總線概念
定義
總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。
特點
共享:是總線上可以掛接多個部件,各個部件之間互相交換的信息都可以通過這組線路分時共享。在某一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，但多個部件可同時從總線上接收相同的信息。
分時:是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息,如果系統中有很多部件,則它們只能分時地向總線發送信息。
特性
- 機械特性:尺寸、形狀、管腳數、排列順序
- 電氣特性:傳輸方向和有效的電平范圍
- 功能特性:每根傳輸線的功能(地址、數據、控制)
- 時間特性:信號的時序關系
分類
按數據傳輸格式
-
串行總線: 一位一位進行傳輸
優點:只需要一條傳輸線,成本低廉,廣泛應用於長距離傳輸;應用於計算機內部時,可以節省布線空間。
缺點:在數據發送和接收的時候要進行拆卸和裝配,要考慮串行-並行轉換的問題。
-
並行總線: 多位一同傳輸
優點:總線的邏輯時序比較簡單,電路實現起來比較容易。
缺點:信號線數量多,占用更多的布線空間;遠距離傳輸成本高昂。
按總線的功能
-
片內總線:
片內總線式芯片內部的總線。
它是CPU芯片內部寄存器與寄存器之間、寄存器與ALU之間的公共連接線。
-
系統總線:
系統總線是計算機系統內各功能部件(CPU、主存、I/0接口)之間相互連接的總線。
按系統總線傳輸信息內容的不同,游客分為3類:數據總線、地址總線和控制總線。
- 數據總線用來傳輸各功能部件之間的數據信息,它是雙向傳輸總線,其位數與機器字長、存儲字長有關。雙向。
- 地址總線用來指出數據總線上源數據或目的數據所在的主存單元或I/0端口的地址,它是單向傳輸總線,地址總線的位數與主存地址空間的大小有關。
- 控制總線傳輸的是控制信息,一根控制線傳輸一個信號，包括CPU送出的控制命令和主存(或外設)返回CPU的反饋信號。
-
通信總線:
通信總線是用來計算機系統之間或計算機系統與其他系統(如遠程通信設備、測試設備)之間信息傳送的總線,通信總線也稱為外部總線。
按時序控制方式
- 同步總線
- 異步總線
系統總線的結構
單總線結構
- 結構:CPU、主存、I/O設備(通過I/O接口)都連接在一組總線上,允許I/O設備之間、I/O設備和CPU之間或I/O設備與主存之間直接交換信息。
- 優點:結構簡單,成本低,易於接入新的設備。
- 缺點:帶寬低、負載重,多個部件只能爭用唯一的總線,且不支持並發傳送操作。
雙總線結構
支持突發(猝發)傳送:送出一個地址,收到多個地址連續的數據。
通道是具有特殊功能的處理器,能對I/O設備進行統一管理。通道程序放在主存中。
- 結構:雙總線結構有兩條總線,一條是主存總線,用於CPU、主存和通道之間進行數據傳送;另一條是I/O總線,用於多個外部設備與通道之間進行數據傳送。
- 優點:將較低速的I/O設備從單總線上分離出來,實現存儲器總線和I/O總線分離。
- 缺點:需要增加通道等硬件設備。
三總線結構
DMA:Direct Memory Access,.直接內存訪問。
- 結構:三總線結構是在計算機系統各部件之間采用三條各自獨立的總線來構成信息通路,這3條總線分別位主存總線、I/O總線和直接內存訪問DMA總線。
- 優點:提高了I/O設備的性能,使其更快地響應命令,提高系統吞吐量。
- 缺點:系統工作效率較低。
四總線結構
- 橋接器:用於連接不同的總線,具有數據緩沖、轉換和控制功能。
- 靠近CPU的總線速度較快。
- 每級總線的設計遵循總線標准。
總線性能指標
總線傳輸周期(總線周期)
一次總線操作所需的時間(包括申請階段（仲裁）、尋址階段、傳輸階段和結束階段),通常由若干各總線時鍾周期構成。
總線時鍾周期
即機器的時鍾周期。計算機有一個同一的時鍾,以控制整個計算機的各個部件,總線也要受此時鍾的控制。
總線工作頻率
總線上的各種操作的頻率,為總線周期的倒數。
若總線周期=N個時鍾周期,則總線的工作頻率=時鍾頻率/N。
實際上指一秒內傳送幾次數據。
總線時鍾頻率
即機器的時鍾頻率,為時鍾周期的倒數。
若時鍾周期為T,則時鍾頻率為1/T。
實際上指一秒內有多少個時鍾周期。
總線寬度
又稱為總線位寬,它是總線上同時能夠傳輸的數據位數.通常是指數據總線的根數,如32根稱為32位(bit)總線。
