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  • 计组期末复习之第六章:总线系统
    2020-12-01 20:06:37

    计组第六章:总线系统

    总线

    • 是计算机系统中多个功能部件之间进行数据传送的公共通路

    6.1 总线系统概述

    总线

    • 是构成计算机系统的互连机构

    • 特点

      • 公用性
    • 分类

      • 内部总线
        • CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线
      • 系统总线
        • CPU同计算机系统的其他功能部件(如存储器、通道等)连接的总线
      • 外部总线
        • 用来连接外部设备或其他计算机的总线, 又称为I/O接口
    • 特性

      • 物理特性
        • 总线的物理连接方式
      • 功能特性
        • 描述总线中每一根线的功能
      • 电气特性
        • 定义每一根线上信号的传递方向及有效电 平范围
      • 时间特性
        • 定义每根线在什么时间有效
    • 标准化

    • 主要参数

      • 总线宽度
        • 总线能同时传送的数据的二进制位(bit)数
      • 总线频率
        • 总线的实际工作频率
          • 一秒钟传输数据的次数
        • 工作频率越高,速度越快
        • 单位:MHz
      • 总线带宽
        • 总线本身所能达到的最高数据传输速率
          • 单位:MB/s
        • 总线带宽越宽,传输效率也就越高
        • image-20201201165155310
      • 内部结构
        • 早期
          • 数据总线
            • 在计算机系统各个部件之间传输数据信息的信号线
              • 双向
            • 数据线的根数称为数据总线的宽度
            • 每一根数据线每次传送1位二进制数
          • 地址总线
            • 在计算机系统各个部件之间传输地址信息的信号线
              • 单向
            • 地址总线的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量
          • 控制总线
            • 在计算机系统各个部件之间传输控制信息的信号线
              • 单向
                • 用来指明数据传送的方向、中断请求和定时控制等
            • 控制总线上传输的控制信息,其作用就是在计算机系统各个部件之间发送操作命令和定时信息
              • 命令信息
                • 规定了要执行的具体操作
              • 定时信息
                • 规定了数据信息和地址信息的时效性
          • 不足
            • CPU是总线上的惟一主控者
              • 不能满足多CPU环境要求
            • 总线信号是CPU引脚信号的延伸
              • 总线结构与CPU精密相关,通用性差
        • 当代
          • 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
            • 用于处理带优先级的中断操作
            • 包括
              • 中断请求线
              • 中断认可线
          • 公用线
            • 时钟信号线
            • 电源线
            • 地线
            • 系统复位线
            • 加电或断电的时序信号线
            • 等等
    • 总线接口

      • 原因
        • 必须寻找一种方法,将外围设备同某种计算机部件连接起来一同工作
        • 这项任务通常由**适配器(Adapter)**部件来完成
          • 实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步
          • 完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制
          • 通常有两个接口
            • 和系统总线的接口
              • 并行
            • 和外设的接口
              • 并行或串行
        • 适配器通常称为接口(Interface)
        • 接口就是指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件
      • CPU、接口和外围设备之间的连接关系
        • 外围设备本身带有自己的设备控制器
          • 通过接口接收来自CPU的各种信息,并将信息传送到设备
          • 或者从设备中读出信息传送到接口,然后由接口传送给CPU
        • 外围设备本身与它自己的控制电路,统称为外围设备
      • 功能
        • 控制
          • 接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作
        • 缓冲
          • 接口在外围设备和计算机系统其他部件之间起到缓冲器的作用
        • 状态
          • 接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息
        • 转换
          • 接口可以完成所要求的数据转换工作
        • 整理
          • 接口可以完成一些特别的功能
        • 程序中断
    • 总线的连接方式

      • 单总线结构

        • 使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备
        • image-20201201190954551
        • 优点
          • 容易扩展多CPU系统
        • 缺点
          • 只能分时工作
          • 信息传送吞吐量受限
      • 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
        • image-20201201191013266
        • 以增加硬件为代价的
      • 三总线结构

        • 在双总线系统的基础上增加I/O 总线

        • image-20201201191025706

        • 系统总线

          • CPU、主存和通道(IOP)之间进行数据传送的公共通路
        • I/O总线

          • 多个外围设备与通道之间进行数据传送的公共通路
        • DMA方式

          • 外设与主存间直接交换数据而不经过CPU,从而减轻了CPU对数据输入输出的控制

          通道方式

          • 进一步提高CPU效率
    • 多总线结构实例

      • CPU总线
        • 也称为CPU-存储器总线
        • CPU是这条总线的主控者,但必要时可放弃总线控制权
      • PCI总线
        • 用于连接高速的I/O设备模块
      • ISA总线
        • 早期的低速总线
      • “桥”芯片
        • “北桥”
          • CPU总线-PCI总线
        • “南桥”
          • PCI总线-ISA总线
      • PCI芯片组

