计算机组成原理之系统总线


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系统总线

1. 总线的基本概念

1.1 总线概述

计算机各部件有两种连接方式:分散连接(各部件单独连线)和总线连接

现在的计算机主要采用总线连接方式。

总线连接的优点:

  • 便于增减外设
  • 减少了信息传输线的条数

什么是总线?

  • 是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输设备。

总线上部件特点?

  • 当多个部件与总线连接时,同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息,而多个部件可以同时从总线上接收信息。

为了减轻总线负载,总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。

1.2 单总线结构

单总线结构将CPU、主存和I/O设备都挂到一组总线上,主存和I/O设备之间的信息交换可以不通过CPU。

同一时刻,只能有同一对设备使用总线。

1.3 面向CPU的双总线结构

CPU和主存之间加了一条专用总线(M总线),主存不直接与I/O设备连接。

1.4 以存储器为中心的双总线结构

在单总线结构基础上,单独在CPU和主存之间建立了一条存储总线。

因技术限制,系统总线和存储总下通常不能同时工作。

优点:

  • 速度高,传输效率高
  • 减轻了系统总线的负担

2. 总线的分类

总线按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。在

按照连接部件的不同分类:片内总线、系统总线和通信总线。

2.1 片内总线

芯片内部的总线,如CPU芯片内部,寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间都有总线连接。

2.2 系统总线

系统总线指CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线,通常又叫做板级总线和板间总线。按系统传输信息的不同分为三类:数据总线、地址总线和控制总线。

2.2.1 数据总线

  • 传输各功能部件之间的数据信息,是双向传输总线。
  • 数据总线的条数称为数据总线宽度,是衡量系统性能的一个重要参数。总线宽度$\leq$机器字长/存储字长。

2.2.2 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或I/O端口的地址。
  • 单向传输。
  • 地址线的位数与存储单元个数有关。

2.2.3 控制总线

  • 分配各部件的总线使用权
  • 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
  • 单向

2.3 通信总线

  • 用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信
  • 传输方式有串行和并行。

3. 总线特性及性能指标

3.1 总线特性

3.1.1 机械特性

  • 指总线在机械连接方式上的一些性能
  • 几何尺寸、形状、管脚数、排列顺序以及接头处的可靠接触等

3.1.2 电气特性

  • 总线的每一根传输线上信号的传递方向有效的电平范围

3.1.3 功能特性

  • 指总线中每根传输线的功能
    • 地址总线:指出地址号
    • 数据总线:传递数据
    • 控制总线:发出控制信号

3.1.4 时间特性

  • 指总线中信号的时序关系,即任一根线在什么时间内有效
  • 时间特性一般可以用信号时序图来描述

3.2 总线性能指标

  • 总线带宽:指总线在单位时间内可以传输的数据总量,相当于总线的数据传输速率,等于总线工作频率与总线宽度(字节数,单位是位)的乘积。实际上就是在总线上每秒能传输的最大字节量。
  • 标准传输率:每秒传输的最大字节数。
  • 时钟同步/异步:同步与不同步工作
  • 总线复用:指两种不同性质且不同时出现的信号分时使用同一组总线。如地址总线与数据总线共用一组物理线路,可以提高总线的利用率。
  • 信号线数:地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。
  • 总线控制方式:包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。
  • 负载能力

3.3 总线标准

总线标准可以理解为系统与模块、模块与模块之间的互连的标准界面,总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题。

  • VESA:视频电子标准
  • PCI:外设部件互联标准
  • AGP:显示卡专用的局部总线

4. 总线结构

4.1 单总线结构

  • 结构简单,便于增减外设
  • 总线成为了计算机系统的瓶颈
  • 不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息,影响了系统工作效率。这类总线多为小型机或微型机采用。

4.2 多总线结构

如果将速率不同的I/O设备进行分类,然后连接在不同的通道上,那么计算机系统的利用率将会更高,因此有了多总线接结构。

4.2.1 双总线结构

  • 将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来,中间用通道连接。

4.2.2 三总线结构

  • 在主存和高速外设(可有多个)之间连接了一条DMA总线,外部设备可以直接访问内存
  • 主存总线和DMA总线不能同时对主存进行存取
  • I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才用到

