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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

    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?

    :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,
    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 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(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 , 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 , 透过四泵增至 266MHz ,工作电压 1.5V. 传输速率为 1066MB/s
    AGP8x 32 , 透过八泵增至 533MHz ,工作电压 0.8V. 传输速率为 2133MB/s
    PCI Express

    原来的名称为“3GIO”,是由英特尔2001年提出的,旨在替代旧的PCIPCI-XAGP总线标准。

    USB
    1994 年,由 PC 界的几位 巨人 —— 康柏、 IBM Intel 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。
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在一个32位的总线系统中