    6.2 总线的控制与通信

    总线的控制

    • 决定共享总线的部件如何获得总线的使用权(控制权)的问题
    • 功能模块
      • 主动模式(主方)
        • 可启动一个总线周期
        • 每一次总线操作只能有一个主方占用总线控制权
      • 被动模式(从方)
        • 只能响应主方的请求
        • 每一次总线操作可以有多个从方
      • 宗总线仲裁部件
        • 选择一个主设备作为总线的下一个主方
        • 分类
          • 集中式仲裁
            • 链式查询方式
              • 通过接口的优先级排队电路来实现的
              • 优点
                • 只用很少几根线就能按一定的优先次序实现总线仲裁
                • 很容易扩充新的设备
              • 缺点
                • 对查询链的电路故障非常敏感
                • 查询链的优先级是固定的
            • 计数器定时查询方式
              • 总线上的任一设备需要使用总线时,通过BR线发出总线请求,BR线开始计数
            • 独立请求方式
              • 优点
                • 响应速度快
                  • 对优先次序的控制相当灵活
          • 分布式仲裁
            • 不需要中央仲裁器,每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器
            • 每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较
              • 总裁总线上的号大
                • 不予响应,并撤销其仲裁号
            • 以优先级仲裁策略为基础的

    总线的通信

    • 决定共享总线的各个部件之间如何进行通信、如何实现数据传输的问题
    • 阶段
      • 请求总线
      • 总线仲裁
      • 寻址(目的地址)
      • 信息传送
      • 状态返回(或错误报告)
    • 通信定时协议
      • 同步主从方的操作
    • 通信方式
      • 同步通信
        • 事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定
        • image-20201201194010398
      • 异步通信
        • 后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现
        • image-20201201194027435
        • 优点
          • 总线周期长度可变,不把响应时间强加到功能模块上
        • 缺点
          • 以增加总线的复杂度和成本为代价

    信息传送方式

    • 串行传送
      • 只有一条传输线,且采用脉冲传送
      • image-20201201194424630
      • 低位在前,高位在后,每位都需要一个位时间
      • 主要优点
        • 只需要一条传输线
    • 并行传送
      • 用并行方式传送二进制信息时,对应于每个数据位都需要一条单独的传输线
      • image-20201201195143509
      • 速度比串行快得多
    • 分时传送
      • 两种方式
        • 总线复用
          • 划分时间片
        • 分时使用总线

    6.3 总线系统实例

    ISA总线

    PCI总线

    AGP总线

    PCI Express总线

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  • 汽车中的电子部件越来越多,光是ECU就有几十个,这么多的电子...目前,有四种主流的车用总线:CAN总线、LIN总线、FlexRay总线和MOST总线。 用一张表格来说明各种总线的区别 LIN总线 LIN(Local Interconnec...

    汽车中的电子部件越来越多,光是ECU就有几十个,这么多的电子单元都要进行信息交互。传统的点对点通信已经不能满足需求,因此必须要采用先进的总线技术。

    车用总线就是车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通信网络。目前,有四种主流的车用总线:CAN总线、LIN总线、FlexRay总线和MOST总线。

    用一张表格来说明各种总线的区别

    LIN总线

    LIN(Local Interconnect Network)是面向汽车低端分布式应用的低成本(0.5美元),低速串行通信总线。它的目标是为现有汽车网络提供辅助功能,在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合使用,降低成本。

    LIN联盟成立于1999年,并发布了LIN01.0版本。最初的成员有奥迪、宝马、克莱斯勒、摩托罗拉、博世、大众和沃尔沃等。

    LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。这些优点是以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法为代价的。

    LIN包含一个宿主节点和一个或多个从属节点。所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从属通讯任务,而宿主节点还包含一个附加的宿主发送任务。在实时LIN中,通讯总是由宿主任务发起的。

    图 LIN总线结构

    除了宿主节点的命名之外,LIN网络中的节点不使用有关系统设置的任何信息。我们可以在不要求其它从属节点改变硬件和软件的情况下向LIN 中增加节点。

    宿主节点发送一个包含同步中断、同步字节和消息识别码的消息报头。从属任务在收到和过滤识别码后被激活并开始消息响应的传输。响应包含两个、四个或八个数据字节和一个检查和(checksum)字节。报头和响应部分组成一个消息帧。

    LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起,主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容,发送相应的帧头,并为报文帧分配帧通道。总线上的从机节点接收帧头之后,通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应。基于这种报文滤波方式,LIN可实现多种数据传输模式,且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。