4.2.3 三总线结构的又一形式

  • CPU与高速缓冲存储器Cache之间有一条局部总线,它将CPU与Cache或更多的局部设备连接
  • 扩展总线影响外部设备工作速度

4.2.4 四总线结构

  • 思想:分类组织
  • 扩展总线上连接的是低速设备

5. 总线控制

总线上连接着多个部件,由哪个部件发送信息,给信息传送定时,防止信息丢失,避免多个部件同时发送,规定接受信息的部件等问题,由总线控制器统一管理。

5.1 总线判优控制

  • 主设备(主模块):指一次总线传输期间,拥有总线控制权的设备(模块)。
  • 从设备(从模块):指一次总线传输期间,配合主设备完成传输的设备(模块),它只能被动接受主设备发来的命令
  • 主设备对总线有控制权,从设备只能相应从主设备发来的总线命令。
  • 总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题。
  • 总线判优控制可以分为集中式分布式两种,前者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或设备上。集中式有链式查询、计数器定时查询、独立请求方式等。

5.1.1 链式查询

  • 一般用于微型计算机或简单的嵌入式系统中
  • 优点:结构简单,增删设备容易
  • 缺点:对电路故障特别敏感,速度慢

5.1.2 计数器定时查询

  • 计数器每次从0开始(前面的设备优先级高),或者每次从上一次计数结束的位置开始(优先级一样)。
  • 设备地址传输的地址由计数器给出
  • 需要的地址线位数是$\log_{2}{n}$向上取整

5.1.3 独立请求方式

  • 控制部件内部的排队器决定了优先级,排队器可以事先设置优先级
  • 速度快

5.1.4 三种方式的比较

  • 链式查询连线简单,易于扩充,对电路故障最敏感
  • 计数器查询优先级设置较灵活,对故障不敏感,连线及控制过程较复杂
  • 独立请求方式判优速度最快,但硬件器件用量大,连线多,成本高

5.2 总线通信控制

  • 总线完成一次完整而可靠的传输所需时间成为总线的传输周期,可分为四个阶段:申请分配阶段,寻址阶段,传数阶段,结束阶段
    • 申请分配阶段:主模块申请,总线仲裁决定
    • 寻址阶段:主模块向从模块给出地址和命令
    • 传数阶段:主模块和从模块交换数据
    • 结束阶段:主模块撤销有关信息
  • 总线的通信控制指总线传送过程中双方的时间配合方式,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配合。

5.2.1 同步通信

  • 有统一的时钟控制数据传送
  • 优点:规定明确、统一,模块间的配合协调一致
  • 缺点:主从模块必须在限定时间内完成规定要求,不同速度部件必须按速度最慢的部件来设计时钟,效率低,使用受局限,灵活性差
  • 同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合

5.2.2 异步通信

  • 没有公共的时钟,只采用握手信号
  • 异步通信方式为分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型
  • 波特率:单位时间内传送的二进制信号数
  • 比特率:用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表述

$$
比特率={1 \over 二进制位持续时间}\
比特率={波特率\times 单个调制状态对应的二进制位数}
$$

5.2.3 半同步通信

  • 同步:有统一时钟,信号发出在参照系统时钟前沿开始,而接收方都采用时钟后沿时刻来进行判断、识别
  • 异步:允许不同速度的模块和谐工作,为此增设了一条“等待”相应信号线
  • 适用于系统工作速度不高、包含工作速度差异较大的各类设备的简单系统,工作效率介于同步与异步之间
  • 缺点:系统时钟频率不能太高

上述三种通信的共同点:

一个总线传输周期内,

  • 主模块发地址、命令:占用总线
  • 从模块准备数据:不占用总线,总线空闲
  • 从模块向主模块发数据:占用总线

5.2.4 分离式通信

  • 目的:充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力,将一个总线传输周期分解为两个子周期。
  • 子周期一:主模块申请占用总线,使用完后放弃总线使用权
  • 子周期二:从模块申请占用总线,将各种信息送至总线上(这里的从模块其实变为了主模块)

分离式通信的特点:

  1. 各模块都有权申请占用总线
  2. 在得到总线使用权后,主模块在限定时间内向对方传送信息,采用同步方式传送,不再等待应答信号
  3. 各模块在准备数据传送的过程中都不占用总线,总线可接受其他模块的请求
  4. 总线被占用时都在作有效工作

分离式通信充分提高了总线的有效占用,适合大型计算机系统。


文章作者: 恰醋
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