计算机组成原理——系统总线

目录

  • 一、总线的基本概念
    • 1.1什么是总线
    • 1.2总线上信息的传送
    • 1.3总线结构的计算机举例
  • 二、总线的分类
    • 2.1片内总线
    • 2.2系统总线
    • 2.3通信总线
  • 三、总线特性及性能指标
    • 3.1总线特性
    • 3.2总线的性能指标
    • 3.3总线标准
  • 四、总线控制
    • 4.1总线判优控制
      • 4.1.1基本概念
      • 4.1.2链式查询方式
      • 4.1.3计数器定时查询
      • 4.1.4独立请求方式
    • 4.2总线通信控制
      • 4.2.1目的
      • 4.2.2总线传输周期
      • 4.2.3总线通信的四种方式

一、总线的基本概念

1.1什么是总线

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
在任意时刻,只能有一对设备/部件使用总线

1.2总线上信息的传送

串行:一次传送一位数据。一般用于长距传输,如机器之间
并行:一次传送多位数据。多根线并列传输,线路过长时容易产生干扰导致接收方所得信号变形,因此一般用于短距传输,如机箱内部;可采用特殊措施实现长距传输

1.3总线结构的计算机举例

1、单总线结构框图
计算机组成原理——系统总线_第1张图片
缺点:主存与 I/O接口连接时,CPU会停止工作,极大地降低了工作效率
2、面向 CPU的双总线结构框图
计算机组成原理——系统总线_第2张图片
优点:CPU的指令和数据都来自主存,单独一根总线连接可提高效率
缺点:主存和 I/O设备间没有直接通路,通过 CPU中转时会导致 CPU停止工作从而降低工作效率
3、以存储器为中心的双总线结构框图
计算机组成原理——系统总线_第3张图片
缺点:两条总线无法同时进行工作

二、总线的分类

2.1片内总线

芯片内部的总线

2.2系统总线

1、数据总线:双向;与机器字长、存储字长有关,总线宽度一般小于等于机器字长或存储字长
2、地址总线:单向:与存储地址、I/O地址有关
3、控制总线:有出(CPU发出的;存储器读/写,总线允许,中断确认),有入(发给 CPU的;中断请求,总线请求)

2.3通信总线

用于计算机系统之间计算机系统与其它系统(如控制仪表,移动通信等)之间的通信
传输方式:串行通信总线,并行通信总线

三、总线特性及性能指标

3.1总线特性

1、机械特性:尺寸形状、管脚数、排列顺序
2、电气特性:传输方向、有效的电平范围
3、功能特性:每根传输线的功能:地址、数据、控制
4、时间特性:信号的时序关系(数字逻辑课程)

3.2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/异步:同步不同步
4、总线复用:地址线数据线复用(就是共用)——8086的例子 "复用的目的是减少芯片的管脚数,从而减小芯片的体积"
5、信号线数:地址线、数据线、控制线的总和
6、总线的控制方式:突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7、其他指标:负载能力(能连接几个 I/O设备)

3.3总线标准

计算机组成原理——系统总线_第4张图片

四、总线控制

4.1总线判优控制

4.1.1基本概念

1、主设备/模块:对总线有控制权
2、从设备/模块:相应从主设备发来的总线命令
有的总线只允许有一个主设备,有的允许多个
3、总线仲裁决定
分为集中式分布式,集中式下分链式查询、计数器定时查询、独立请求方式

4.1.2链式查询方式

BS-总线忙,BR-总线请求,BG-总线同意
计算机组成原理——系统总线_第5张图片
假设接口1和 n同时发送总线占用请求,两个请求通过 BR线传入总线控制部件。控制部件确定同意后,从 BG线发出响应。响应先到接口0,发现它没有发送请求,于是向下查询,到接口1发现是它发送的请求,于是把控制权交给接口1,接口1得到控制权后后通过 BS线发送总线忙的消息
特点:优先级与 BG线的查询顺序有直接关系,即各个 I/O设备占用总线的优先权的先后顺序。优先权由连接方式事先确定(若某设备优先级太低,发出的请求可能永远得不到回答)
缺点:对电路故障特别敏感。尤其是 BG线,如果某接口电路出现线路故障,该信号无法向下传,后面的设备永远无法获得总线使用权
优点:结构简单,增删设备容易,进行可靠性设计容易实现(比如 BS、BG设置成2根线,避免一根线断了无法继续工作)