    LIN总线物理层采用单线连接,两个电控单元间的最大传输距离为40m。其总线驱动器和接收器的规范遵从改进的ISO 9141 单线标准。基于SCI/UART( 通用异步收发接口的单总线串行通信)协议;目前几乎所有的微控制器芯片上都有SCI/UART接口。低传输速率、小于20kb/s、采用NRZ编码。

    LIN总线在汽车中的应用如下图所示。

    CAN总线

    CAN(Controller Area Network)即控制器局域网,可以归属于工业现场总线的范畴,通常称为CAN bus,即CAN总线,是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。

    CAN 最初出现在汽车工业中,80年代由德国Bosch公司最先提出。最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯,减少不断增加的信号线。

    CAN总线是一种串行数据通信协议,其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

    CAN总线的工作原理可由下面两图来说明。

    总结下,当一个节点要向其它节点发送数据时,该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时,网上的其它节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。

    CAN总线的结构是这样的。

    CAN总线的优点很多:

    ·通信速率最高可达1MB/s(此时距离最长40m)。

    · 节点数实际可达110个。

    · 采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个。

    · 每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,数据出错率极低。

    · 通信介质可采用双绞线,同轴电缆和光导纤维,一般采用廉价的双绞线即可,无特殊要求。

    · 节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响。

    FlexRay总线

    FlexRay总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准,专为车内联网而设计,采用基于时间触发机制,具有高带宽、容错性能好等特点,在实时性、可靠性和灵活性方面具有一定的优势。

    FlexRay总线数据收发采取时间触发和事件触发的方式。利用时间触发通信时,网络中的各个节点都预先知道彼此将要进行通信的时间,接收器提前知道报文到达的时间,报文在总线上的时间可以预测出来。即便行车环境恶劣多变,干扰了系统传输,FlexRay协议也可以确保将信息延迟和抖动降至最低,尽可能保持传输的同步与可预测。这对需要持续及高速性能的应用(如线控刹车、线控转向等)来说,是非常重要的。

    它采用了周期通信的方式,一个通信周期可以划分为静态部分、动态部分、特征窗和网络空闲时间4个部分。静态部分和动态部分用来传输总线数据,即FlexRay报文。特征窗用来发送唤醒特征符和媒介访问检测特征符。网络空闲时间用来实现分布式的时钟同步和节点参数的初始化。

    FlexRay具有高速、可靠及安全的特点. FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信,每一条的数据速率是10MBit/s。FlexRay还能够提供很多网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置,并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置,可支持各种拓扑,如总线、星型和混合拓扑。FlexRay本身不能确保系统安全,但它具备大量功能,可以支持以安全为导向的系统(如线控系统)的设计。

    宝马公司在07款X5系列车型的电子控制减震器系统中首次应用了FlexRay技术。此款车采用基于飞思卡尔的微控制器和恩智浦的收发器,可以监视有关车辆速度、纵向和横向加速度、方向盘角度、车身和轮胎加速度及行驶高度的数据,实现了更好的乘坐舒适性以及驾驶时的安全性和高速响应性,此外还将施加给轮胎的负荷变动以及底盘的振动均减至最小。

    MOST总线

    MOST 是一种专门针对车内使用而开发的、服 务于多媒体应用的数据总线技术。 MOST 表示“多媒体传输系统”。

    MOST 总 线利用光脉冲传输数据。MOST 总线采用环形 结构。在环形总线内只能朝着一个方向传输数 据。

    MOST的传输技术近似于公众交换式电话网络(Public Switched Telephone Network;PSTN),有着数据信道(Data Channel)与控制信道(Control Channel)的设计定义,控制信道即用来设定如何使用与收发数据信道。 一旦设定完成,资料就会持续地从发送处流向接收处,过程中不用再有进一步的封包处理程序,将运作机制如此设计,最适合用于实时性音讯、视讯串流传输。

    MOST在制订上完全合乎ISO/OSI的7层数据通讯协议参考模型,而在网线连接上MOST采用环状拓朴,不过在更具严苛要求的传控应用上,MOST也允许改采星状(亦称放射状)或双环状的连接组态,此外每套MOST传控网络允许最多达64个的装置(节点)连接。

    图 MOST总线的组成

    图 MOST总线的控制单元

    MOST也支持随插即用(Plug and Play;PnP)机制。

    MOST总线基于环形拓扑,从而允许共享多个发送和接收器的数据。MOST总线主控器(通常位于汽车音响主机处)有助于数据采集,所以该网络可支持多个主拓扑结构,在一个网络上最多高达64个主设备。