總線帶寬
可理解為總線的數據傳輸率,即單位時間內總線上可傳輸數據的位數,通常用每秒鍾傳送信息的字節數來衡量,單位可用字節/秒(B/s)表示。
注:總線帶寬是指總線本身所能達到的最高傳輸速率。在計算實際的有效數據傳輸率時,要用實際傳輸的數據量除以耗時。
總線復用
總線復用是指一種信號線在不同的時間傳輸不同的信息。可以使用較少的線傳輸更多的信息,從而節省了空間和成本。
信號線數
地址總線、數據總線和控制總線3種總線數的綜合稱為信號線數。
總線仲裁*
基本概念
同一時刻只能由一個設備控制總線傳輸操作,可以有一個或多個設備從總線接收數據。
將總線上所連接的各類設備按其對總線有無控制功能分為:
主設備:獲得總線控制權的設備。
從設備:被主設備訪問的設備,只能響應從主設備發來的各種總線命令。
總線作為一種共享設備,不可避免地會出現同一時刻有多個主設備競爭控制權的問題。
總線仲裁定義:多個主設備同時競爭主線控制權時,以某種方式選擇一個主設備優先獲得總線控制權稱為總線仲裁。
分類
集中仲裁方式
工作流程:
- 主設備發出請求信號;
- 若多個主設備同時要使用總線,則由總線控制器的判優、仲裁邏輯按一定的優先等級順序確定哪個主設備能使用總線;
- 獲得總線使用權的主設備開始傳送數據。
鏈式查詢方式:
"總線忙"信號的建立者是獲得總線控制權的設備。
優先級:離總線控制器越近的部件,其優先級越高;離總線控制器越遠的部件,其優先級越低。
優點:只需很少幾根控制線就能按一定優先次序實現總線控制,結構簡單,擴充容易。
缺點:對硬件短路的故障敏感,並且優先級不能改變。當優先級高的部件頻繁請求使用總線時,會使優先級較低的部件長期不能使用總線。
計數器查詢方式
當總線控制器收到總線請求信號,判斷總線空閑時,計數器開始計數,計數值通過設備地址線發向各個部件。當地址線的計數值與請求使用總線設備的地址一致時,該設備獲得總線控制權。同時,中止計數器的計數及查詢。
結構特點:用 一個計數器控制總線使用權,相對鏈式查詢方式多了一組設備地址線,少了一根總線響應線BG;它仍共用一根總線請求線。
優點:
-
計數初始值可以改變優先次序
-計數每次從"0"開始,設備的優先級就按順序排序,固定不變;
-計數從上一次的終點開始,此時設備使用總線的優先級相等;
-計數器的初值還可以由程序設置
-
對電路的故障沒有鏈式敏感
缺點:
-
增加了控制線數
-若設備有n個,則需\(\lceil log_2n \rceil +2\)條控制線
-
控制相對比鏈式查詢相對復雜
獨立請求方式
當總線上的部件需要總線時,經各自的總線請求線發送總線請求信號,在總線控制器中排隊。當總線控制器按一定的優先次序決定批准某個部件的請求時,則給該部件發送總線響應信號。
結構特點:每一個設備均有一對總線請求線\(BR_i\)和總線允許線\(BG_i\)。
優點:
- 響應速度快,總線允許信號BG直接從控制器發送到有關設備,不必在設備間傳遞或者查詢。
- 對優先次序的控制相當靈活。
缺點:
-
控制線數量多
-若設備有n個,則需要2n+1條控制線。
其中+1為BS線,其用處為,用於設備向總線控制部分反饋已經使用完畢總線。
-
總線的控制邏輯更復雜。
小結
| 對比項目 仲裁方式 | 鏈式查詢 | 計數器定時查詢 | 獨立請求 |
|---|---|---|---|
| 控制線數 | 3 總線請求:1 總線允許:1 總線忙:1 |
\(\lceil log_2n \rceil +2\) 總線請求:1 總線允許:\(\lceil log_2n \rceil\) 總線忙:1 |
2n+1 總線請求:n 總線允許:n 總線忙:1 |
| 優點 | 優先級固定 結構簡單,擴充容易 |
優先級較靈活 | 響應速度快 優先級靈活 |
| 缺點 | 對電路故障敏感 優先級不靈活 |
控制線較多 控制相對復雜 |
控制線多 控制復雜 |
總線忙：信號的建立者是獲得總線控制權的設備
分布仲裁方式
特點:不需要中央仲裁器,每個潛在的主模塊都有自己的仲裁器和仲裁器,多個仲裁器,多個仲裁器競爭使用總線。
當設備有總線請求,它們就把各自唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線省;每個仲裁器將從仲裁總線上得到的仲裁號與自己仲裁號進行比較;如果仲裁總線上的號優先級高,則它的總線請求不予響應,並撤銷它的仲裁號;最后,獲勝者的仲裁號保留字仲裁總線上。
