《计算机组成原理》------总线篇

(一)总线概述

1.总线的基本概念

总线是连接多个部件的信息传输数据线，是各部件共享的传输介质。
分时和共享是总线的两个特点
分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。
共享是指总线上可以挂载多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但对个部件可以同时从总线上接受信息。

2.总线的分类

1)按数据传送方式可以分为并行传输总线和串行传输总线。并行传输总线又可按传输数据宽度分为8位、16位等传输总线
猝发(突发)传输是在一个总线周期中，可以传输多个存储地址连续的数据，即一次传输一个地址和一批地址连续的数据。把多个数据单元作为一个独立传输处理，从而最大化设备的吞吐量。现实中一般用支持突发传送方式的总线提高存储器的读写效率。
并行传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。
串行传输是指数据的二进制代码在一条物理通信道以上以位为单位按时间顺序逐位传输的方式。
同步传输是指传输过程由统一的时钟控制。
2)按总线的使用范围可以分为计算机总线，测试总线等
3)*按连接部件不同可以分为片内总线，系统总线，通信总线等。
片内总线:顾名思义是指芯片内部的总线。如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间，寄存器与算术逻辑单元(ALU)之间都是由芯片总线连接的。
系统总线:连接五大部件之间的信息传输线。按系统总线传输信息的不同，又可分为3类:数据总线、地址总线和控制总线。
①数据总线:用来传送各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线。一般数据总线有8位、16位或32位。数据总线的位数称为数据总线宽度。如果数据总线的位数为8位，而指令字长为16位，那么CPU在取指令阶段必须进行两次访问。
②地址总线:它是单向传输总线。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。
③控制总线:由于数据总线和地址总线是被所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权，还需要依靠控制总线来完成，因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。
【注:总线控制包括两个方面:判优控制和通信控制。
由哪个主设备占用总线属于判优控制。而总线通信控制主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调和如何配合。
总线控制器用来进行总线判优;
总线缓冲器在总线传输中起数据暂存缓冲的作用。

在总线控制中，申请使用总线的设备向总线控制器发出“总线请求”信号，由总线控制器进行裁决。如果经裁决允许该设备使用总线，就由总线控制器向该设备发出“总线允许”信号，该设备收到信号后发出“总线忙”信号，用于通知其他设备总线已被占用。当该设备使用完总线时，将“总线忙”信号撤销，释放总线。所以“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的设备。
】
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。通信总线按照数据传输方式可分为串行通信和并行通信。串行通信就是单车道的高速公路;并行通信就是多车道的高速公路。一般来说，并行通信更适合近距离的数据传输，通常小于30m;串行通信适宜远距离传送。

3.总线的组成及性能指标

1.总线的组成:通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线组成。(但是也有例外，某些总线没有单独的地址线，地址信息也通过数据线来传送，这种情况称为数据线和地址线复用。)
2.性能指标
1)总线宽度。通常是指数据总线的根叔，用位(bit)表示，如8位、16位等。
2)总线带宽。单位时间内总线上传输数据的位数(可以理解成某段公路在单位时间内所通过的车辆数)。
总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)。
3)总线传输周期。指一次总线操作所需的时间，包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段。总线传输周期通常由若干总线时钟周期构成。
寻址阶段就是传送地址，传输阶段就是传送数据。
4)总线时钟周期。即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。
5)总线工作频率。总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。实际上指1秒内传送几次数据。若总线周期=N个时钟周期，即总线的工作频率=时钟频率/N。
6)总线复用。总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息，因此可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省空间和成本。(分离事务通信即总线复用的一种，相比单一的传输线路可以提高总线的利用率。)
总线带宽=总线宽度×总线频率。

4.总线的结构

常用的总线结构通常可分为单总线结构、双总线结构和三总线结构。
1.单总线结构
单总线的特点:由于I/O设备与主存共用一组地址线，因此主存和I/O设备是统一编址的，CPU就可以像访问内存一样访问外部设备。
2.双总线结构
双总线结构特点是将速度较低的I/O设备从单总线中分离出来，形成主存总线与I/O总线分开