    MOST的总数据传输率为24.8Mbps,这已是将音视讯的串流资料与封包传控资料一并列计,在24.8 Mbps的频宽中还可区隔成60个传输信道、15个MPEG-1的视讯编码信道,这些可由传控设计者再行组态、规划与调配。

    由于这些优点,MOST是汽车电子中应用最多的最佳多媒体传控网络。

    总结

    CAN总线是中坚,LIN是CAN的副手,FlexRay是未来的希望,MOST则负责文化事业。这四种总线将在未来继续大放异彩。

     

    全文转自:

    https://www.sohu.com/a/114779468_464086

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  • Simulink 总线信号

    2021-04-25 01:06:35
    Bus Creator、Bus Selector 和 Bus Assignment 模块“Bus Creator、Bus Selector 和 Bus Assignment 模块”区域中的子系统显示如何使用 Bus Creator 模块创建总线信号使用 Bus Assignment 模块替换总线中的信号使用 ...

    Bus Creator、Bus Selector 和 Bus Assignment 模块

    “Bus Creator、Bus Selector 和 Bus Assignment 模块”区域中的子系统显示如何

    使用 Bus Creator 模块创建总线信号

    使用 Bus Assignment 模块替换总线中的信号

    使用 Bus Selector 模块从总线中选择信号

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    使用 Bus Creator 模块将与其输入相连的信号捆绑到一个总线中。一个总线信号表示一组信号,类似于捆绑在一起的一束电线。例如,Bus Creator 1 创建的总线信号包含连接到其输入端的两个信号:sine 和 chirp。您可以通过右键点击信号并从菜单中选择 Signal Hierarchy 来查看该信号的层次结构。您还可以创建嵌套总线。例如,sinusoidal 和 non-sinusoidal 是由 Bus Creator 3 创建的总线中的子总线信号。

    使用 Bus Assignment 模块替换连接到其 Bus 输入的信号中的一个或多个信号。例如,Bus Assignment 用新信号替换 Bus Creator 3 创建的总线中的信号 constant 和 non-sinusoidal。您可以使用 Bus Assignment 模块来替换叶信号和子总线信号。

    使用 Bus Selector 模块从与其输入相连的总线中提取一个或多个信号。例如,Bus Selector 选择 non-sinusoidal.pulse、sinusoidal.sine 和 constant 信号。您可以运行仿真以在示波器中可视化 non-sinusoidal.pulse 和 sinusoidal.sine 以及在显示画面中可视化 constant。

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    运行仿真后,查看 slexBusExample 中的信号线。请注意,有几个信号是用三条线绘制的。该信号线格式表示信号是总线信号。

    有关总线的详细信息,请参阅总线快速入门。

    组件接口上的总线元素端口

    “组件接口上的总线(总线元素端口)”区域中的子系统显示如何

    使用 Out Bus Element 模块创建总线信号

    使用 In Bus Element 模块从总线中选择信号

    Out Bus Element 模块

    第一个子系统由五个源模块和五个 Out Bus Element 模块组成。

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    Out Bus Element 模块类似于连接到 Outport 模块的 Bus Creator 模块。每个 Out Bus Element 模块都有一个标签。您可以在两种模式下显示此标签。在 Expanded Notation 模式下,标签由对应子系统端口的名称和确定总线中元素的点分隔字符串组成。例如,标签为 Out1.sinusoidal.sine 的 Out Bus Element 模块在名为 Out1 的输出端口上名为 sinusoidal 的子总线中创建一个名为 sine 的叶信号。在 Compact Notation 模式下,叶信号名称成为标签。您可以在 Expanded Notation 和 Compact Notation 之间切换。

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    在任一模式下,都可以直接编辑标签文本来更改在输出总线中创建的元素。

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    要在总线中创建新元素,请复制并粘贴一个 Out Bus Element 模块。要在子系统接口上创建新输出端口,请右键点击并拖动一个 Out Bus Element 模块,然后选择 Create New Port。

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    要查看由一组 Out Bus Element 模块创建的总线,请双击其中一个模块的图标以打开端口属性对话框。您可以突出显示连接到模块的信号,更改端口的名称和编号,更改模块的颜色,以及对总线中的信号进行重新排序。

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    In Bus Element 模块

    第二个子系统由两个 Scope 模块、一个 Display 模块和五个 In Bus Element 模块组成。

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    In Bus Element 模块类似于连接到 Bus Selector 模块的 Inport 模块。In Bus Element 模块的标签与 Out Bus Element 模块标签的工作方式相同。例如,标签为 In1.sinusoidal.sine 的 In Bus Element 模块在名为 sinusoidal 的子总线中选择一个名为 sine 的叶信号。

