • 使用场景：短距离，各部件存取时间一致的场合
  • 考察题目：看PPT
    

  在T1时间的上升沿（上升沿这个词其实不难理解，就是时钟向上走的部分，对应下降沿就是时钟线向下走的过程），主设备（CPU）给出读数据的目的地址
  在T2上升沿，主设备（CPU）给出读命令
  在T3上升沿，从设备给出数据信息，执行读数据操作
  T3下降沿，读命令、数据信号撤销
  T4，地址线撤销
  

• 异步通信：没有公共时钟标准，采用应答方式。

  • 应答方式：称握手方式。
  • 优点：便于实现不同传输速率部件之间的数据传送，而且对总线长度也没有严格要求，还能实现数据的有效性检验。
  • 缺点：速度一般不如同步通信方式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。
  • 传送字符格式：一个起始位(低电平)，5-8个数据位，一个奇偶校验位，1或1.5或2个终止位(高电平)。起始位紧跟传送字符的最低位。
  • 奇偶校验位：组成由校验位+信息位
    • 奇偶校验位的区别为1的个数
    • 计算方式：

    奇校验位 = B_n \bigoplus B_{n-1} \bigoplus ... \bigoplus B_1 \bigoplus 1
    
    偶校验位 = B_n \bigoplus B_{n-1} \bigoplus ... \bigoplus B_1
    
    注：  \bigoplus 为异或运算，即相同为0不同为1
    

  • 分类：不互锁、半互锁、全互锁。
  • 不互锁：主从设备是否撤除信号与是否收到无关。
  • 半互锁：主设备请求信号的撤除必须在收到应答信号后，从设备不受任何限制
  • 全互锁：主设备请求信号的撤除必须在收到应答信号后，从设备应答信号的撤除必须得到主设备撤除请求信号后。
    

• 半同步通信：同步、异步结合

  • 优点：控制方式比异步通信简单，可靠性高
  • 缺点：对系统时钟频率不能要求太高，系统工作速度不高

• 分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力 略知即可