《计算机组成原理》：系统总线

Posted 2021-11-01 晚风Sensei

总线的基本概念

总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。在某一时刻，只允许一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线接收相同的信息。总线实际上由很多传输线或通路组成。

结构类型

• 面向CPU的双总线结构
• 单总线结构
• 以存储器为中心的双总线结构

总线的分类

按数据传输方式可分为并行传输总线和串行传输总线。并行总线按传输数据宽度分为8位、16位、32位等。若按总线适用范围分，又有计算机总线、测控总线、网络通信总线。按连接部件分类，有片内总线、系统总线、通信总线。

（一）片内总线

芯片内部的总线。如在CPU芯片内部，寄存器之间，寄存器与算术逻辑单元ALU之间都由片内总线连接。

（二）系统总线

CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线，又称板级总线。按系统总线传输信息的不同，又可分为数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线

用来传输各功能部件之间的数据信息，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位或32位。该位数称为数据总线宽度。

数据总线宽度是衡量系统性能的一个重要参数（例如数据总线为8位，指令字长为16位，那么，CPU在取指阶段必须访问两次主存）。

地址总线

用来指出数据总线上的源数据或者目的数据在主存单元或I/O设备的地址，由CPU输出，单向传输。

地址总线位数与存储单元个数有关（如地址总线20根，对应主存中存储体的存储单元为2²⁰个。

控制总线

用来发出各种控制信号的传输线。通常对于任一控制而言，它的传输是单向的。但对于控制总线整体而言，它是双向的。

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（三）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通信，按传输方是可分为两种：串行通信和并行通信。

串行通信是指数据在单条1位宽的传输线上，一位一位的按顺序分时传送（例如，1字节的数据在串行通信总线要分8次从低位到高位顺序传送）。

并行通信是指数据在多条并行1位宽的传输线上，同时传送（例如1字节的数据可以由8条并行传输线1次传输到目的地）。

并行通信适用于近距离数据传输，通常小于30m；串行通信适用于远距离传输，可以从几米到数千千米。串行和并行通信数据传输速率与传输距离成反比。

总线的特性

从物理角度看，总线由许多导线直接印刷在电路板上，延伸到各个部件。

（一）机械特性

总线在机械连接方式上的一些性能，如插头插座的使用标准，几何尺寸、形状、引脚个数以及排列顺序等。

（二）电气特性

总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。

通常规定CPU发出的为输出信号，送入CPU的为输入信号（例如地址总线属于单向输出，数据总线数据双向输出）

大多数总线的电平定义与TTL是相符的，但也有例外，如RS-232C（串行总线接口标准）。

（三）功能特性

总线中每根传输线的功能（例如地址总线用来指出地址码，数据总线用用来传输数据，控制总线发出控制信号）

（四）时间特性

总线中的任一根线在什么时间有效。

总线的性能指标

1. 总线宽度：通常是指数据总线宽度
2. 总线带宽：可理解为总线的数据传输速率，即单位时间内总线传输的数据位数。（例如总线工作频率为33 MHz，总线宽度为32位，则总线带宽为 33*(32/8) = 132 MHz）
3. 时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线为异步总线。
4. 总线复用：一条总线上分时传送两种信号。（为了提高总线的利用率，将地址总线和数据总线共用一组物理路线，在这组物理路线上分时传输地址信号和数据信号，即为总线的多路复用）
5. 信号线数：地址总线、数据总线和控制总线的数量总和
6. 总线控制方式：突发工作、自动配置等
7. 其他指标：负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等

总线标准

所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对它两端的模块是透明的，连入总线的模块需要按照总线标准进行设计。按总线标准设计的接口可视为通用接口。

