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2022-03-02 19:10:44
总线的基本概念
在计算机系统中,各部件之间传输信息的通路。
按总线的位置分
内部(CPU)总线
系统总线
通信总线
按总线的功能分【系统总线】
地址总线( Address Bus )数据总线( Data Bus )控制总线( Control Bus )总线特性
物理特性 :指总线的物理连接方式,包括总线的根数、总线的插头、插座的形状、引脚线的排列方式等等。功能特性 :描述总线中每一根线的功能。分为地址总线、数据总线、控制总线三大类。电器特性 :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 :定义了每根线在什么时间有效。总线的标准化(总线协议)
标准化内容机械结构规范。对总线的模块尺寸、总线插头、总线接插件以及安装尺寸进行统一规定。功能规范。对总线每条信号线名称、功能、逻辑关系、时序要求甚至信号线的排列次序等细节都进行明确定义。电气规范。对总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力和抗干扰性等都作明确定义。标准化的好处简化系统结构简化系统设计提高系统的可扩展性总线性能指标——带宽
总线本身能够达到最大的传输速率
例1: (1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,假设一个总线周期等于一个总线时钟周期,总线时钟频率为33MHz,则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据,总线时钟频率升为66MHz,则总线带宽是多少?
解:设总线带宽用Dr表示,总线时钟周期用T=1/f表示,一个总线周期传送的数据量用D表示,根据定义可得
(1) Dr = D/T = D×1/T = D×f
= 4B×33×1000000/s=132MB/s
(2)Dr=D/T = D * 1/T = D * f
=8B * 66 *1000000/s = 528MB/s
总线的连接方式
单总线结构
双总线结构
三总线结构
总线的连接方式对计算机系统的性能有着十分重要的作用最大存储容量指令系统吞吐量
单总线的结构
计算机系统中所有的部件都用一条总线相连。没有输入 / 输出指令。CPU 访问内存和 I/O 设备,区别在于地址的数值。(广播式)某些外围设备也可以指定地址。如果一个由外围设备指定的地址对应于一个内存单元,则内存予以响应,于是在内存和外设之间将进行内存传送( DMA )。也可指定另外一个外设地址双总线结构
双总线结构保持单总线的系统简单、易于扩充的特点,在 CPU 和主存之间专门设置了一组高速存储总线,使 CPU 可通过专门总线与存储器交换信息,减轻了系统总线的负担。同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现 DMA 操作,而不必经过 CPU 。三总线结构
在双总线系统的基础上增加 I/O 总线。三总线包括系统总线,存储总线, I/O 总线。由于总线专用,可以提高速度,但控制上比较复杂。三总线结构为许多机器所采用。总线的内部结构
早期的总线实际是处理器芯片引脚的延伸,是处理器与I/O设备适配器的通道。一般由50-100根线组成。
早期总线结构的不足之处在于:
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。当代流行的总线结构
数据传送总线:由地址线、数据线、控制线组成,一般是32条地址线,32或64条数据线。为了减少布线,64位数据线的低32位常常和地址线采用多路复用方式。仲裁总线:包括总线请求线和总线授权线。中断和同步总线:用于处理带优先级的中断操作,包括中断请求线和中断认可线。公用线:包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。总线的分层结构:
PCI总线图:
总线接口
一、信息的传送方式
串行传送并行传送复合传送总线接口是CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件。
总线接口的基本功能 :
控制数据缓冲状态设置数据转换 : 如并——串转换或串——并转换整理 : 如在数据传输过程中更新字计数器程序中断外围设备接口结构
分时 和 共享 是总线最重要的两个特点。总线的仲裁(根据总线仲裁电路所处位置的不同)分为以下两种:集中式分布式
1,集中式仲裁
集中式仲裁的总线仲裁电路集中在一处,称为中央仲裁器(也称为总线控制器)。由中央仲裁器对总线进行集中控制。这是大多数单总线结构和双总线结构的机器普遍采用的仲裁方法。主要有一下方法:
链式查询方式查询链中离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级,离中央仲裁器越远,优先级越低。优点;只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁,并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点:对询问链的电路故障很敏感;查询链的优先级是固定的,如果优先级高的设备出现频繁的请求时,优先级低的设备可能长期不能使用总线。计数器定时查询方式总线上 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后,BS线“0”的情况下让计数器开始记数,记数值通过一组地址线发给各设备。每个设备都有一个设备判别电路,当地址线上的记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,此时中止记数查询。每次记数从“0”开始(优先级的顺序也是固定的),也可以从终止点开始(每个设备使用总线的优先级相等)。计数器的初值可用程序设置,这样可以方便地改变优先次序独立请求方式独立请求方式中,每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 BR x 和总线授权线 BG x 。当设备要求是使用总线时,便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中有一个排队电路,它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求,给设备以授权信号 BG x 。独立请求方式的优点是响应时间快,即确定优先响应的设备所花费的时间少,用不着轮流对每个设备进行查询。其次,对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定,也可以通过程序来改变优先次序;还可以用屏蔽(禁止)某个请求的方法,不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。2,分布式仲裁
