系统总线

• • 总线的基本概念
  • • • 以CPU为中心的双总线结构
  • 总线的分类
  • 总线特性及性能指标
  • 总线结构
  • 总线控制
  • • • 总线判优控制
      • 总线通信控制
    • **总线通信的四种方式：**
    • • ***同步通信：***
      • ***异步通信：***
      • ***半同步通信：***
      • ***分离式通信：***
  • 小记
• *特别注意*：

总线的基本概念

1.计算机系统的五大部件的互联方式：
	（1）各部件之间通过单独的连线，叫做**分散连接**。
	（2）将各部件连到一组公共信息传输线上，叫做**总线连接**。
2.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。在某一时刻，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受相同点信息。
3.总线物理组成：
	总线由许多传输线或通路组成，每条线可传输一位二进制代码，一串二进制
代码可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码。
           

以CPU为中心的双总线结构

总线名称：
	存储总线：连接CPU和主存。
	输入/输出总线(I/O总线)：连接CPU和各I/O设备。
           

总线的分类

按数据传送方式可分为：
	并行传输总线、串行传输总线
按总线的使用范围划分：
	计算机(包括外设)总线、测控总线、网络通信总线
按总线连接部件的不同，可分为：
	片内总线，系统总线，通信总线
           

片内总线：

片内总线是指**芯片内部**的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、
寄存器与算术逻辑单元ALU之间。
           

系统总线(板级总线)：

1.系统总线是指CPU、主存、I/O（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。
由于这些部件通常都制作在各个插件板上，故又叫作板级(即在一块电路板上
各芯片间的连线)总线和板间总线。
2.按系统传输信息的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。
           

数据总线：传输各功能部件之间的数据信息。
1.双向传输总线
2.数据总线的位数称为数据总线宽度
3.与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位、32位。
           

地址总线：指出数据总线上的源数据或目的数据在**主存单位**的地址或在**I/O设
备**的地址。
1.单向总线
2.地址总线和存储单元的关系：
地址总线的位数与存储单元的个数有关，与存储单元的二进制位长度无关。如：
地址总线有n条，则最多可以寻址到(  2^n  )个存储单元。
           

控制总线：
1.用来发出各种控制信号的传输线
2.单一控制线通常是单向的
3.控制总线总体来说是双向总线
4.典型控制线：
	复位、时钟、传输响应、中断请求、总线请求、存储器读写、I/O读写、忙闲
检测等。
           

通信总线：

1.概念：用于**计算机系统之间**或**计算机系统与其他系统**（如控制仪表、
移动通信等）之间的通信。
2.特点：类别繁杂、连接规格、传输距离、速度、工作模式各不相同。传输速度和
距离成反比。
3.传输方式：串行通信总线、并行通信总线。
串行通信：
（1）数据在单条1位宽的传输线上一位一位按顺序依次传送。
（2）适宜远距离数据传送，可从几米到几千千米。成本低。
（3）一个字节分8次传送完毕。
并行通信:
(1)数据在多条1位宽的传输线上并行传送，同时由源传送到目的地。
（2）适宜近距离数据传送，通常小于30米。
（3段距离内，传输速度快于串行方式）。
           

总线特性及性能指标

（一）总线物理实现

（二）总线特征

1.机械特性：总线在机械连接方式上的一些性能。
如：尺寸、形状、管脚数及排列顺序等。
2.电气特性：指总线的每一根传输线上的传输方向和有效的电平范围。
通常规定：由CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。
3.功能特性：指总线上每根传输线的功能：数据、地址、控制
4.时间特性：指总线上的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号互相
存在一种有效时序的关系。（信号的前后时序关系）
           

（三）总线的性能标准

1.总线宽度：数据总线的根数。
2.总线带宽：
	（1）总线上每秒传输的最大字节数（MBps）
	（2）总线带宽 = 总线宽度（位）/8*总线时钟频率。
3.时钟同步/异步:总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，
				与时钟不同步工作点总线称异步总线。
4.总线复用：数据线和地址线的复用
	为了提高总线的利用率，优化设计，特将地址总线和数据总线共用一组物理
线路，只是某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。
5.信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
6.总线控制方式：突发工作、仲裁方式等
7.其他指标：负压能力、电源电压、总线宽度能否扩展等
           