ISA总线

IBM为了采用全16位的CPU推出的，又称AT总线。

时钟频率 8MHz，最大传输速率 16MBps,，数据线16位，地址线24位。

EISA总线

在ISA基础上扩充开放的总线标准，是一种具有智能化的总线。

时钟频率 8MHz，最大传输速率 33MBps,，数据线32位，地址线32位。

PCI总线

现代计算机最常用的总线之一，有以下特性。

• 高性能：PCI是一种不依附于某个具体处理器的总线。数据线为32位（可扩展为64位），传输速率132MBps（33MHz时钟，32位数据通路），可升级到528MBps（66MHz时钟，64位数据通路）。
• 良好的兼容性：他支持所有目前和将来不同结构的处理器，因此具有较长的生命周期。PCI与ISA、EISA均可兼容。
• 支持即插即用
• 支持多主设备能力

Intel公司后来又推出PCI-Express总线，它采用类似TCP/IP协议的分层结构和数据帧逐层传递的模式。

AGP总线

显示卡专用局部总线。时钟66.7MHz直接与主存联系，最大传输速率266MBps。

RS-232C总线

串行通信总线标准，应用于串行二进制数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的标准接口。

RS-232C总线规定的电平逻辑与TTL电平逻辑不同。在TTL中，“+5V”代表逻辑“1”，接地电压代表逻辑“0”。而RS-232C的电气特征为低电平（-15V ~ -3V)代表逻辑“1”，高电平（+3V ~ +15V)代表逻辑“0”。使用RS-232C时，必须实现两种电平的转换。

USB总线

通用串行总线。基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，其主要特点

• 真正即插即用
• 具有很强的连接能力
• 标准统一
• 连接电缆轻巧，电源体积缩小
• 生命力强

总线结构

单总线结构

将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU或主存之间直接交换信息。这种结构简单，也便于扩充，但所有的传送都通过这组共享总线，因此容易形成计算机系统的瓶颈，并且不允许两个以上的部件同时向总线传输信息，这必然影响系统的工作效率。

多总线结构

双总线结构将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。这种结构大多用于大、中型计算机系统。

三总线结构。。。

总线控制

总线判优控制

总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备（模块）和从设备（模块）。主设备对总线有控制权，从设备只能响应从主设备发来的总线命令，对总线没有控制权。若多个主设备同事要使用总线时，就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。

总线判优控制可分为集中式和分布式，集中式将控制逻辑集中在一处（如CPU），后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上。常见的集中控制优先权仲裁方式有三种。

（一）链式查询

总线同意信号BG是串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口。因此距离总线最近的部件会更优先取得总线控制权。

特点：结构简单，并且易于扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级低的设备很难获得总线控制权。

（二）计数器定时查询

在总线未被使用的情况下，总线控制部件中的计数器开始计数，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，此时计数器停止计数。

特点

• 设备的地址大小决定设备取得总线控制权的优先级
• 计数器的初始值可以从上一次计数终止处开始，形成一个循环，此时各个部件的优先级相同
• 计数器的初始值可以由程序设定，故优先次序可以改变
• 电路故障不如链式查询敏感，但增加了控制线数，较为复杂

（三）独立请求方式

每一台设备均有一对总线请求线BR和总线同意线BG，当设备要求使用总线时，便发出请求信号。

特点：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数多，总线控制更复杂。

总线通信控制

通常完成一次总线操作的时间称为总线周期，分为4个阶段。

1. 申请分配阶段：由需要使用总线的主模块提出申请
2. 寻址阶段：取得总线使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块地址
3. 传数阶段：主模块和从模块金星数据交换
4. 结束阶段：主模块的有关信息从系统总线上撤除，让出总线使用权。

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如何配合，通常有四种方式。

（一）同步通信

通信双方由统一时标控制数据传送。取址、传数据等操作必须在规定的时钟周期内完成。

特点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。但主从模块时间配合属于强制性“同步”。因此必须按最慢速度的模块来设计公共时钟，严重影响总线的工作效率。

（二）异步通信

没有公共时钟标准，而是采用应答方式（即主模块发出请求，一直等待到模块反馈回来的应答信号来开始通信）。这既需要在主从模块之间增设两条应答线。

异步通信的应答方式又可分为不互锁、半互锁和全互锁三种方式。