    要更改从输入总线中选择的元素,请直接编辑标签文本。如果总线已连接到对应的输入端口,您可以从可用信号列表中进行选择。

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    要从总线中选择新元素,请复制并粘贴一个 In Bus Element 模块。要在子系统接口上创建新输入端口,请右键点击并拖动一个 In Bus Element 模块,然后选择 Create New Port。要查看由一组 In Bus Element 模块访问的总线,请双击其中一个模块的图标以打开端口属性对话框。您可以更改端口的名称和编号,更改模块的颜色,并观察传入总线中是否存在任何缺失或未使用的信号。

    有关使用 In Bus Element 和 Out Bus Element 模块的详细信息,请参阅简化子系统总线接口。

    智能编辑以更快地执行常见总线工作流

    “使用总线的提示和技巧”区域中的子系统说明如何通过使用下列各项来加速执行常见的总线任务:

    使用“总线元素端口”智能编辑提示将 Bus Selector 和 Bus Creator 模块转换为 In Bus Element 和 Out Bus Element 模块

    使用“创建总线”智能编辑提示在子系统接口上创建总线,并将各个模块的输出捆绑到一个总线中

    自动端口创建,用于向 Bus Creator 模块添加新信号,以及从 Bus Selector 模块中选择新信号

    将 Bus Creator 和 Bus Selector 模块转换为 In Bus Element 和 Out Bus Element 模块

    您可以使用“总线元素端口”智能编辑提示来转换接口上使用 Bus Selector 和 Bus Creator 模块的现有子系统,转为使用 In Bus Element 和 Out Bus Element 模块。

    点击连接到 Inport 模块的 Bus Selector 模块或连接到 Outport 模块的 Bus Creator 模块。

    从操作栏中选择 Bus Element Ports。

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    将多个信号捆绑到一个总线中

    您可以使用“创建总线”智能编辑提示将多个信号捆绑到一个总线中。

    在感兴趣的信号周围拖动以形成一个选择框。

    从操作栏中选择 Create Bus。

    在子系统之间

    当在两个子系统之间执行时,此操作将源子系统和目标子系统中的 Inport 模块和 Outport 模块替换为 In Bus Element 模块和 Out Bus Element 模块。

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    子系统输入

    当在连接到某个其他非子系统模块的子系统的输入端执行时,此操作使用 Bus Creator 模块将所选信号捆绑到一个总线中,并使用 In Bus Element 模块替换子系统中的 Inport 模块。

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    子系统输出

    当在连接到某个其他非子系统模块的子系统的输出端执行时,此操作使用 Out Bus Element 模块替换子系统中的 Outport 模块,并插入 Bus Selector 模块以保持连接。

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    模块输出

    当在单个模块的输出端执行时,此操作会插入一个 Bus Creator 模块,调整其大小,并建立连接。

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    自动端口创建

    通过将信号线拖动到 Bus Creator 模块,可以向总线添加新信号。要从总线中选择新信号,请将一条信号线拖到 Bus Selector 模块,并从可用信号列表中选择所需的信号。

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  • 计算机系统总线

    千次阅读 多人点赞 2016-11-08 11:56:05
    数据总线的位数成为数据总线的宽度,他是衡量系统性能的一个重要参数。 地址总线 地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或者目的数据在主存储单元的地址或者I/O设备的地址。地址总线的数据用来指明CPU想要...

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    申明:这篇文章是我学习了哈尔滨工业大学计算机科学与技术系刘宏伟老师的mooc课程(参考教材为高教出版社出版的唐朔飞老师编写的《计算机组成原理(第二版)》)的课堂笔记整理(系统总线部分),其中的截图来自刘宏伟老师上课的PPT,版权归刘宏伟老师所有。
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    什么是总线?

    计算机系统的五大部件之间的链接方式有两种:第一种是各个部件之间使用单独的导线,这个称之为分散链接;另一种是将各个部件链接到一组公共的信息传输线上,这个称之为总线连接(BUS)。

    为什么需要总线?

