ch6 总线系统

我儿长柏必定高中
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概述

总线的基本概念

  • 定义：总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
    • 分时：同一时刻只允许一个部件向总线发送信息，但可有多个部件接收信息
    • 共享：总线上连接的多个部件都可以通过这组线路发送信息
  • 组成：总线控制器、总线收发器、互联导线
    • 总线控制器：根据总线协议，管理总线上的设备
    • 总线收发器：实现信息的传送
    • 互连导线：数据线、地址线、控制线、电源线
  • 特性：
    • 物理特性：总线的根数、插头、尺寸、形状
    • 电气特性：传输方向和有效电平范围
    • 功能特性：每根传输线的功能（地址数据控制）
    • 时间特性：信号的时序关系
  • 协议：到总线的部件都必须遵守的一组规则和约定

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总线的分类

  • 按数据传输格式：
    • 串行总线：只有一根传输线，每次传输一个二进制位，适用于远距离传输，节省布线空间
    • 并行总线：可同时传送多个二进制位，时序逻辑和电路实现较简单，但信号线数量多，抗干扰能力差
  • 按总线功能：
    • 片内（内部）总线：CPU内部连接各寄存器和运算部件之间的总线
    • 系统（外部）总线：CPU与储存器、通道等计算机系统内各功能部件之间的总线
      • 数据总线：双向传输，位数与机器字长储存字长有关，反映访问一次能交换数据的位数
      • 地址总线：单向传输，位数与主存地址空间大小有关，反映能访问的储存器地址空间范围
      • 控制总线：传输CPU送出的控制命令和主存返回CPU的控制信号
      • 仲裁总线、中断和同步总线、公用线
    • 局部总线：不与cpu直接相连，而是连接高速的北桥芯片与声卡等硬件
    • 通信总线：通常由南桥控制，计算机系统之间或主机与IO设备之间的通信
  • 按时序控制方式：
    • 同步总线
    • 异步总线

总线的连接方式

  • 单总线结构：
    CPU和主存和设备都连接到同一组地址、数据、控制总线上，互相直接交换信息。结构简单成本低但带宽低负载重，多部件竞争唯一的总线，不支持并发传送。
  • 多总线结构：
    分层次设置系统总线、高速总线、扩展总线，实现外部设备的分类管理。系统总线连接CPU、cache、主存等；高速总线连接各种高速设备；扩展总线连接各种低速设备。
    北桥：处理CPU和高速设备之间的通信；南桥：处理北桥以外的设备，比如硬盘和usb image.png

总线的性能指标 考点

  • 总线（传输）周期：一次总线操作（申请寻址传输结束）所需要的时间，通常由若干总线时钟周期组成
  • 总线工作频率：总线周期的倒数，一秒内传几次数据，单位Hz
  • 总线时钟周期：总线时钟信号的周期，一般采用机器的时钟周期，也可能包含多个总线周期
  • 总线时钟频率：总线时钟周期的倒数，一秒内有几个时钟周期，单位Hz
  • 总线位宽（宽度）：指总线上能同时传输的数据位数，通常指总线的根数，单位bit
  • 总线带宽（总线的最高数据传输速率）：单位时间内可传输的数据总量，是衡量总线性能的重要指标，单位为兆字节/秒（MB/s），带宽=总线工作频率(总线位宽/8/1024²)*
  • 有效数据传输率：用实际传输的数据量除以耗时，小于总线带宽
  • 总线复用：数据和地址共用一条总线，分时传输不同数据
  • 信号线数：地址数据控制总线三种总线数的和
  • 总线时序：因传输速度差异，外部总线和CPU内部采用不同的时序

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总线的数据传送模式

  • 读写操作：读是由从方到主方（地址和数据读之间有等待），写是由主方到从方，一次总线操作传输一个机器字
  • 块操作：猝发式传送，一次总线操作传输一个数据块（起始地址+块长度）
  • 写后读操作：用于校验写信息是否正确
  • 读后写操作：用于对共享存储资源的保护
  • 广播操作：一个主方对多个从方进行写操作
  • 广集操作：将多个从方数据在总线上完成相应分处理操作后传送给主方

仲裁

定义

同一时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有多个设备从总线接收数据

  • 主设备：有总线控制权的设备，如CPU
  • 从设备：只能从总线接收命令的设备，被主设备访问，如主存
  • 仲裁：多个主设备同时竞争主线使用权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权

集中仲裁方式

  1. 主设备发出请求信号;
  2. 若多个主设备同时要使用总线，则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;
  3. 获得总线使用权的主设备开始传送数据。

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链式查询方式

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计数器查询方式

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独立请求方式

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分布仲裁方式

image.png 最低优先级设备可以不需要总线请求线，没有其他设备需要查看

操作和定时

总线传输的四个阶段

  • 申请分配阶段：主设备传输请求、总线仲裁
  • 寻址阶段：主设备通过总线发出要访问的从设备的地址和命令
  • 传输阶段：主设备和从设备进行单向或双向数据交换
  • 结束阶段：有关信息从总线上撤除，让出总线使用权

总线定时

  • 定义：总线操作各阶段中的时序关系，何时开始、结束、多长时间完成、先后顺序；有同步通信（同步定时方式）、异步通信（异步定时方式）、半同步通信、分离式通信

同步通信（同步定时方式）

用统一时钟信号控制数据传送：若干个时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期，在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。
每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始

  • 优点：传送速度快，具有较高的传输效率，总线控制逻辑简单
  • 缺点：中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

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异步通信（异步定时方式）

无统一时钟信号，采用应答方式，一次总线操作的持续时间不确定，完全依靠传送双方相互制约的“握手” 信号来实现定时控制
主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备，从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出“回答”信号
根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，分为不互锁方式、半互锁方 式、全互锁方式

  • 优点：总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合
  • 缺点：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢

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半同步通信

同步异步结合 image.png

分离式通信

挖掘系统总线每瞬间的潜力 image.png

总线接口

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功能

  • 控制：依据CPU的指令信息控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。
  • 缓冲：在外部设备和计算机系统其它部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。
  • 状态：接口监视外部设备的工作状态并保存状态信息，如准备就绪、忙、错误等，供CPU询问外部设备时进行分析之用。
  • 转换：完成一些要求的数据转换，以确保数据能在外部设备和CPU之间正确地传送，如数据格式转换、并串转换等
  • 整理：完成一些特别的功能，如在批量数据传输时自动修改字计数器、当前内存地址寄存器。
  • 程序中断：每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发送中断请求信号给CPU，申请中断。

总线标准

设计总线要考虑的因素：信号线类型（专用复用）、仲裁方法（集中式分布式）、定时方式（同步通信异步通信）、事务类型（支持的数据传输和操作类型，如储存器读写IO读写中断响应）、总线带宽工作频率电气特性串行并行
由此制定了许多总线标准

  • ISA:16位，并行
  • EISA:32位，并行，兼容ISA
  • PCI：外设互联标准，即插即用，突发传送，在主板上，连接网卡声卡等 838f549ab3df21762d65c72889de1bf.jpg
  • PCIE：PCI升级版，串行，热插拔，速度更快
  • USB：用于连接外部设备和存储设备，如鼠标键盘硬盘，串行，热插拔，即插即用，菊花链
  • SATA:用于连接存储设备，串行
  • IEEE1394：用于视频设备
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