B站:计算机组成原理(哈工大)Ⅱ —— 系统总线

一、总线基础

1、总线的含义

总线是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质。
在任何时刻,只能有一个部件或者一个设备使用总线,其他设备要等待。

信息传送方式:

  • 串行(长距离)
  • 并行(传输距离比较短,多用于单板内或板间传输)

实际上,串行比并行要快得多。
1.并行传输线路成本高(如PATA接口),信号线之间的干扰大,不能用于长距离传输
2.并行传输中,如果传输频率高的话,数据线之间会产生很大的干扰
3.串行传输分为:异步传输,同步传输,等时传输

2、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

  • 数据总线:双向(与机器字长、存储字长有挂)
  • 地址总线:单向(与存储地址、I/O地址有关)
  • 控制总线:有出,有入

(3) 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

传输方式:

  • 串行通信总线
  • 并行通信总线

3. 总线特性

(1)机械特性

(2)电气特性

(3)功能特性

每根传输线的功能:

  • 地址
  • 数据
  • 控制

(4)时间特性

4. 带宽

带宽:指总线在单位时间内可以传输的数据总数,MB/s(MBps)
总线的传输速率
=总线的带宽
=(总线位宽/8位) * (总线工作频率/总线周期时钟数)

总线宽度=总线位宽=数据线的根数

二、总线结构

1. 单总线结构

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2.双总线结构

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3.三总线结构

(1)形式一

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DMA总线:Direct Memory Access,直接存储器访问

(2)形式二

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4.四总线结构

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三、总线控制

1.总线判优控制

(1) 链式查询方式

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所有的设备都通过BS(总线忙)和BR(总线请求)这两条线向总线控制部件提出BS或者BR
链式重点在:BG总线授权线
BG总线授权线一个一个向下查询,总线控制部件不知道哪个设备优先级高,只能逐个向下查询
缺点:

  • 如果一个设备排在很后面,那么它的请求可能一直等不到应答
  • 对电路故障特别敏感

优点:结构简单,主要用于微型计算机,或者简单的嵌入式系统中

(2)计数器定时查询方式

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1.接口通过BR向总线控制部件提出总线占用请求
2.总线控制部件接收到总线占用请求之后,在空闲情况下启动计数器
3.计数器通过设备地址线向外进行输出的

优点:优先级确定比较灵活,计数器设定从几开始。

(3) 独立请求方式

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总线控制部件有一个排队器,优先级排队

2.总线通信控制

(1)总线传输周期

  • 申请分配阶段:判优阶段(判断优先级阶段)
  • 寻址阶段:给出地址和命令
  • 传数阶段:交换数据
  • 结束阶段:撤销有关信息

(2) 总线通信方式

  • 同步通信

统一时标控制数据传送
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阴影表示没有工作

  • 异步通信

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  1. 不互锁:
    主设备发出通信请求,从设备收到请求进行应答,主设备撤销请求信号,从设备撤销应答信号( 不管对方有没有收到,一段时间之后都会撤销信号)—— 通信不可靠
  2. 半互锁:
    主设备发出通信请求,从设备收到请求发出应答信号,主设备收到应答信号再撤销
  3. 全互锁:
    主设备发出通信请求,从设备收到请求发出应答信号,主设备收到应答信号再撤销,从设备等到主设备撤销请求信号之后再撤销应答信号

采用应答方式,没有公共时钟标准

  • 半同步通信

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同步、异步结合
同步:i. 发送方用系统时钟前沿发信号; ii. 接受方用系统时钟后沿判断、识别
异步:i. 允许不同速度的模块和谐工作;ii.增加一条“等待”响应信号,“等待”信号变为高电平时才会开始读取,如果低电平,等待下一个周期

  • 分离式通信

充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

  1. 各模块有权申请占用总线
  2. 采用同步方式通信,不等待对方回答
  3. 各模块准备数据时,不占用总线
  4. 总线被占用时,无空闲

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