    如果各个部件之间使用分散连接的话,那么计算机系统必然会因为众多的设备而导致拥有大量的数据导线,从而使得系统变得异常复杂,如果需要动态添加一个新的设备的话,会比较麻烦。

    总线上信息传输的方式

    总体来说,有两种方式:串行和并行。
    串行:数据一位一位地传递,只有上一位传送完毕之后下一位才能传递,通常由一根导线设计。如下图:
    这里写图片描述
    并行:数据中的很多位可以同时传输,使用多根导线制造设计。如下图:
    这里写图片描述
    两种方式比较如下:
    串行:优点:硬件设计简单,占用引脚较少,有利于集成。缺点:数据传输效率较低。
    并行:优点:数据传输效率较高,吞吐量大。缺点:硬件设计复杂,占用较多引脚,集成复杂。

    常见总线结构

    单总线结构

    这里写图片描述
    这种结构是最经典,也是最简单的结构。所有的设备,包括CPU,主存,各种I/O设备全部挂接在一条总线上。但是这种方式的效率底下,因为同时只能有一对设备使用总线进行数据传输,如果这对设备传输时间很长的话(比如CPU和主存之间的数据传输)那么这段时间内别的设备只能等待;另外多个设备之间可能存在严重资源使用冲突的问题。

    面向CPU的双总线结构

    这里写图片描述
    这种结构以CPU为中心,和上面的结构不同的是,这里主存不在挂在单一总线上了,而是设计了两个总线:I/O总线和M总线(Memory)。这样一来就把专门用于I/O设备数据传输的总线和存储总线分开了,解决了单一总线中因为CPU访问内存而导致系统总线负载较重的问题。
    但是这种结构也是有问题的,比如所有的I/O设备如果需要和主存交互的话,那么效率是比较低的,因为每次都需要CPU实际参与。

    以存储器为中心的双总线结构

    这里写图片描述
    还有一种以存储器为中心的双总线结构,如上图所示。它是在单总线的基础上又开辟一条CPU和主存之间的总线,称之为存储总线。这组总线速度高,只供主存和CPU之间传输信息。这样既提高了传输效率,有减轻了系统总线的负担,还保留了I/O设备与存储器之间交换信息时不经过CPU的特点。

    总线的分类

    总线应用广泛,从不同的角度可以有很多种分类方式。下面我们按照连接部件的不同,分为三类。

    片内总线

    片内总线是指芯片内部的总线,如在CPU芯片的内部,寄存器和寄存器之间,寄存器和运算逻辑单元ALU之间的都是由片内总线连接而成的。

    系统总线

    系统总线是指CPU,主存,I/O设备各大部件之间的信息传输线。由于这些部件通常安放在主板的各个插件板上,因此又称为板级总线或板间总线。按照系统总线传输的信息的不同,又可以分为三类:数据总线,地址总线,控制总线。

    数据总线

    数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息,他是一个双向的传输总线,其位数与机器字长,存储字长有关,一般为8位,16位或者32位。数据总线的位数成为数据总线的宽度,他是衡量系统性能的一个重要参数。

    地址总线

    地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或者目的数据在主存储单元的地址或者I/O设备的地址。地址总线的数据用来指明CPU想要访问的存储单元或者I/O端口的地址,由CPU输出,单向传输。数据线的位数代表着系统能够寻址的空间大小,比如地址线宽为20那么地址空间为2的20次方。

    控制总线

    我们知道,数据总线和地址总线是被挂在总线上的所有设备所共享的,那么这些设备之间怎么协调使用呢?答案就是控制总线,依靠控制总线来完成共享总线的占用申请。控制总线是发出各种控制信号的,因此它的传输方向就是单向的。但是,通常对于CPU而言的话,控制总线是既有输入,又有输出的。常见的控制信号有:时钟,复位,总线占用请求等等。

    通讯总线

    这类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讯,比如网络连接。这类通讯涉及许多方面,因此互相之间差别极大,传输的类别很多,但是总体可以分为两种:串行和并行。

    总线性能及指标

    总线的物理实现

    从物理角度看,总线有许多导线直接印在电路板上,延伸到各个部件,如下图显示了各个部件与总线之间的物理摆放位置:
    这里写图片描述
    图中的CPU,主存,I/O这些插板通过插头与水平方向总线插槽连接。因此,为了保证机械上的可靠连接,必须规定其机械特性;为了保证电气上的正确连接,必须规定其电气特性;为了保证正确地连接到不同部件,还需要规定其功能特性和时间特性。

    总线的特性

    机械特性

    指总线在机械连接方式的一些性能,如插头与插座的尺寸,形状,引脚个数以及排列方式等等。

    电气特性

    指总线的每一根传输线上的信号的传递方向和有效的电平范围。

    功能特性

    指总线中每个传输线的功能,确定其地址线,数据线,控制线。

    时间特性

    指总线中任何一根导线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号互相存在一种有效的时序关系,因此时间特效一般可以使用信号时序图表示。

    总线性能指标

    总体上,衡量总线的性能指标如下:
    这里写图片描述

    总线标准

    总线式在计算机系统模块化的发展过程中产生的,随着计算机应用领域的不断扩大,计算机系统中的各类模块品种极其复杂,往往每一个模块都要配置一种总线。为了使系统设计简化,模块生成批量化,人们发明了很多总线的标准,只要计算机系统厂商和模块生产厂商统一遵守这些标准那么系统集成是很容易的。目前主要的总线标准,数据宽度,时钟,带宽如下:
    这里写图片描述

