计算机组成原理-总线系统
第六章 总线系统
总线的概念和结构形态
总线：构成计算机系统的互联机构，是系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路
总线的分类
- 按传送信息分：数据总线、地址总线、控制总线
- 按连接部件分：内部总线、系统总线、通信总线
- 地址总线：单向，三态总线，用于传送地址信息；其位数直接决定了可寻址的范围
- 数据总线：双向，三态总线，用于传送数据信息；一般同机器字长同位（8，16，32，64等），其位数决定了运算规模和精度
- 控制总线：传送控制、状态信息；其类型决定计算机的特色，位数不定
- 内部总线：各芯片内部逻辑器件的连接总线，如CPU内ALU运算单元与寄存器的连接
- 系统总线：计算机各功能部件的连接总线，如CPU与主存的连接
- 通信总线：微机系统与微机系统、其他设备之间的连接总线
总线的特性
物理特性：总线的位数，总线插头、插座的形状，引脚的排列方式等；
功能特性：确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等；如传送数据、地址、控制信号；
电气特性：规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容；
时间特性：总线上各信号有效的时序关系；
总线标准
为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的；
主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。
总线标准的来源，一般是权威组织公布的标准，或者是实际存在的工业标准
典型的标准总线：ISA，EISA，PCI等；按照总线标准设计的接口是通用接口。
ISA总线
16位的总线结构，并保持了对8位总线的兼容结构
ISA总线设计为长短插槽形式：分为前62管脚，后36管脚
前62管脚的长插槽：信号分布与功能含义大致与PC总线相同；
后36管脚的短插槽：ISA总线新增，分为C、D列，各18个管脚；
EISA总线
EISA总线是ISA总线的扩展：
- 数据总线从16位变为32位，地址总线从24位变为32位；
- 增加了突发式传送（Burst Transfer，又称猝发式传送）；
- 支持多处理器的高性能32位标准总线。
EISA总线扩展槽的插脚分上、下两层；
- 上层同ISA总线的兼容；
- 下层是EISA总线新增的信号；
PCI总线
PCI总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准，是基于奔腾处理器而发展的总线。
PCI 总线的主要性能
- 数据总线32位（5V） ，可扩充到64位（3.3V） ；
- 最多支持10 台外设；
- 总线时钟频率33MHz/66MHz；
- 支持突发式传送，最大数据传输速率528MB/s；
- 能自动识别外设，硬件插卡自动识别、配置，即插即用；
- 独特的中间缓冲器设计方式，独立于 CPU，并将CPU子系统与外设分开；
- 支持多主设备系统；
PCI总线中提出了“桥”的概念
- “桥”——连接两条总线，使总线之间互相通信；
- PCI总线是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。
桥的类型
- 主桥：连接CPU和基本PCI总线，也称为“北桥”；
- 标准总线桥：连接PCI总线和其他标准IO总线；
- PCI桥：连接两条PCI总线；
2，3统称为南桥
总线的性能指标
总线宽度：一次总线操作中，最多可传送的数据位数。
总线周期：一次总线操作所需要的最小间隔时间。总线周期与总线的时钟频率成反比，即T=1/f
寻址能力：取决于地址总线的根数。PCI总线的地址总线为32位，寻址能力达4GB。
负载能力：总线上能够连接的设备数。
传输率：也称为总线带宽，通常指总线所能达到的最高数据传输率，单位是Bps（每秒传送字节数）
计算公式：Dr=D×f /N
D——数据宽度； f——总线时钟频率；
N——完成一次数据传送所需的时钟周期数。
PCI总线1.0版的总线带宽132MBps
是否支持突发传送
总线上数据传送方式：
正常传送——每个传送周期先传送数据的地址，再传送数据。
突发传送——支持成块连续数据的传送，只需给出数据块的首地址，后续数据地址自动生成。
PCI总线支持突发传送，ISA不支持。
总线连接方式
单总线结构：使用一条总线来连接CPU、内存、I/O设备；
特点：简单易行，系统总线负载重
双总线结构：在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。
三总线结构：在各外部设备与通道之间增加一组I/O总线。
系统总线负责CPU、主存、I/O通道；
存储总线负责连接CPU和主存
I/O总线负责连接各I/O适配器
多总线结构：通过桥将多总线彼此相连。
现代总线
多采用标准总线，与结构、CPU、技术无关，又被称为底板总线
现代总线可分为四部分：
数据传送总线：地址总线、数据线、控制线；
仲裁总线：总线请求线、总线授权线；
中断和同步总线：中断请求线、中断认可线；
公用线：时钟信号、电源等
