第六章 总线

总览

1. 总线概述
   1. 总线的基本概念
   2. 总线的分类
   3. 总线的组成及性能指标
   4. 总线的结构
2. 总线仲裁
   1. 集中仲裁机制
   2. 分布仲裁机制
3. 总线操作和定时
   1. 同步定时方式
   2. 异步定时方式
4. 总线标准

 

 

1. 总线概述
   1. 总线的基本概念

      总线是连接多个不剪的信息传输线，是各不剪共享的传输介质。分时和共享是总线的两个特点。

          分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息。如果系统中有多个部件，则他们只能分时地向总线发送信息。

          共享是指总线上可以挂载多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组线路分时共享。同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个不剪可以同时从总线上接受信息。

       

      1. 总线的传输周期。指CPU通过总线对存储器或I/O端口进行一次访问所需的时间，包括总线申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段。
      2. 总线宽度。
      3. 总线特性。机器特性、电器特性、功能特性、时间特性。
   2. 总线的分类
      1. 按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。
      2. 按总线的使用范围可分为计算机总线、测控总线等。
      3. 按连接部件不同可以分为片内总线、系统总线、通信总线等。
         1. 片内总线：芯片内部的总线。
         2. 系统总线：连接五大部件之间的信息传输线。按系统总线传输信息的不同，可分为：数据总线、地址总线和控制总线。
            1. 数据总线：用来传送各功能部件之间的信息数据，他是双向传输总线。
            2. 地址总线：单向传输总线。主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。
            3. 控制总线：由于数据总线和地址总线被所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权，还需要控制总线来完成，因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。
         3. 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。分为串行通信和并行通信。
   3. 总线的组成及性能指标
      1. 总线的组成：通常一组控制线、一组数据线、一组地址线。某些总线没有单独的地址线，地址信息也通过数据线来传送，称为数据线和地址线复用。
      2. 性能指标
         1. 总线宽度。通常是指数据总线的根数
         2. 总线带宽。单位时间内总线上传输数据的位数。
      3. 总线复用。
      4. 信号线数。地址总线、数据总线和控制总线3中总线数的总和。
   4. 总线的结构
      1. 单总线结构

         将CPU、主存、I/O设备都链接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。结构简单，容易扩充外部设备。缺点是所有嘻嘻传送都通过这组共享总线，不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传送信息，效率低。

             特点：由于I/O设备与主存公用一组地址线，因此主存和I/O设备是统一编址的，CPU可以想访问内存一样访问外部设备。

      2. 双总线结构

         特点：将速度较低的I/O设备从单总线中分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。

      3. 三总线结构

         与双总线结构相比，三总线结构增加了一条小路（DMA总线），专门用于I/O高速设备与主存之间直接交换信息。在三总线结构中，任意时刻只能使用一种总线。

2. 总线仲裁

   确定同时竞争总线控制权时，可以获得控制权的设备

   1. 集中仲裁机制
      1. 链式查询方式
         1. 优先级判别方式：离总线越近优先级越高，反之，越低。
         2. 优点：只需要3根控制线就能按一定的优先级实现总线控制，结构简单，易扩充。
         3. 缺点：对电路敏感；当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。
      2. 计数器查询方式
         1. 优先级判别方式：当总线控制器收到总线请求信号判断总线不忙时，计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各个部件。当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权。同时，种质计数器的计数及查询工作。

            计数器有两种计数方式：1. 计数器每次判优都从"0"开始，此时一旦设备的有限顺序被固定后，设备的优先级就按0,1,2,…,n的顺序降序排列，永远不能改变；2. 计数器也可以从上一次的终点开始计数，此时所有设备使用总线的优先级相等。

         2. 优点：各设备的有衔接顺序可以改变，且对电路的故障不如链式查询方式敏感。
         3. 缺点：增加了控制闲，控制也比链式查询复杂。
      3. 独立请求方式
         1. 优先级判别方式：当总线上的部件需要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队。当总线控制器按一定的有限顺序决定批准某个部件的请求时，则给该部件发送总线响应信号，该部件接到次信号就获得了总线使用权，开始传输数据。
         2. 优点：响应时间很快，对优先级顺序的控制相当灵活。
         3. 缺点：控制线数量很多（n个设备需要2n根控制线），总线控制更复杂。
   2. 分布仲裁机制

      不需要中央仲裁器，每个主模块都有自己的仲裁号和仲裁器，多个仲裁器竞争使用总线。当他们有总线来请求时，把他们各自位置的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较。若仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

3. 总线操作和定时
   1. 总线周期的概念
      1. 申请分配阶段。由需要使用总线的主模块，经总线仲裁及其决定下一个传输周期的总线使用权授予某一个申请者。
      2. 寻址阶段。取得了使用权的主模块通过总线发憷本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
      3. 传送数据阶段。主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线流入目的模块。
      4. 结束阶段。主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。
   2. 同步定时方式
   3. 异步定时方式
      1. 不互锁方式
      2. 半互锁方式
      3. 全互锁方式
4. 总线标准
   1. 系统总线标准
      1. ISA
      2. EISA
      3. VESA
      4. PCI
      5. PCI-E
   2. 设备总线标准
      1. IDE
      2. AGP
      3. USB
      4. SATA