    总线结构

    总线结构整体可以分为单总线结构和多总线结构。

    单总线结构

    整体结构如下图:
    这里写图片描述
    这是最简单的一种结构,计算机的各个部件均系统总线相连,所以它又称为面向系统的单总线结构。在单总线结构中,CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间都通过系统总线交换信息。单总线结构的优点是控制简单方便,扩充方便。但由于所有设备部件均挂在单一总线上,使这种结构只能分时工作,即同一时刻只能在两个设备之间传送数据,这就使系统总体数据传输的效率和速度受到限制,这是单总线结构的主要缺点。

    多总线结构

    双总线结构

    整体结构如下图:
    这里写图片描述
    这种结构的特点就是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来,形成主存总线和I/O总线分来的结构。图中的通道是一个具有特殊功能的处理器,CPU将一部分的功能下放给通道,使其对I/O设备具有统一管理的功能,以完成外部设备与主存之间的数据传送,增大系统性能。但是这种结构的问题是:不是所有的I/O设备的工作速度都是一样的,不同速度的I/O放在一个总线工作会大大影响效率。

    三总线结构

    整体结构如下图:
    这里写图片描述
    这个结构为高速I/O设备建立了一个到达主存的高速通道,称为DMA(直接存储访问)总线。这个结构中同时只能有一个总线在使用,主存总线与DMA总线不能同时访问主存,I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才能用到。

    三总线加强版

    下面是另外一种总线形式:
    这里写图片描述
    由图可见,处理器与cache之间有一个局部总线,它将CPU和cache或者更多地局部设备连接起来。Cache控制结构不仅将cache连接到局部总线上,而且还直接连接到系统总线上,这样cache就可以通过系统总线和主存交互,而且I/O设备与主存之间的交互也不必通过CPU。还有一条扩展总线,它将局域网,SCSI等接口连接起来,并且通过这些接口又可以与各类I/O设备连接,因此可以支持很多的外接设备。

    四总线结构

    为了进一步提高I/O设备的性能,使其更快地响应命令,又出现了四总线的结构,如下图:
    这里写图片描述
    这里又增加了一条与系统相连的高速总线,高速总线上挂了很多高速的I/O设备,他们通过cache控制机构中的高速总线桥或者高速缓冲器与系统总线和局部总线连接,使得这些高速设备和CPU更加密切。而一些较低速度的设备则放在了扩展总线上。这种结构对于高速设备而言,自身的工作可以很少依赖CPU,同时他们又比扩展总线上的设备更加靠近CPU,可见对于高性能设备与CPU来说,各自的效率将获得很大的提高。在这种结构中,CPU,高速总线的速度以及各自的信号线的定义可以完全不同,以至于各自改变结构也不会影响高速总线的正常工作。

    总线结构的几个例子

    传统微机总线结构

    这里写图片描述

    VL-BUS局部总线结构

    这里写图片描述

    PCI总线结构

    这里写图片描述

    多层PCI总线结构

    这里写图片描述

    总线控制

    由于总线上有很多的设备,什么时候由哪个设备占用总线发送信息,如何给信息发送定时,如何防止信息丢失,如何避免多个设备同时发送等等问题都需要总线控制器统一管理。它主要包括判优控制(或仲裁逻辑)和通讯控制。

    判优控制

    总线上的各类设备,按照其对总线有无控制权分为主设备和从设备。主设备有控制权,从设备没有,从设备只能响应从主设备发过来的命令。总线上的信息传送是由主设备发起的,如果某个主设备想和另一个从设备通讯时,首先由主设备发出总线控制请求,然后才能通讯。假如同时有多个主设备发起了总线控制请求,那么总线控制器就要按照一定的逻辑按照某个优先级顺序确定哪个主设备能够使用总线。
    常见的判优控制可以分类为:集中式和分布式,前者将控制逻辑集中在一起(比如在CPU中),后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部分或者设备上。下面我们简要介一下集中式的控制逻辑,通常来讲集控制逻辑分为以下三种。

    链式查询

    用3条控制线进行控制:
    BS(总线忙); BR(总线讲求); BG(总线允许).
    特征:将BG串行地从一部件(I/O接口)送到下一个部件,直到到达有请求的部件为止.
    优先权位置:离总线控制器最近的部件具有最高使用权,离它越远,优先权越低.
    电路:链式查询靠接口的优先权排队电路实现.
    逻辑如下图:
    这里写图片描述

