【计算机组成】总线

系统总线的特性及应用⟳

总线概念：将计算机系统中各部件连接起来

如果说主板（Mother Board）是一座城市，那么总线就像是城市里的公共汽车（bus），能按照固定行车路线，传输来回不停运作的比特（bit）。一条线路在同一时间内都仅能负责传输一个比特。因此，必须同时采用多条线路才能传送更多数据，而总线可同时传输的数据数就称为宽度（width），以比特为单位，总线宽度愈大，传输性能就愈佳。总线的带宽（即单位时间内可以传输的总数据数）为：总线带宽 = 频率 x 宽度/8（Bytes/sec）。当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。

总线分类：（外部/内部，系统/非系统，串行/并行，同步/异步...）

• 按用途分类：
  • 存储总线：CPU 与存储器
  • 系统总线：连接存储总线和IO总线的中间总线
  • IO 总线：连接外部设备
• 按位置分类：
  • 外部总线：USB，火线（IEEE1394）
  • 内部总线：PCI（连网卡），AGB（连显卡）
  • （芯）片内总线：AMBA（ARM处理器）
• 按组成分类
  • 数据总线：传数据，双向三态
  • 地址总线：传地址，单向三态
  • 控制总线：控制信号和时序信号
  • 电源线和地线：略

总线性能和总线事物⟳

• 总线的性能参数
  • 总线频率：总线工作速率 f，单位是 MHz
  • 总线宽度：数据总线的宽度 w，单位是 bit
  • 总线传输速率：总线传输数据量 BW，单位是 MB/s。BW = w / 8 * f
• 总线事务
  • 概念：从请求总线到完成使用的操作序列（请求 - 裁决 - 地址传输 - 数据传输 - 总线释放）
  • 角色：主设备（CPU，DMA）和从设备
  • 四个阶段：请求与仲裁 - 传输 - 寻址 - 结束
  • 常见总线操作：读，写，读修改写，写后读，块操作

总线连接方式⟳

• 单总线结构
  

• 双总线结构
  

• 多总线结构
  
  　

• 总线桥：不同速率总线之间的连接，起速度缓冲、电平转换、控制协议转换的作用

  • 多级总线结构（南北桥）
    
  • 单总线结构
    
    　　　

• 总线结构对系统性能的影响

  	多总线	单总线
  对最大存储容量	不影响	因要与 IO 共享内存，影响
  对指令系统	增加 IO 指令	无 IO 指令
  对吞吐量	大	小

总线仲裁和数据传输方式⟳

• 菊花链式串行总线仲裁：简单，只要有一个主设备占用总线，其他就占不了
• 集中式并行总线仲裁：
  • 固定优先级策略：优先级高的主设备，总会优先控制总线权
  • 轮叫式策略：皇帝轮流做
  • LRG策略：最近获得控制权的，再获得控制权的优先级高（经常用的就更容易获得总线控制权）

总线标准⟳

• 概念：计算机各部件之间利用总线传输信息应遵守的协议和规范，包括硬件和软件两部分
• 常见的总线标准
  • 机箱内部总线：
  • ISA - EISA - VESA
    • ISA（Industrial Standard Architecture）：最早指定的总线技术标准，总线宽度 8/16位，频率 5-8MHz，带宽 5-8MB/s
    • EISA：宽度变成32位
    • VESA：宽度变成64位
  • PCI（PCIe） - AGP
    • 主要用于系统总线和 IO 总线，取代 ISA
    • 地址总线和数据总线分时复用，支持即插即用（自动寻找驱动程序）
    • 32/64位，133/264MB/s
  • 机箱外部总线：
    • USB 等...