第3章系统总线

2024-01-05 07:52:22

总线的基本概念

为什么要用总线

减少硬件间的连线数量

什么是总线

连接各个部件的信息传输线

是各个部件共享的传输介质

规范：一条总线只允许一对硬件进行传输，其余硬件需等待。

总线上信息的传送

串行
- 把要传输的信息一位一位的放到总线上，接收方再一位一位的接收
- 可长距离传输信息
并行
- 把要传输的信息多多位多位的放到总线上，接收方再多位多位的接收
- 长距离易损坏信息，但有特殊的处理方式

总线结构的计算机距离

单总线结构框图

不合理，若主存需要与其他硬件一起工作，CPU会停止运行
面向CPU的双总线结构框图

一条总线专门联通CPU和主存，解决了上图的问题

问题：主存与外部设备没有信息通路

以存储器为中心的双总线结构图

解决了上述问题

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(外部)
1. 数据总线 双向 与机器字, 存储字长有关
2. 地址总线 单项 与存储地址, I/O地址有关
3. 控制总线 有出 有入
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
- 传输方式：串行通信总线，并行通信总线

总线特性及性能指标

总线物理实现

总线就是印刷在主板上的

总线特性

机械特性
- 尺寸、形状、管脚数、线和线间的排列顺序
电气特性
- 传输方向和有效地电平范围
功能特性
- 每根传输线地功能
  - 地址
  - 数据
  - 控制
时间特性
- 信号地时序关系

总线的性能指标

总线的宽度
- 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
总线的控制方式
- 突发, 自动, 仲裁, 逻辑, 计数
其他指标
- 负载能力

总线标准

总线结构

单总线结构 把所有设备连接到一条总线上

多总线结构

双总线结构

三总线结构

三总线结构的又一形式

四总线结构

高速设备用高速总线,低俗设备用扩展总线

总线结构举例

传统微型机总线结构

VL-BUS局部总线结构

将高速设备与低速设备分离

PCI总线结构

将高速设备与低速设备分离

多层PCI总线结构

PCI总线的扩展,更适用于多设备

总线控制

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) 相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

链式查询

当借口发出占用总线的请求时, BR线被占用, 但并不知道哪两个设备需要占用总线, 此时BG线会从接口0一只运作到接口n, 直到找到占用设备为止.

优先级算法实现简单, 制作及扩展简单, 一般用在微型计算机或一些简单的嵌入式系统当中

计数器定时查询

BR发出总线请求，此时计数器从0开始（也可以通过软件设置计数器的初始值，已达到更灵活的优先级的目的），检测接口i是否发出请求，若没有发出请求，计时器+1，继续检测下一个接口

可较灵活地更改优先级，但设备地址地宽度，需要[log(n)]条线

独立请求方式

更灵活，寻找请求设备更快，总线控制部件 中内置 排队器，能高度自定义优先级，但需要多很多线（2n条）

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
传数阶段主模块和从模块交换数据
结束阶段主模块（和从模块）撤销有关系信息

总线通信的四种方式

同步通信：由统一时标控制数据传送
- 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
异步通信：采取应答方式，没有公共时钟标准‘
- 允许不同速度的模块和谐工作
- 增加一条“等待”响应信号WAIT，由从设备给出
半同步通信：同步，异步 结合
- T1 主模块法地址
- T2 主模块法命令
- Tw 等待一个T
- Tw 等待一个T
- ···
- T3 从模块提供数据
- T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令
分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力
- 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：
  - 各模块都有权申请占用总线，都能成为主模块
  - 采用同步方式通信，不等对方回答
  - 各模块准备数据时，不占用总线
  - 总线被占用时，无空闲

上述三种通信的共同点

一个总线传输周期
- 主模块发地址、命令：占用总线
- 从模块准备数据：不占用总线（总线空闲） |（分离式通信充分利用总线，无该步骤）
- 从模块向主模块发送数据：占用总线