    计数器定时查询

    总线上的任一设备要求使用总线时,通过BR线发出总线请求.中央仲裁器接到请求信号以后,在BS线为”0”的情况下让计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各设备.每个设备接口都有一个设备地址判别电路,当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备 置”1”BS线,获得了总线使用权,此时中止计数查询.
    逻辑如下图:
    这里写图片描述

    独立请求方式

    每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi. 当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号.总线控制器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求,给设备以授权信号BGi。它的优点是:响应时间快,确定优先响应的设备所花费的时间少,用不着一个设备接一个设备地查询.
    其次,对优先次序的控制相当灵活,可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序;还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法,不响应来自无效设备的请求.
    逻辑如下图:
    这里写图片描述

    三种方式的控制线数目比较

    链式查询方式——只用二根线.
    计数器定时查询方式——大致用㏒2n根线,n是允许接纳的最大部件数.
    独立请求方式——要用2n根线. ..

    通讯控制

    总线完成一次传输,分四个阶段:
    1. 总线裁决:决定哪个主控设备使用总线
    2. 寻址阶段:主控设备送出要访问的主存或设备的地址,同时送出有关命令(读或写等),启动从设备
    3. 数据传输阶段:主、从设备间进行数据交换
    4. 结束阶段:有关信息在总线上撤销,让出总线使用权
    总线通信控制的目的:
    解决主、从设备如何获知传输开始和传输结束,以及通信双方如何协调进行数据通信。
    有四种通信方式:
    这里写图片描述

    同步通讯

    控制线中有一个时钟信号线,挂接在总线上的所有设备都从这个公共的时钟线上获得定时信号,一定频率的时钟信号定义了等间隔的时间段,这个固定的时间段为一个时钟周期,也称总线周期。
    每种总线操作都有一个确定的通信协议(规定在每个时钟周期内交换哪些信息)。
    例如,在处理器-主存总线上执行存储器读操作,其协议为:在第1个时钟周期发送地址和存储器读命令,然后存储器被要求在第5个时钟将数据放到总线上。
    优点:速度快,并且接口逻辑很少(因为协议简单)。
    缺点:
    1. 总线上的每个设备必须以同样的时钟速率进行工作。
    2. 由于时钟偏移问题,同步总线不能很长.
    操作逻辑如下(读操作):
    这里写图片描述

    异步通讯

    非时钟定时,没有一个公共的时钟标准。因此,能够连接带宽范围很大的各种设备。总线能够加长而不用担心时钟偏移问题。
    采用握手协议(应答方式)。由一系列步骤组成,只有当双方都同意时,发送者或接收者才会进入到下一步,协议通过一对附加的“握手”信号线(Ready、Ack)来实现。
    异步通信有非互锁、半互锁和全互锁三种方式:
    这里写图片描述
    优点:灵活,可挂接各种具有不同工作速度的设备。
    缺点:
    1. 对噪声较敏感。
    2. 接口逻辑较复杂。

    半同步通讯

    为解决异步通信方式对噪声敏感的问题,一般在异步总线中引入时钟信号,就绪和应答等定时信号都在时钟的上升沿有效,这样信号的有效时间限制在时钟到达的时刻,而不受其他时间的信号干扰。这种通信方式称为半同步通信方式。(例如:Wait信号、TRDY和IRDY信号等)
    半同步方式结合了同步和异步的优点。既保持了“所有信号都由时钟定时”的特点,又允许“不同速度设备共存于总线“:
    这里写图片描述
    操作时序如下:
    这里写图片描述
    操作流程(读操作):
    这里写图片描述

    分离式通讯

    上面三个通讯方式的共同点是:
    这里写图片描述
    这里发现从设备准备数据的过程中总线式等待状态的,这个时候就是一种资源的浪费。因此我们要想办法把这部分利用起来。解决的办法就是分离式通讯:
    这里写图片描述
    •基本思想:将一个传输操作事务分成两个子过程。在第一个子过程中,主控设备A在获得总线使用权后,将请求的事务类型(即总线命令)、地址以及其他有关信息(如标识主控设备身份的编号等)发送到总线上,从设备B记录下这些信息。主控设备发完这些信息后便立即释放总线,这样其他设备便可使用总线。在第二个子过程中,从设备B收到主控设备A发来的信息后,就按照其请求的命令进行相应的操作,当准备好主控设备所需的数据后,从设备B便请求使用总线,一旦获得使用权,则从设备B就将主控设备A的编号及所需的数据等送到总线上,这样主控设备A便可接收数据。
    • 优点:提高整个系统的总有效带宽。
    缺点:控制相当复杂,开销大。
    分离式通讯的基本特点:
    这里写图片描述

    教材中的截图

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