第三章 总线

第三章 总线

目录

• 第三章 总线
  • 总线的基本概念
  • 总线的分类
  • 总线特性和性能指标
  • 总线结构
  • 总线控制

总线的基本概念

总线 bus：连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质

任何时刻只能有一对设备使用总线

总线上信息的传输

• 串行：一次一位，长距离
• 并行：一次多位，短距离

总线结构的计算机

• 单总线结构：CPU，主存和 IO 设备都连接在同一条总线上
  • 缺点：无法支持两对设备同时通信
• 面向 CPU 的双总线结构：从 CPU 延展出一条 IO 总线连接 IO 设备，一条 M 总线连接主存
  • 缺点：外部 IO 设备无法直接与主存交换数据
• 面向存储器的双总线结构：一条系统总线连接 CPU，主存和 IO 设备，一条存储总线连接 CPU 和主存
  • 主存仍然不能同时向系统总线和存储总线传输数据，但可以直接和 CPU 以及 IO 设备交换数据

---

总线的分类

• 片内总线：芯片内部的总线
• 系统总线：计算机各部件之间的信息传输线
  • 数据总线：双向，与机器和存储字长有关
  • 地址总线：单向，与存储地址，IO 地址有关
  • 控制总线：有出有入，传输控制信号
• 通信总线：计算机系统之间或计算机系统与其他系统
  • 串行通信总线
  • 并行通信总线

---

总线特性和性能指标

物理实现：印刷到主板

总线特性

• 机械特性：尺寸，形状，管脚数和排列顺序
• 电气特性：传输方向，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：信号之间的时序关系

性能指标

• 总线宽度：数据线的根数
• 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
• 时钟同步/异步：同步、不同步
• 总线复用：地址线和数据线复用
• 信号线数：地址线，数据线和控制线的总和
• 总线控制方式：突发，自动，仲裁，逻辑，计数
• 其他指标：负载能力

---

总线结构

多总线结构

• 双总线结构
  • 主存总线：连接主存和 CPU
  • IO 总线：连接 IO 设备
  • 通道：连接两条总线，具有特殊功能的处理器，一般由操作系统编写
• 三总线结构
  • IO 总线
  • 主存总线
  • DMA 总线：外部设备直接访问存储器内存，连接 IO 设备和主存
• 第二种三总线结构
  • 局部总线：连接 CPU 和 Cache（缓存）
  • 系统总线：连接主存和 Cache
  • 扩展总线：连接各种外设
• 四总线结构
  • 局部总线
  • 系统总线
  • 高速总线：连接高速外设
  • 扩展总线：连接低速外设

---

总线控制

总线判忧控制

• 主设备（模块）：对总线有控制权
• 从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令
• 判忧控制方法
  • 集中式
    • 链式查询
    • 计数器定时查询
    • 独立请求方式
  • 分布式

链式查询方式

• 总线控制部件
  • 数据线
  • 地址线
  • BS 线：总线忙（正在工作）
  • BR 线：总线请求
  • BG 线：总线同意，依次连接每个 IO 设备，链式查询每个设备是否提出请求
• 优先级：BG 线的连接方式决定了各 IO 设备的查询顺序，先查询的优先级高
• 特点：结构简单，故障敏感（一个设备损坏其余都不能用），速度慢

计数器定时查询方式

• 总线控制部件
  • 计数器
  • 数据线
  • 地址线
  • BS 线：总线忙（正在工作）
  • BR 线：总线请求
  • 设备地址线：查找某个设备是否发出请求
• 控制过程：检测到 BR 线有请求后启动计数器，通过设备地址线查询该设备是否提出请求，不是则计数器自加，查询下一个设备直到查询到提出请求的设备
• 特点：优先级确定灵活（由计数器初始值决定）

独立请求方式

• 总线控制部件
  • 排队器
  • 数据线
  • 地址线
  • BG 线：总线同意，每个设备一条
  • BR 线：总线请求，每个设备一条
• 控制过程：排队器接收所有请求，排队后发出应答
• 特点：优先级灵活，线数目大，速度快

总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合的问题

总线传输周期

• 申请分配阶段：主模块申请
• 寻址阶段：主模块给出地址和命令
• 传输阶段：传输数据
• 结束阶段

总线通信的方式

• 同步通信：由统一时标控制
• 异步通信：采用应答方式
• 半同步：结合同步异步
• 分离式通信：从分挖掘系统总线每个瞬间的效能

同步通信

• 采用定宽定长的时钟信号控制
• 对应时间点给出对应的控制信号
• 速度不同的模块也需要强制同步（速度由最慢的模块决定）

异步通信

• 不互锁
  • 请求线：主设备发出请求
  • 应答线：从设备接收到请求后发出应答
  • 不论是否接收到，一段时间后都会撤销
• 半互锁：主设备接收到应答信号之后才撤销请求，否则会一直保持请求，从设备发出应答信号后一段时间不管主设备是否收到都会撤销
• 全互锁：主设备接收到应答信号才会撤销请求，从设备确认主设备接收到应答信号后才会撤销应答

半同步通信

• 从模块可以发出 wait 信号，当从模块的速度与主模块不一致时可以发送 wait 信号让主模块等待一个时钟周期

三种通信的共同点

• 主模块发出地址，命令：占用总线
• 从模块准备数据：不占用总线
• 从模块向主模块发送数据：占用总线

分离式通信

• 在主模块发完地址和命令后就断开与总线的连接
• 从模块准备完数据后向总线发送占用请求
• 特点
  • 每个模块都可以申请占用总线
  • 采用同步方式通信，不等待回答
  • 各模块准备数据时不占用总线
  • 总线被占用时不会空闲