计算机组成原理-系统总线

目录

总线的基本概念：

总线的分类：

片内总线：

系统总线：

通信总线：

常见的控制信号：

总线的性能指标：

名词解释：

总线判优

总线控制：

总线周期：

总线通信方式：

同步通信：

异步通信：

异步通信：

半同步通信：

分离式通信

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总线的基本概念：

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质

总线的分类：

片内总线：

片内总线是指芯片内部的总线

系统总线：

系统总线是指CPU，主存，Ｉ／Ｏ设备（通过Ｉ／Ｏ接口）各大部件之间的信息传输线

可以分为三类：

１.数据总线：

用来传输各功能部件之间的信息

它是双向传输总线，其位数与机器字长，存储字长有关，一般为８位，１６位，３２位。

每条传输线只能传递一位二进制数据

决定一次数据传输的数据大小

数据总线宽度决定了cpu和外界数据传送速度

数据总线是数据线条数之和

２.地址总线：

决定内存数据操作的地址

地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或Ｉ／Ｏ设备的地址

cpu是通过地址总线来指定存储单元的

地址总线决定了cpu能访问的最大内存空间大小

３.控制总线

控制总线是用来发出各种控制信号的传输线

cpu通过控制总线对外部器件进行控制

控制总线的宽度决定了cpu对外器件的控制能力

控制总线是控制线数量之和

通信总线：

用于计算机系统之间或计算机系统和其他系统之间的通信

常见的控制信号：

时钟：同步各种操作，复位：初始化所有部件

总线请求：表示某部件需获得总线使用权

总线允许：表示需要获得总线使用权的部件已经获得了控制权

中断请求，中断响应，存储器读写，I／ｏ读写，传输响应

                                                                                         

总线的性能指标：

总线宽度：数据线的根数,用bit表示

总线带宽：

每秒传输的最大字节数，MB/s

 总线带宽＝（总线宽度/8）×总线工作频率（MHz）

时钟同步/异步

总线复用

信号线数

总线控制方式

名词解释：

波特率：

每秒钟通过信道传输的码元数（二进制位数），单位为波特（symbol/s）

比特率:

每秒钟通过信道传输的信息量，单位bps

总线判优

总线判优控制

基本概念：

主设备：对总线有控制权

从设备：对总线无控制权

总线判优：在总线争用时，判定总线应该给那个设备或模块使用的过程

常见的判优方式

集中式：

有专门的总线控制器或总线判优器，将所有的总线请求集中起来利用 特定判优算法判优

分布式：

无专门的总线控制器或总线判优器，控制逻辑分散到各部件和设备中

判优方案应该在下列两个因素之间保持平衡：

等级性：具有更高优先级的设备应该先被服务

公平性：低优先级的设备不能永远得不到总线使用权

链式查询方式：

Grant从最高优先权的设备依次向最低优先权的设备串行相连。如果到达的设备有总线请求，

则Grant信号就不再往下传，该设备建立总线忙Busy信号，表示它已获得了总线使用权。 

特点：

线数少，设备扩充容易

离总线控制器最近的设备具有最高优先权，优先级低的设备难获得请求

对电路故障敏感

菊花链的使用限制了总线速度

计数器定时查询：

特点：

从０开始，与链式优先级相同

从终止点开始，循环优先级，各个部件优先级相同

初始值由程序设定

独立请求方式：

各设备都有一对总线请求线Req和总线允许线Grant。

当某设备要使用总线时，就通过对应的总线请求线将请求信号送到总线控制器。

总线控制器中有一个判优电路，可根据各设备的优先级确定选择哪个设备。

控制器可给各请求线以固定的优先级，也可编程设置

特点：

优点：速度快，控制灵活

缺点：电路复杂

自举分布式判优：

优先级固定，各设备独立决定自己是否时最高优先级请求者

需请求总线的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号

在总线判优期间每个设备将比自己优先级高的请求线上的信号取回分析：

 -若有总线请求信号，则本设备不能立即使用总线

 -若没有，则可以立即使用总线，并通过总线忙信号阻止其他设备使用总线

最低优先级可以不需要总线请求线

冲突检测判优：

当某设备使用总线时，它首先检查一下是否有其他设备在用，如果空闲，他就用。

当两个设备同时检测总线空闲，同时使用总线，发生冲突，二者停一个随机时间，再重新使用总线。

总线控制：

目的：解决通信双方协调配合问题

总线周期：

申请分配阶段：主模块申请，总线判优决定

寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令

传数阶段：主模块和从模块交换数据

结束阶段：主模块撤销相关信息

总线通信方式：

同步通信：

由统一时标控制数据传送

其控制线上有一个时钟和一个固定的与该时钟相关的通信协议

特点：

优点：

规定简单，模块间的配合简单一致，控制逻辑简单，速度快

缺点：

要求同步性，按照最慢的部件来设计公共时钟

主从模块时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定要求。

异步通信：

非时钟定时，没有一个公共的时钟标准。因此，能够连接带宽范围很大的各种设备。

总线能够加长而不用担心时钟偏移（clock skew）问题。

采用应答方式，允许各个模块速度不一样

主模块发出请求西信号，一直等待从模块反馈回来的应答信号，才开始通信，

这需要中从模块增加两条应答线（即握手交互信号线）

分为不互锁，半互锁，全互锁

特点：

优点：

灵活，可挂接各种具有不同工作速度的设备

缺点：

对噪声敏感，接口逻辑复杂

异步通信：

优点：

灵活，可挂接各种具有不同工作速度的设备

缺点：

接口逻辑复杂

对噪声敏感（任何时刻都可能接收到对方的应答信号）

半同步通信：

同步：

发送方用系统时钟前沿发信号

接收方用系统时钟后沿判断，识别

异步：

允许不同速度的模块和谐工作，增加一条等待信号   。

分离式通信

目标：充分挖掘系统总线每瞬间的潜力

将事务分成两个子过程：

1.主控设备A获得总线使用权后，将请求的事务类型、地址及其他信息（如A的标识等）发到总线，从设备B记下这些信息。A发完信息后便立即释放总线，其他设备便可使用总线；

2.B收到A发来的信息后，按照A的要求准备数据，准备好后，B便请求使用总线，获使用权后，B将A的编号及所需数据送到总线，A便可接收。

特点：

每个设备有权申请占用总线

采用同步方式通信，不等对方回答

给设备准备数据不占用总线

总线被占用时，无空闲