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总线

概述

• 总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质
• 特点
  • 分时
  • 共享
• 总线传输周期：CPU通过总线对外设进行一次访问所需的时间
• 总线宽度：可同时传输的二进制代码位数
• 总线特性
  • 机械特性：尺寸，形状
  • 电气特性：传输方向，有效的电平范围
  • 功能特性：每根传输线的具体功能（如传送地址、传送数据等）
  • 时间特性：信号的时序关系（如某根线什么时间有效）

分类

按数据传输方式

• 串行传输总线
• 并行传输总线

按使用范围

• 计算机总线
• 测控总线

按连接部件

• 片内总线
  • 位于芯片内部
  • 如CPU内部，寄存器之间的连接
• 系统总线
  • 连接五大部件（运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）
  • 分类
    • 数据总线
      • 双向传输总线
    • 地址总线
      • 单向传输总线
    • 控制总线
      • 整体上看：双向传输
      • 任意一条：单向传输
• 通信总线
  • 计算机系统之间或计算机系统与其他系统间通信
  • 分类
    • 串行通信
      • 适合远距离传输
    • 并行通信
      • 适合近距离传输

总线的组成

• 控制线
• 数据线
• 地址线（部分总线无地址线，使用数据线传输地址，称为数据线和地址线复用）

总线的性能指标

• 总线宽度：总线的根数
• 总线带宽：单位时间内传输数据的位数
• 总线复用：地址线和数据线共用以概率总线
• 信号线数：三种总线数目总和

总线的结构

单总线结构

• 所有设备共用一组总线
• 允许交换信息的设备
  • I/O设备之间
  • I/O设备与CPU
  • I/O设备与主存
  • CPU与主存
• I/O设备与主存统一编址
• 优点
  • 结构简单
  • 容易扩充
• 缺点
  • 不允许多个设备同时传输信息
  • 无法解决不同设备速率不匹配问题
• 适用对象
  • 小型计算机
  • 微型计算机

双总线结构

• 将速度较低的I/O设备分离出来
• 形成CPU与主存，CPU与I/O设备两组总线
• 允许交换信息的设备
  • I/O设备之间
  • I/O设备与CPU（或通道处理器）
  • CPU与主存
• 缺点
  • 主存与I/O设备交换信息需要通过CPU或通道处理器，效率低

三总线结构

• 在高速I/O设备与主存间增加了DMA总线
• 允许交换信息的设备
  • I/O设备之间
  • I/O设备与CPU
  • 高速I/O设备与主存
  • CPU与主存

总线仲裁

集中仲裁方式

• 所有总线请求统一集中交予一个仲裁算法进行裁决
• 组成
  • 总线忙线
  • 总线同意线
  • 总线请求线

链式查询方式

• 所有部件使用一条总线请求线
• 判定步骤
  1. 部件需要请求总线时，发送总线请求至总线控制器
  2. 若总线不忙，发送总线同意信号
  3. 总线同意信号串行依次传送到各个部件，若某一部件有总线请求时，停止传送
  4. 该部件建立总线忙信号
• 优先级
  • 离总线控制器越近的部件优先级越高
• 优点
  • 只需三根控制线，结构简单，易扩充
• 缺点
  • 有硬件电路敏感，第i个部件出错，之后的部件都不能工作
  • 优先级低的总线会出现饥饿现象

计数器查询方式

• 在总线控制器中增加一个计数器
• 不需要总线同意线
• 增加log2n条设备地址线
• 判定步骤
  1. 总线控制器收到请求后，计数器开始计数
  2. 将计数器的数值通过设备地址线传输给每个设备
  3. 若发送请求的设备地址与计数器数值不一致时，继续计数，回到第二步
  4. 直到发送请求的设备的地址与计数器一致时，获取设备控制权，建立总线忙信号
• 优先级
  • 方案1：每次计数从0开始，地址数值越小，优先级越大
  • 方案2：每次计数从上一次的终点开始计数，所有设备优先级相等
• 优点
  • 各设备优先级顺序可以改变（通过修改设备地址）
  • 对电路故障不如链式查询方式敏感
• 缺点
  • 增加了控制线数
  • 控制也比链式查询复杂