操作和定時
總線傳輸的四個階段
總線周期的四個階段
- 申請分配階段:由需要使用總線的主模塊(或主設備)提出申請,經總線仲裁機構決定將下一傳輸周期的總線使用權授予某一申請者。也可將此階段細分為傳輸請求和總線仲裁兩個階段。
- 尋址階段:獲得使用權的主模塊通過總線發出本地要訪問的從模塊的地址及有關命名,啟動參與本次傳輸的從模塊。
- 傳輸階段:主模塊和從模塊進行數據交換,可單向或雙向進行數據傳送。
- 結束階段:主模塊的有關信息均從系統總線上撤除,讓出總線使用權。
總線定時是指總線在雙方交換的過程中需要時間上配合關系的控制,這種控制稱為總線定時,它的實質是一種協議或規則。
同步定時方式(同步通信)
同步定時方式是指系統采用一個統一的時鍾信號來協調發送和接收雙方的傳送定時關系。
時鍾產生相等的時間間隔,每個間隔構成一個總線周期。
在一個總線周期,發送方和接收方可進行一次數據傳送。
因為采用同一的時鍾,每個部件或設備發送或接收信息都在固定的總線傳送周期中,一個總線的傳送周期結束,下一個總線傳送周期開始。
優點:傳送速度快,具有較高的傳輸速率;總線控制邏輯簡單。
缺點:主從設備屬於強制性同步;不能及時進行數據通信的有效性檢驗,可靠性較差。
同步通信適用於總線長度較短及總線所接部件的存取時間比較接近的系統。
異步定時方式(異步通信)
在異步定時方式中,沒有統一的時鍾,也沒有固定的時間間隔,完全依靠傳送雙方相互制約的"握手"信號來實現定時控制。
主設備提出交換信息的"請求"信號,經接口傳送到從設備;從設備接到主設備的請求后,通過接口向主設備發出"回答"信號。
根據"請求"和"回答"信號的撤銷是否互鎖,分為以下3種類型。
-
不互鎖方式 速度最快,可靠性最差
主設備發出"請求"信號后,不必等到接到從設備的"回答"信號,而是經過一段時間,便撤銷"請求"型號。
而從設備在接到"請求"信號后,發出"回答"信號,並經過一段時間,自動撤銷"回答"信號。雙方不存在互鎖關系。
-
半互鎖方式
主設備發出"請求"信號后,必須待接到從設備的"回答"信號后,才撤銷"請求"信號,有互鎖關系。
而從設備在接到"請求"信號后,發出"回答"信號,但不必等待獲知主設備的"請求"信號已經撤銷,而是隔一段時間自動撤銷"回答"信號,不存在互鎖關系。
-
全互鎖方式 最可靠,速度最慢
主設備發出"請求"信號后,必須待接到從設備的"回答"信號后,才撤銷"請求"信號;
主設備發出"回答"信號后,必須待獲知主設備"請求"信號已撤銷后,再撤銷其"回答"信號。雙方存在互鎖關系。
優點:總線周期長度可變,能保證兩個工作速度相差很大的部件或設備之間可靠地進行信息交換,自動適應時間的配合。
缺點:比同步控制方式稍復雜一些,速度比同步定時方式慢。
半同步通信
統一時鍾的基礎上,增加一個"等待"響應信號\(\overline{WAIT}\)。
分離式通信
分離式通信的一個總線傳輸周期
- 子周期1: 主模塊申請占用總線,使用完后放棄總線的使用權。
- 子周期2: 從模塊申請占用總線,將各種信息送至總線上。
特點:
- 各模塊均有權申請占用總線
- 采用同步方式通信,不等對方回答
- 各模塊准備數據時,不占用總線
- 總線利用率提高
總線標准*
基本概念
系統總線標准:ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express等。
設備總線標准:IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA等。
局部總線標准:在ISA總線和CPU總線之間增加的一級總線或管理層,如PCI、PCI-E、VESA、AGP等,可以節省系統的總帶寬
- 即插即用(Plug-and-Play)的作用是自動配置(底層)計算機中的板卡和其他設備,然后告訴對應的設備都做了什么。把物理設備和軟件(設備驅動程序)相配合,並操作設備,在每個設備和它的驅動程序之間建立通信信道。
- 熱插拔(hot-plugging或Hot Swap)即帶電插拔,熱插拔功能就是允許用戶在不關閉系統,不切斷電源的情況下取出和更換損壞的硬件、電源或板卡等部件,從而提高了系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性等,例如一些面向高端應用的磁盤鏡像系統都可以提供磁盤的熱插拔功能。
