计算机组成原理之系统总线

1、总线的基本概念

1.为什么要用总线？

冯诺依曼将计算机分为五部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。要将这些设备连接起来需要较多的通路。

2.总线

总线式连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

3.总线上信息的传送

串行：一次传输一位信号。

并行：传输距离较短，

4.总线结构的计算机举例

4.1 单总线结构框图

4.2 面向CPU的双总线结构框图

4.3 以存储器为中心的双总线结构框图

2、总线的分类

1.片内总线：芯片内部的总线

2.系统总线：计算机各部件之间的信息传输线

• 数据总线：双向与机器字长、存储字长有关
• 地址总线：单向与存储地址、I/O地址有关
• 控制总线：有出、有入

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（如控制仪表、移动通信等）之间的通信

• 串行通信总线
• 并行通信总线

3、总线特性及性能指标

1.总线物理实现

2.总线特性

• 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
• 电器特性：传输方向和有效电平范围
• 功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
• 时间特性：信号的时序关系

3.总线的性能指标

• 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：地址线与数据线复用
• 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

4.总线标准

总线标准	数据线	总线时钟	带宽
ISA	16	8MHz(独立)	16MBps
EISA	32	8MHz(独立)	33MBps
VESA(VL-BUS)	32	32MHz(CPU)	132MBps
PCI	32 64	33MHz(独立) 66MHz(独立)	132MBps 528MBps
AGP	32	66.7MHz(独立) 13MHz(独立)	266MBps 533MBps
RS-232	串行通信 总线标准	数据终端设备(计算机)和数据通信设备(调制解调器)之间的标准接口
USB	串行接口 总线标准	普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高	1.5Mbps(USB1.0) 12Mbps(USB2.0) 480Mbps(USB3.0)

4、总线结构

1.单总线结构

2.多总线结构

双总线结构 三总线结构 I/O总线、 四总线结构

5、总线控制

1.总线判优控制

基本概念

• 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
• 总线判优控制
  • 集中式：
  • 链式查询
  • 计数器定时查询
  • 独立请求方式
  • 分布式

2.总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合问题

总线传输周期：

• 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
• 传输阶段：主模块和从模块交换数据
• 结束阶段：主模块撤销有关消息

总线通信的四种方式

• 同步通信：由统一时标控制数据
• 异步通信
• 半同步通信
• 分离式通信

（1）同步式数据输入

（4）半同步通信（同步、异步结合）

同步 发送方用系统时钟前沿发信号
  接收方用系统时钟后沿判断、识别

异步 允许不同速度的模块和谐工作
  增加一条“等待”响应信号 WAIT

上述三种通信的共同点：

一个总线传输周期（以输入数据为例）

• 主模块发地址、命令（占用总线）
• 从模块准备数据（不占用总线）
• 从模块向主模块发数据（占用总线）

（5）分离式通信

充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

一个总线传输周期：

• 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. 采用同步方式通信，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