4.1.3计数器定时查询

BS-总线忙,BR-总线请求
计算机组成原理——系统总线_第6张图片
请求方式和链式查询方式差不多,但是少了条 BG线,多了条设备地址线
假设计数器初值设为0,接口1和 n同时发送总线占用请求,两个请求通过 BR线传入总线控制部件。控制部件确定同意后,从设备地址线发出响应。计数器目前是0,因此先检查接口0是否发送请求,发现没有,计数器加1变成1,于是检查接口1发现是它发送的请求,于是把控制权交给接口1,接口1得到控制权后后通过 BS线发送总线忙的消息
特点:优先级的设置取决于控制部件内的计数器;计数器的初值可自行设定,从而确定优先级

4.1.4独立请求方式

前两种都是按顺序查找,速度较慢
BR-总线请求,BG-总线同意
计算机组成原理——系统总线_第7张图片
特点:优先级的设置取决于控制部件内的排队器;可以事先确定优先级,也可以通过自适应算法建立

4.2总线通信控制

4.2.1目的

解决通信双方协调配合问题

4.2.2总线传输周期

主设备和从设备之间完成一次完整且可靠的通信所需时间
1、申请分配阶段:主模块申请,总线仲裁决定
2、寻址阶段:主模块向从模块给出地址命令
3、传输阶段:主模块和从模块交换数据
4、结束阶段:主模块撤销有关信息

4.2.3总线通信的四种方式

1、同步通信:由统一时标控制数据传送
2、异步通信:采用应答方式,没有公共时钟标准
3、半同步通信:同步、异步结合
4、分离式通信:充分挖掘系统总线每个瞬间潜力

详细讲解
假设 CPU从某一外部设备进行数据输入

同步通信

特征

  1. 有一个定宽、定距的时标控制整个数据的传输过程
  2. 在固定的时间点上要给出固定的操作
  3. 所有从模块用同一个时标控制
  4. 主从模块强制同步;对速度不同的从模块,选择最慢的作为统一的时标
  5. 通常应用在总线长度较短,各个模块存取时间比较一致的情况
  • 总线传输周期由四个时钟周期组成
  • 除了时钟信号,CPU要完成数据输入(输出)的话,还需要地址信号、读(写)信号
  • 从模块在给定时间点上给出数据的输出(输入),对 CPU来说是数据的输入(输出)

1)同步式数据输入
计算机组成原理——系统总线_第8张图片
过程

  1. 在第一个时钟周期的上升沿,给出地址信号,该地址信号是主模块给出的(该例中是 CPU给出的)
  2. 在第二个时钟周期的上升沿,给出读信号,告诉从模块 CPU要从从模块读入数据
  3. 在第三个时钟周期的上升沿,从模块必须给出数据信号,并通过数据总线传输
  4. 在第四个时钟周期的上升沿,数据信号和控制信号撤销
  5. 在第四个时钟周期结束的时候,地址信号撤销

2)同步式数据输出
计算机组成原理——系统总线_第9张图片
过程

  1. 在第一个时钟周期的上升沿,给出地址信号
  2. 在第一个时钟周期的下降沿,给出数据信号
  3. 在第二个时钟周期的上升沿,给出写信号,向从模块进行数据写入
  4. 在第三个时钟周期的上升沿,作写入操作
  5. 在第四个时钟周期的上升沿,数据信号和控制信号撤销
  6. 在第四个时钟周期结束的时候,地址信号撤销
异步通信

特征

  1. 没有定宽、定距的时钟周期,但增加了两条线:请求线(主模块发出请求信号),应答线(从模块回应主设备发送的请求)
  2. 通过请求、回答两个控制信号完成联络

计算机组成原理——系统总线_第10张图片
不互锁
主模块发出通信请求,从模块接收后进行应答。之后主模块撤销请求信号,从模块也撤销应答信号
主模块不管是否收到应答信号,经过一定的时延后都会撤销请求信号
从模块不管主模块是否收到应答信号,经过一定的时延后都会撤销应答信号
半互锁
主模块发出通信请求,从模块接收后进行应答,主模块接收应答信号后撤销请求信号;如果接收不到,请求会一直保持
后果:可能造成请求信号一直高电平
全互锁
主模块发出通信请求,从模块接收后进行应答,主模块接收应答信号后撤销请求信号,只有主模块撤销请求后,从模块才会撤销应答信号
如果传输过程中发现数据出错,半互锁、全互锁可以请求从模块重新发送和接收数据

转载于:https://www.cnblogs.com/xxwang1018/p/11546715.html

你可能感兴趣的:(计算机组成原理——系统总线)