| 總線標准 | 全稱 | 工作頻率 | 數據線 | 最大速度 | 特點 |
|---|---|---|---|---|---|
| ISA | Industry Standard Architexture | 8MHz | 8/16 | 8MB/s | 系統總線 |
| EISA | Extended ISA | 8MHz | 32 | 32MB/s | 系統總線 |
| PCI | Peripheral Component Interconnect | 33MHz | 32 | 133MB/s | 局部總線 |
| AGP | Accelerated Graphics Port | - | - | X1:266MB/s X8:2.1GB/s |
局部總線 |
| VESA | Video Electronics Standard Architecture | 33MHz | 32 | 132MB/s | 局部總線 |
| PCI-E | PCI-Express(3GIO) | - | - | 10GB/s以上 | 串行 |
| USE | Universal Serial Bus | - | - | 1280MB/s | 設備總線、串行 |
| RS-232C | Recommended Standard | - | - | 20Kbps | 串行通信總線 |
| IDE(ATA) | Integrated Drive Electronics | - | - | 100MB/s | 硬盤光驅接口 |
| SATA | Serial Advanced Technology Attachment | - | - | 600MB/s | 串行硬盤接口 |
| PCMCIA | PerSonal Computer Memory Card International Association |
- | - | 90MB/s | 便攜設備接口 |
| SCSI | Small Computer System Interfaces | - | - | 640MB/s | 智能通用接口 |
系統總行標准
ISA/EISA
ISA:數據傳送需要CPU或DMA接口來管理。不支持總線仲裁。
EISA:與ISA總線完全兼容;從CPU中分離出了總線控制權,支持多個總線主控器和突發傳送。
局部總線標准
PCI:PCI總線是獨立於CPU的局部總線。
特點:
- 高性能:不依附於某個具體的處理器,支持突發傳送。
- 良好的兼容性。
- 支持即插即用。
- 支持多主設備。
- 具有與處理器和存儲器子系統完全並行操作的能力。
- 提供數據和地址奇偶校驗的能力。
- 可擴充性好,可采用多層結構提高驅動能力。
- 采用多路復用計數,減少了總線引腳個數。
PCI-E:PCI-Express總線是一種點對點串行連接的設備連接方式。
支持熱拔插。
AGP:加速圖形接口;這是顯示卡專用的局部總線。
VESA:又叫做視頻局部總線;是針對多媒體PC要求高速傳送活動圖像的大量數據應運而生的。
設備總線標准
USB:屬於設備總線,是設備和設備控制器之間的接口。
特點:
- 可以熱拔插、即插即用。
- 具有很強的連接能力和很好的可擴充性。
- 標准統一。
- 高速傳輸。
- 連接電纜輕巧,可為低壓(5V)外設供電。
RS-232C:是應用於串行二進制交換的數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)
IDE(ATA):硬盤和光驅通過IDE接口與主板連接。
SATA:即串行高級計數附件,采用串行方式傳輸數據。
SCSI:是一種用於計算機和智能設備之間(硬盤、軟驅、光驅、打印機、掃描儀等)系統級接口的獨立處理及標准。SCSI是一種智能的通用接口標准。
PCMCIA:可分為16位的PCMCIA和32位的CardBus。
CardBus具有:1.32位數據傳輸和33MHz操作 2.總線自主。 3.3.3V供電
視頻線標准簡介
VGA:Video Graphics Array 也稱為D-sub端口
用於傳輸模擬信號。
DVI:Digital Visual Interface
用於傳輸數字。
HDMI:High Definition Multimedia Interface
理論最大傳輸速度可以Gb/s ;影像數據+8聲道的音訊信號;源於DVI技術。