計組學習筆記之總線

1 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的傳送線路
• 共享：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
• 分時：同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，如果系統中有多個部件，則它們只能分時地向總線發送信息

2 總線的特性

• 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

3 總線的分類

3.1 按數據傳輸格式分類

1 串行總線

• 數據按位傳輸、接收
• 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

2 並行總線

• 數據並行傳輸、接收
• 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
  • 無法持續提升工作頻率

3.2 按總線功能分類

1 片內總線

• 定義：芯片內部的總線也稱為片內總線

2 系統總線

• 定義：計算機系統各個功能部件之間相互連接的總線
• 按照傳輸信息內容不同，可分為
  • 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
  • 地址總線：用來指出數據總線上的源數據或目的數據所在的主存單元或/O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，包括 CPU 送出的控制命令和主存（或外設）返回 CPU 的反饋信號

3 通信總線

• 定義：用於計算機系統之間或計算機系統與其他系統之間信息傳送的總線，也稱為外部總線

3.3 按時序控制方式分類

具體細節見下章節

4 系統總線的結構

4.1 單總線結構

• 結構：CPU、主存、IO 設備都連接在一組總線上，允許 IO 設備之間、IO 設備和 CPU 之間或 IO 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

  

4.2 雙總線結構

• 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 IO 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 IO 設備從單總線上分離出來，實現存儲器總線和 IO 總線分離

• 缺點：需要增加通道等硬件設備

  

4.3 三總線結構

• 結構：三總線結構是在計算機系統各部件之間采用3條各自獨立的總線來構成信息通路，這 3 條總線分別為主存總線、IO 總線和直接內存訪問 DMA 總線

• 優點：提高了 IO 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

  

5 總線的性能指標

5.1 總線傳輸周期

• 定義：一次總線操作所需的時間（包括申請階段、尋址階段、傳輸階段和結束階段），通常由若干個總線時鍾周期構成

  

5.2 總線時鍾周期

• 定義：機器的時鍾周期
• 計算機有一個統一的時鍾，以控制整個計算機的各個部件，總線也要受此時鍾的控制

5.3 總線工作頻率

• 定義：總線上各種操作的頻率，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

5.4 總線時鍾頻率

• 定義：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

5.5 總線寬度

• 定義：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

5.6 總線帶寬

• 定義：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

• 總線帶寬 = 總線工作頻率 \(\times\) 總線寬度 （bit / s）

5.7 總線復用

• 定義：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

5.5 信號線數

• 定義：地址總線、數據總線和控制總線 3 種總線數的總和稱為信號線數

6 總線仲裁

6.1 定義和分類

• 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
• 分類
  • 集中仲裁方式
    • 鏈式查詢方式
    • 計數器定時查詢方式
    • 獨立請求方式
  • 分布仲裁方式

6.2 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

1 鏈式查詢方式

• 優點：鏈式查詢方式優先級固定，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：對硬件電路的故障敏感，並且優先級不能改變，當優先級高的部件繁請求使用總線時，會使優先級較低的部件長期不能使用總線

• “總線忙信號”的建立者獲得控制權的設備

  

2 計數器查詢方式

• 用一個計數器控制總線的使用權，相對於鏈式多了一組設備地址線，少了一根總線響應線 BG

• 優點

  • 計數初始值可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列，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（若有 n 個設備，則需要 \(\lceil {log_2n} \rceil + 2\) 條控制線）

  • 控制相比鏈式查詢行對復雜

    

3 獨立請求方式

• 每一個設備均由一對總線請求線 \(BR_i\) 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，其用於設備向總線控制部件反饋已經使用完畢總線

  • 總線的控制邏輯更加復雜

    

4 三種仲裁對比

6.3 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號，多個仲裁器競爭使用總線
• 當設備有總線請求時，它們就把各自唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線上
• 每個仲裁器將從仲裁總線上得到的仲裁號與自己的仲裁號進行比較
• 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在仲裁總線上

7 總線操作

7.1 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次要訪問的從模塊的地址及有關命令，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

7.2 總線定時

• 總線定時是指總線在雙方交換數據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
• 同步通信：由統一時鍾控制數據傳送
• 異步通信：采用應答方式，沒有公共時鍾標准
• 半同步通信：同步、異步結合
• 分離式通信：充分挖掘系統總線每瞬間的潛力

1 同步定時方式

• 定義：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
• 在一個總線周期中，發送方和接收方可進行一次數據傳送
• 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

2 異步定時方式

• 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；從設各接到主設備的請求后，通過接口向主設備發出“回答”信號

• 不互鎖方式

  • 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”信號

  • 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，必須待接到從設各的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號，有互鎖的關系

  • 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，而是隔一段時間后自動撤銷“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，必須待從設備“回答”后，才撤銷“請求”信號

  • 從設備發出“回答”信號，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

    

• 波特率：單位時間內傳送的二進制數據的位數，單位用 bps (位/秒)表示，記作波特

• 比特率：單位時間內傳送二進制有效數據的位數，單位用 bps 表示，bps 即 bit/s

• \(有效數據傳輸率={數據位數 \over 數據位數 + 其他附加位位數}\)

  

3 半同步通信

統一時鍾的基礎上，增加一個“等待”響應信號 \(\overline {WAIT}\)

4 分離式通信

• 子周期一：主模塊申請占用總線，使用完后放棄總線使用權
• 子周期二：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

8 總線標准

8.1 總線標准

總線標准	全稱	工作頻率	數據線	最大速度	特點
ISA	Industry Standard Architecture	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 (3G10)	-	-	10GB/s以上	串行
USB	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	-	-	90Mbps	便攜設備接口
SCSI	Small Computer System Interface	-	-	640MB/s	智能通用接口

8.2 各標准特征

• ISA 和 EISA
  • ISA
    • 數據傳送需要 CPU 或 DMA 接口來進行管理
    • 不支持總線仲裁
  • EISA
    • 與 8/16 bit 的 ISA 總線完全兼容
    • 從 CPU 中分類出了總線控制權，支持多個總線主控器和突發傳送
• PCI
  • 是一種局部總線
  • 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，可米用多層結構提高駆動能力
  • 采用多路復用技術，減少了總線引腳個數
• AGP
  • 獨立於 CPU 的局部總線
  • 加速圖形接口，時顯卡專用的局部總線
• PCI - E
  • 是一種點對點串行連接的設備方式
  • 支持熱插拔和雙向傳輸模式
• VESA
  • 又稱為視頻局部總線
  • 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

• USB

  • 屬於設備總線，是設備和設備控制器之間的接口
  • 支持熱插拔，即插即用
  • 具有很強的連接能力的很好的擴充性
  • 標准統一
  • 高速傳輸
  • 連接電纜輕巧，可為低壓外設供電

• RS - 232C

  • 是串行二進制交換的數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）之間的標准接口

• IDE（ATA）

  • 又稱電子集成驅動器
  • 硬盤和光驅通過 IDE 接口與主板連接

• SATA

  • 又稱串行高級技術附件，采用串行方式傳輸數據
  • 傳輸效率高，降低系統能耗，減少系統復雜性

• SCSI

  • 又稱小型計算機系統接口
  • 擴充性比 IDE 要更大
  • 價格高，耐用，更穩定

• PCMCIA

  • 支持即插即用

9 本章總結

• 思維導圖

  

• 思維導圖點我