总线系统

总线的概念和结构形态

总线的基本概念

• 定义

  计算机的若干功能部件之间不可能采用全互联形式，因此就需要有公共的信息通道，即总线

• 分类

  • 内部总线：CPU 内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线。
  • 系统总线：外部总线。CPU 和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。
  • I/O 总线：中低速 I/O 设备相互连接的总线

• 特性

  • 物理特性：物理连接方式
  • 功能特性：64 位 blabla
  • 电气特性：信号传递方向，有效电平范围
  • 时间特性：每根总线在什么时间有效

• 标准化

  • 总线标准，如 PCI、ISA 等
  • 简化系统设计
  • 简化系统结构，提高系统可靠性
  • 便于系统的扩充和更新

• 总线带宽（重要）

  • 总线本身所能达到的最高传输速率，单位 MB/s
  • 一次操作可以传输的数据位数
  • 如 S100 为 8 位，ISA 为 16 位，EISA 为 32 位，PCI-2 可达 64 位。
  • 总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。

总线的连接方式

适配器（接口）：实现高速 CPU 与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。

单总线

使用一条单一的系统总线来连接 CPU、内存和 I/O 设备

• 结构特点

  在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权

  而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟

多总线

在 CPU、主存、I/O 之间互联采用多条总线

高速的 CPU 总线：CPU 和 cache 之间采用

系统总线：主存连在其上

高速总线上可以连接高速 LAN（100Mb/s 局域网）、视频接口、图形接口、SCSI 接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire 接口（支持大容量 I/O 设备）。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的 I/O 设备。

通过桥 CPU 总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。

多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。

总线的内部结构

地址线单向，数据线双向

早期总线结构的不足之处

• CPU 是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的 DMA 控制器以支持 DMA 传送，但仍不能满足多 CPU 环境的要求。

• 总线信号是 CPU 引脚信号的延伸，故总线结构紧密与 CPU 相关，通用性较差。

构成

• 数据传送总线：地址线、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：CP 线、电源线、地线、复位线等

总线接口

信息传送方式

• 串行（先低后高）

• 并行

• 分时（复用：既传地址又传数据）

串行

使用一条传输线，采用脉冲传送。

低位在前，高位在后

主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。

缺点就是速度慢

并行

每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送

分时

总线复用或是共享总线的部件分时使用总线

拆卸和装配

拆卸：并的数据拆成一位位

装配：一位位传数据组装起来

总线接口的基本概念

接口是 CPU 和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件

接口功能

控制、缓冲、状态、转换（串并）、整理、程序中断

分类

串行数据接口、并行数据接口

系统总线接口、外部设备接口

例

波特率：每秒传送 bit 位数，一般用于串行

总线的仲裁

一次总线操作：一主多从。多个 CPU 和 IO 模块竞争控制权，产生仲裁

为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件

集中式仲裁

总线请求信号线 BR，总线授权/响应信号线 BG，busy 标志 BS

链式查询方式

越近的优先级越高

• 优点
  • 线少
  • 易扩充
• 缺点
  • 是对询问链的电路故障很敏感
  • 优先级固定

计数器定时查询方式

查询时，计数器开始计数，直到计数值与设备地址匹配

计数器从 0 开始同菊花链，从中止点开始优先级相等

• 特点
  • 灵活

独立请求方式

n 条 BR 和 n 条 BG，排队电路根据优先次序决定响应

• 特点
  • 速度快

分布式仲裁

每个主方都有仲裁号和仲裁器。仲裁总线上号最大的胜出，否则自动撤出。

总线的定时和数据传送模式

总线传输信息步骤：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回

总线定时

同步定时

事件出现由总线时钟信号确定。适用于总线长度短、存取时间相近的情况

异步定时

允许将快速和慢速的设备都连一起。不需要时钟信号，应答式。周期长度可变，但总线复杂成本高。

总线数据传送模式

• 读、写操作：读操作两次竞争总线。
• 块传送操作：猝发式传送，连续读（写）四倍字长。
• 写后读、读修改写操作：用于校验和保护共享资源。
• 广播、广集操作：广播多从进行写操作；广集多从读进行逻辑与或检测中断。