总线带宽举例：

（四）总线标准

1.概念：系统与模块、模块与模块之间的一个互联的标准界面，能够隐藏符合标准
的部件内部的操作细节。
           

总线结构

单总线结构：

特点：访问存储器和访问外设指令相同，由地址来区分；结构简单，便于扩充；
分时，传输速率低，容易形成瓶颈。
           

多总线结构：

双总线结构：

特点：.将速度较低的设备从主存总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的
结构。由于外设和内存分处于不同的总线，需要增加I/O指令。
           

三总线结构：

1.特点：主存总线用于CPU和主存交换信息，I/O总线用于CPU和I/O设备间传送信息，
DMA总线负责在主存和I/O设备间直接传递信息。
2.在三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。主存总线与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。
           

三总线结构的又一形式：

1.特点：处理器采用局部总线连到cache，再利用系统总线连接主存，通过扩展总线
接口连接其他接口(可支持多个I/O设备)
           

四总线结构：

特点：系统把设备总线分为两个层次，高速设备连接高速总线，低速设备连接扩展
总线，各总线直接由桥连接。
           

传统微型机总线结构：

VL-BUS局部总线结构：

PCI总线结构：

多层PCI总线结构：

总线控制

总线判优控制

# 基本概念
	当多个主设备同时申请使用总线时，总线判优逻辑电路按照一定的优先级顺序
	来确定哪个主设备可以使用总线。

# 设备对总线的控制功能：
主设备(模块)
	对总线有控制权，可以发起信息传送。
从设备(模块)
	只能响应从主设备发来的总线命令。

# 总线判优控制的分类：集中式和分布式
集中式：将控制逻辑集中在一处(如CPU中)
分布式：将控制逻辑分散在总线连接的各个部件或设备上。
           

# 集中式有三种优先权判优方式：
链式查询：自动支持优先级，连接简单，易于扩充设备，但对电路故障敏感，而且
优先级低的设备获得请求更难。(结构最简单)
计数器定时查询方式：对故障不敏感，但是增加了设备地址线，控制复杂。
独立请求方式：响应速度快，优先次序控制灵活，但是控制线数目多，总线控制逻辑
更加复杂。
           

链式查询：

计数器定时查询方式：

独立请求方式：

# 三种集中式仲裁方式优缺点比较：
	 链式查询方式
设备的优先权与总线控制部件的距离有关；
优点：硬件连接简单，判优容易，设备增删容易；
缺点：对电路故障敏感，优先级固定； 
	 计数器定时查询方式
设备的优先权由计数值决定，计数值为0时同链式查询方式；
优点：优先权控制灵活，对电路故障不敏感；
缺点：硬件成本增加，控制复杂度高；
	 独立请求方式
设备的优先权由总线控制部件的内部排队电路决定；
优点：响应时间快，即确定优先响应的设备花费的时间少；对优先次序的控制也是
相当灵活的； 
缺点：硬件复杂度高。
           

总线通信控制

# 目的：解决通信双方 协调配合 问题
# 总线周期：即完成一次总线操作的时间
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**
           

总线通信的四种方式：

同步通信：

**同步通信**： 通信双方由**统一时标**控制数据传送，即发送时钟信号来同步
数据传送。
	1.优点：规定明确、统一，模块间配合简单一致。
	2.缺点：主从模块的时间配合属于"强制性同步",对于速度不同的部件而言，
严重影响总线工作效率，缺乏灵活性。
	3.适用场合：总线长度短(**短距离**)，各**部件存取时间一致**的场合。
           