独立请求方式

• 每个设备都有一个总线请求线和总线同意线
• 判定步骤
  1. 每个设备独立发送请求
  2. 总线控制器按照特点算法决定优先级
  3. 选择好某一设备后，使用他的总线同意线发送同意信息
  4. 该设备建立总线忙信号
• 优点
  • 响应时间快
  • 对优先级控制灵活（可通过程序改变）
• 缺点
  • 控制线数量多
  • 总线控制最复杂

总线数目

总线类型	链式查询方式	计数器查询方式	独立请求方式
总线同意线	1	无	n
总线忙线	1	1	1
总线请求线	1	1	n
设备地址线	无	\lceil log_2n \rceil	无
总数	3	\lceil log_2n \rceil +2	2n+1
确定所有权需要的总线数	2	\lceil log_2n \rceil +1	2n

分布式仲裁方式

• 不需要中央仲裁器
• 每个模块有自己的仲裁号和仲裁器
• 每个仲裁器将自己的仲裁号发送到共享的仲裁总线上
• 通过对比仲裁总线上得到的仲裁号确定哪一个仲裁器占有总线

总线操作和定时

总线周期的组成

• 申请分配阶段（进行仲裁）
• 寻址阶段
• 传送数据阶段
• 结束阶段

分类

• 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

同步定时通信

• 时钟周期
  1. 发送地址信息（直到第四周期结束为止，始终保持信号），若写指令，则在第一周期的中间时刻进行数据准备操作
  2. 发送读写命令（维持到第三周期结束）
  3. 传输数据
  4. 撤销读写命令，撤销数据传输
• 优点
  • 传输速度快
• 缺点
  • 时钟必须以最慢模块设计
  • 模块存取速度差别较大时，大大损失总线效率
  • 可能不知道被访问的外部设备是否真正相应，可靠性低
• 适用范围
  • 总线长度较短，各部件存取时间接近的设备

异步定时方式

• 增加两条应答线（请求线和回答线）
• 采用**应答（握手）**的方式进行通信
• 步骤
  1. 主模块发出请求
  2. 等待从模块响应信号后才开始通信
• 分类
  • 不互锁方式
    • 主从模块无制约关系
    • 主模块发出请求一段时间后，默认从模块收到信号，撤销请求
    • 从模块发出应答一段时间后，默认主模块收到信号，撤销应答
  • 半互锁方式
    • 主从模块只有简单制约关系
    • 主模块发出请求后，只有收到从模块的应答信号后才撤销请求
    • 从模块发出应答一段时间后，默认主模块收到信号，撤销应答
  • 全互锁方式（与三次握手几乎一样）
    • 主从模块只有完全制约关系
    • 主模块发出请求后，只有收到从模块的应答信号后撤销请求，并发出应答
    • 从模块发出应答后，只有收到主模块的应答信号后撤销应答

总线标准

系统总线标准

• ISA（工业标准体系结构总线）
  • 最早的微型计算机系统总线标准
  • 用于IBM的AT机
• EISA（扩展的ISA总线）
  • 配合32位CPU的总线扩展标准
  • 完全兼容ISA
• VESA（VL-BUS）
  • 32位的计算机局部总线
  • 用于多媒体PC传输活动图像数据
• PCI（最常用）
  • 计算机局部总线
  • 连接外围设备与处理机/存储器系统
  • 支持即插即用
  • 支持对数据和地址的奇偶校验
• PCI-Express（PCI-E）
  • 最新的总线和接口标准
  • 将取代PCI和AGP

设备总线标准

• IDE（集成设备电路）
  • 用于连接处理器和磁盘驱动器
• AGP（加速图形接口）
  • 用于连接主存和图形存储器
• USB（通用串行总线）
  • 用于快速连接外部设备
  • 串行传输，只能同时传输一位数据
  • 通信总线
• SATA（串行高级技术附件）
  • 串行硬件驱动器接口

其他零散知识

• 计算机局部总线：局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设．如图形卡．硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速能CPU总线相匹配。