不需中央仲裁器,每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号。最后,获胜者的仲裁好保留在仲裁总线上。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。定时:解决获得总线控制权的通信双方如何配合协调的问题同步定时总线上的部件通过总线进行信息传送时,用一个公共时钟信号进行同步,这种方法称为同步定时。这个公共的时钟可以由 CPU 总线控制部件发送到每一个部件(设备),也可以让每个部件有各自的时钟发生器,然而它们必须由总线控制部件发出的时钟信号进行同步。由于采用了公共时钟,每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定,因此,同步定时具有较高的效率。同步定时使用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。异步定时 :允许总线上的各部件有各自的时钟,在部件之间进行通信时没有公共的时间标准,而是靠发送信息时同时发出本设备的时间标志信号,用“应答方式”来进行。总线的长度是可变的。 异步定时的优点是总线周期长度可变,不把响应时间强加到功能模块上,因而允许快速和慢速的功能模块都能连接在同一总线上,但这以增加总线的复杂性和成本为代价。
CPU发出读命令信号和存储地址信号,经一段时间延迟,待信号稳定后,它启动主同步(MSYN)信号,这个信号引发存储器以从同步(SSYN)信号 予以响应,并将数据放到数据线上。这个SSYN信号使CPU读数据,然后撤消MSYN信号,MSYN信号的撤消又使SSYN信号撤消,最后地址线、数据线上不再有有效信息,于是读数据总线周期结束
总线的数据传输方式:
读、写操作:读操作:是由从方到主方的数据传送;写操作是由主方到从方的数据传送。块传送操作:(猝发式传送)其块长一般固定为数据线宽度(存储器字长)的4倍写后读、读修改写操作:只给出地址一次,或进行先写后读操作,或进行先读后写操作。前者用于校验目的,后者用于多道程序系统中对共享资源的保护。广播、广集操作:一般而言,数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方和多个从方进行写操作,这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集,它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR 操作,用以检测多个中断源。典型的总线结构
ISA(Industry Standard Architecture)总线■I/O地址空间0100H-03FFH
■24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB
■8/16位数据线
■62+36引脚
■最大位宽16位(bit)
■最高时钟频率8MHz
■最大稳态传输率16MB/s
■中断功能
■DMA通道功能
■开放式总线结构,允许多个CPU共享系统资源
PCI(Peripheral Component Interconnect)总线PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线,又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略,并具有自动配置能力。1.PCI总线的特点
PCI总线的特点归纳如下:
■数据总线32位,可扩充到64位。
■地址总线32位,数据总线和地址总线是一组线,分时复用。
■使用同步定时协议,总线时钟频率33MHz或66MHz,采用方波信号。总线所有信号均出现在时钟信号的下降沿。
■可进行猝发式数据传输。
■总线操作与处理器-存储器子系统操作并行。
■采用集中式总线仲裁方式(独立请求)
■全自动配置、资源分配、PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息,可实现即插即用(P&P)。
■PCI总线规范独立于微处理器,通用性好。
■PCI设备可以完全作为主控设备控制总线。
■PCI总线引线为高密度接插件,分基本插座(32位)及扩充插座(64位)。
第一代:
第二代:
AGP(Accelerated Graphics Port )总线AGP ( Accelerated Graphics Port )即加速图形端口。它是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。是 Intel 公司 96 年开发的新一代总线标准,它是建立在 PCI 的基础上的,专门针对 3D 图形处理而开发的高效能总线。AGP总线直接与主板的北桥芯片相连,且通过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连,避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈,增加3D图形数据传输速度,同时在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。所以它拥有很高的传输速率
AGP1x: 32 位 , 66MHZ, 工作电压 3.3V. 上沿传输数据 , 266MB/s 。AGP2x: 上升和下降沿传输数据 ,533MB/s 。AGP4x : 32 位 , 透过四泵增至 266MHz ,工作电压 1.5V. 传输速率为 1066MB/sAGP8x : 32 位 , 透过八泵增至 533MHz ,工作电压 0.8V. 传输速率为 2133MB/sPCI Express原来的名称为“3GIO”,是由英特尔在2001年提出的,旨在替代旧的PCI,PCI-X和AGP总线标准。
USB1994 年,由 PC 界的几位 “ 巨人 ” —— 康柏、 IBM 、 Intel 和 Microsoft 共同推出的,旨在统一外设接口,以便于安装使用。1996 年推出了 USB1.0 ,直到 1998 年,推出 USB1.1 标准,使 USB 技术更加成熟可靠;接着 Win98 发布,宣布正式对 USB 接口提供支持, USB 才真正发展起来 。IEEE1394(FireWire)IEEE1394 ,是苹果公司开发的串行标准,中文译名为火线接口 ( firewire )使用 Dslink 编码技术P1394b 标准,速度提升到 800Mbps 甚至 1.6Gbps可以不以 PC 为中心联接系统:如要将扫描的照片输出到打印机,只需打开扫描仪与打印机就能实现。更多相关内容 -
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