同步通信(读)：

T1上升沿：主设备给出地址信号

T2上升沿：主设备给出读信号

T3上升沿：从设备给出数据信号

T4上升沿：数据信号和控制信号撤销

T4结束前：地址信号撤销

同步通信(写)：

T1上升沿：主设备给出地址信号

T1下降沿：给出数据

T2上升沿：给出写命令

T2，T3上升沿 ：写入操作

T4上升沿：撤销数据，撤销写命令

T4结束前：撤销地址信号

例题：

异步通信：

**异步通信**：采用**应答方式**，没有公共时钟标准。
	1.应答方式：又称握手方式，即主模块发出请求，从模块响应，然后开始通信。
	2。应答方式分类：不互锁、半互锁和全互锁。
	(1)不互锁：
		特点:
		①主设备请求信号的撤除与是否收到应答无关；
		②从设备应答信号的撤除与主设备是否撤除请求信号无关；
		举例：单机系统中，CPU向主存写信息，所给出的地址、数据、写命令以及
	写入数据。
	(2)半互锁：
		特点：
		①主设备请求信号的撤除必须在收到应答信号后；
		②从设备应答信号的撤除与主设备是否撤除请求信号无关；
		举例：多机系统中，CPU访问共享存储器，发出访存请求后，必须收到未占
	用的应答信号方可进行访存。
	(3)全互锁：
		特点：
		①主设备请求信号的撤除必须在收到应答信号后；
		②从设备应答信号的撤除必须得到主设备撤除请求信号后；
		举例：网络通信。
	3.特点：没有同步时钟，不需要传送同步信号，因此被传送的字符有格式要求。
	4.格式：1个起始位（低电平），5-8个数据位，1个奇偶校验位，1或1.5或2个
终止位（高电平）。**起始位后紧跟传送字符的最低位**。
	5.帧：起始位和终止位构成的一帧，两帧之间的间隔可以是任意长度。
	6.波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，单位为bps（位/秒），记作波
特。
	7.比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位依然是bps
           

例题：

半同步通信：

半同步通信：**同步、异步结合，插入等待周期**。
	同步： 发送方 仍然发送时钟信号。
	异步： 接收方 根据自身情况反馈信息给发送方，使发送方进行相应调整。
			增加一条“等待”响应信号 WAIT
	主体同步，细节异步
	特点：允许不同速度的模块和谐工作
	优点：控制方式比异步通信简单，可靠性高。
	缺点：对系统时钟频率不能要求太高，系统工作速度不高，
           

WAIT信号已经给出

例子：

T1     主模块发地址
T2     主模块发命令
Tw     当   WAIT  为低电平时，等待一个 T
Tw     当   WAIT  为低电平时，等待一个 T
…
T3     从模块提供数据
T4     从模块撤销数据，主模块撤销命令
           

半同步通信(同步、异步结合)

上述三种通信的共同点：

分离式通信：

分离式通信：传输周期划分为功能独立的子周期。充分挖掘系统总线每一个瞬间的潜力。

每个总线传输周期分为两个子周期。
子周期1：主模块 申请 占用总线，使用完后即 放弃总线 的使用权
子周期2：从模块 申请 占用总线，将各种信息送至总线上

特点：1.各模块有权申请占用总线。
	  2.采用同步通信方式，不等对方回答。
	  3.各模块准备数据时，不占用总线。
	  4. 总线被占用时，无空闲。
           

小记

1.挂接在总线上的多个部件只能分时向总线发送数据，但可同时从总线接收数据。
2.系统总线中地址线的功能是：用于选择指定存储单元和I/O设备接口电路的地址。
3.衡量总线本身所能达到最高传输速率的重要指标是：总线带宽
4.在计算机的总线中，不同信号在同一条信号线上分时传输的方式称为：总线复用
5.CPU对DMA控制器初始化，并向I/O接口发出操作命令，I/O接口提出DMA请求。
6.DMA总线用于主存和I/O设备之间交换信息。
7.在三种集中式总线控制中，链式查询方式对电路故障最敏感。
8.在计数器定时查询方式下，若每次计数都是从0开始，则  设备号越小优先级
越高。
9.一个总线周期包括 申请分配阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段。
10.同步通信之所以比异步通信具有较高的传输效率，原因是：
(1)同步通信不需要应答信号且总线长度较短
(2)同步通信用一个公共的时钟信号进行同步
(3)同步通信中，各个部件的存取时间较接近。
11.总线复用方式可以：减少总线中信号线的数量。
12.PCI总线是通过PCI桥路(包括PCI控制器和PCI加速器)与CPU总线相连。这种结构使
CPU总线与PCI总线相互隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速运行设备，并且
具有即插即用的特征。
           

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