(二)总线操作和定时

1.同步定时方式:指系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。(不管是输入还是输出，地址信号一定是全程陪伴。)
【注意:同步控制一般不允许连接速度差别较大的设备，这样会降低整个通信的效率。
同步总线的特点是各部件采用时钟信号进行同步，协议简单，因而速度快，接口逻辑很少。但总线上的每个部件必须在规定的时间内完成要求的动作，所以一般按最慢的部件来设计公共时钟，而且由于时钟偏移问题，同步总线一般不能很长。因此，一般同步总线用在部件之间距离短、存取速度一致的场合。通常，CPU内部总线、处理器总线等采用同步总线。】
同步通信的优点:传送速度快，具有较高的传输速率。
同步通信的缺点:同步通信必须按最慢的模块来设计公共时钟，当总线上的模块存取速度差别很大时，便会大大损失总线效率，并且不知道被访问的外部设备是否真正响应，故可靠性较低。
同步通信的使用范围:总线长度较短、总线所接部件的存取时间应该都比较接近。

优点:传送速度快，具有较高的传输速率;总线控制逻辑简单
缺点:主从设备属于强制性同步;不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。

【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】

2.异步定时方式:同步通信一般都是在各模块速度一致的情况下使用，不一致会造成效率大大降低，为了克服同步通信这一缺点，异步通信允许各模块的速度不一致。异步通信没有公共的时钟标准，不要求所有部件严格地统一操作时间，而是采用应答的方式(或称握手方式)，即当主、从模块之间增加两条应答线。
异步总线采用应答方式进行通信，允许各设备之间的速度有较大的差异，因此，通常用于在具有不同存取速度的设备之间进行通信。通常连接外设或其他机器的通信总线采用异步总线。
异步通信的应答方式又可以分为不互锁、半互锁和全互锁3种类型。
1)不互锁方式
特点:主模块的请求信号和从模块的回答信号没有互相的制约关系。
2)半互锁方式
特点:主模块的请求信号和从模块的回答信号有简单的制约关系。
3)全互锁方式
特点:主模块的请求信号和从模块的回答信号有完全的制约关系。

【允许不同速度的模块和谐工作】

3.半同步通信【统一时钟基础上，增加一个“等待”响应信号】
总线的半同步通信方式是既采用时钟信号，又采用握手信号。

4.分离式通信:(目的:将从模块准备数据不占用总线的时间给利用起来)
因为一个总线传输周期(以输入数据为例)
·主模块发地址命令 使用总线
·从模块准备数据 不使用总线 总线空闲
·从模块向主模块发数据 使用总线

分离式通信的一个总线传输周期
1)子周期1 主模块申请占用总线，使用完后放弃总线的使用权【主模块是发送命令】
2)子周期2 从模块申请占用总线，将各种信息发送至总线上【从模块是回复命令】
特点:
1)各模块均有权申请占用总线
2)采用同步方式通信，不等对方回答
3)各模块准备数据时，不占用总线
4)总线利用率提高

(三)总线标准

PCI总线:它已成为现代计算机中最常用的总线之一。
①高性能。与CPU时钟频率无关。支持突发工作方式(课本48页)
②良好的兼容性
③支持即插即用
④支持多主设备能力(允许多条PCI总线，以此来提升计算机的效率。PCI设备不一定都是主设备。)
⑤具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力
⑥提供数据和地址奇偶效验功能，保证了数据的完整和准确
⑦支持两种电压标准:5V和3.3V。3.3~5V的组件技术可以使电压平滑过渡。3.3V电压的PCI总线可用于便携式微型计算机中。
⑧可扩充性好
⑨软件兼容性好
⑩采用多路复用技术，减少了总线引脚个数。

USB总线:通用串行总线

①具有真正的即插即用特征。
②具有很强的连接能力
③数据传输率(普通无屏蔽双绞线，带屏蔽的双绞线)
④标准统一
⑤连接电缆轻巧，电源体积缩小
⑥生命力强