导图社区 《计组》-总线
总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束,按照计算机所传输的信息种类,计算机的种类可以划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号
编辑于2022-08-17 23:29:53 浙江省总线
  
总线概述
基本概念
定义
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
相比于专线结构,总线结构减少了信息传输线的条数,但也降低了信息传输的并行性及传输速率
分时
指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息,若系统中有多个部件,则它们只能分时地向总线发送信息。
但可同时从总线接收数据
共享
指总线上可以挂接多个部件,各个部件之间互相交换的信息都可通过这组线路分时共享,多个部件可同时从总线上接收相同的信息。
总线设备
主设备:获得总线控制权的设备
同一时刻只有一个
从设备:被主设备访问的设备,只能响应从主设备发来的各种总线命令
同一时刻可有多个
总线特性
机械特性:尺寸、形状
电气特性:传输方向和有效的电平范围
功能特性:每根传输线的功能
时间特性:信号和时序的特性
总线的分类
片内总线
芯片内部的总线,是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线
系统总线
计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线
分类
数据总线
注意区分数据通路和数据总线:各个功能部件通过数据总线连接形成的数据传输路径称为数据通路。数据通路表示的是数据流经的路径,而数据总线是承载的媒介。
传输数据信息,双向传输,其位数与机器字长、存储字长有关
地址总线
用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址;单向传输,位数与主存地址空间的大小有关
地址总线用于CPU选择主存单元地址或I/O端口地址,不能回传
控制总线
传输控制信息,包括CPU送出的控制命令和主存/外设返回的反馈信号
I/O总线
用于连接中低速的I/O设备,通过I/O接口与系统总线相连;目的是将低速设备与高速总线分离,以提升总线性能,如USB、PCI总线
通信总线
在计算机系统之间或与其他系统之间传送信息的总线,也称外部总线
系统总线的结构
单总线结构
将CPU、主存、外设等设备挂在一组总线(系统总线)上,允许其直接交换信息
单总线并不是只有一根信号线,系统总线按传送信息的不同可细分为地址、数据和控制总线
优点
结构简单、成本低、易于接入新设备
缺点
带宽低、负载重,多个部件只能争用唯一的总线,且不支持并发传送操作
双总线结构
包含两条总线
主存总线:用于在CPU、主存和通道之间传送数据
I/O总线:用于在多个外设与通道之间传送数据
优点
将低速I/O从单总线上分离出来,实现了存储器总线和I/O总线分离
缺点
需要增加通道等硬件设备
三总线结构
包含三条总线
主存总线:用于在CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息
I/O总线:用于在CPU和各类外设之间通信
直接内存访问(DMA)总线:用于在内存和高速外设之间传送数据
优点
提高了I/O设备性能,使其更快响应命令,提高系统吞吐率
缺点
系统工作效率低
常用的总线标准
1)ISA,Industry Standard Architecture,工业标准体系结构。是最早出现的微型计算机的系统总线,应用在IBM 的AT机上。
2)EISA,Extended Industry Standard Architecture,扩展的ISA。是为配合32位CPU而设计的扩展总线,EISA对ISA完全兼容。
3)VESA,Video Electronics Standards Association,视频电子标准协会。是一个32位的局部总线,是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据而推出的。
4)PCI,Peripheral Component Interconnect,外部设备互连。是高性能的 32位或64位总线,是专为高度集成的外围部件、扩充插板和处理器/存储器系统设计的互连机制。目前常用的PCI适配器有显卡、声卡、网卡等。PCI 总线支持即插即用。PCI 总线是一个与处理器时钟频率无关的高速外围总线,属于局部总线。
5) AGP,Accelerated Graphics Port,加速图形接口。是一种视频接口标准,专用于连接主存和图形存储器,用于传输视频和三维图形数据,属于局部总线。
6)PCI-E,PCI-Express。是最新的总线接口标准,它将全面取代现行的PCI和AGP。两者都采用串行数据包传输数据。
7)RS-232C。是由美国电子工业协会(EIA)推荐的一种串行通信总线,是应用于串行二进制交换的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的标准接口。
8)USB,Universal Serial Bus,通用串行总线。是一种连接外部设备的IO总线,属于设备总线。具有即插即用、热插拔等优点,有很强的连接能力。
 
9) PCMCIA,Personal Computer Memory Card International Association。广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准,是一个用于扩展功能的小型插槽。具有即插即用功能。
10)IDE,Integrated Drive Electronics,集成设备电路。更准确地称为ATA,是一种IDE接口磁盘驱动器接口类型,硬盘和光驱通过IDE接口与主板连接。
11)SCSI,Small Computer System Interface,小型计算机系统接口。是一种用于计算机和智能设备之间(硬盘、软驱)系统级接口的独立处理器标准。
12)SATA,Serial Advanced Technology Attachment,串行高级技术附件。是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口,是由Inte1、IBM、Dell等公司共同提出的硬盘接口规范。
总线的性能指标
其中,总线的最主要性能指标为总线宽度、总线(工作)频率、总线带宽,总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率,它是衡量总线性能的重要指标。 三者关系:总线带宽=总线宽度×总线频率。 例如,总线工作频率为22MHz,总线宽度为16位,则总线带宽=22×(16/8)=44MB/s。  
1)总线传输周期
指一次总线操作所需的时间,包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段。总线传输周期通常由若干总线时钟周期构成。
2)总线时钟周期
即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟,以控制整个计算机的各个部件,总线也要受此时钟的控制。
3)总线工作频率
总线上各种操作的频率,为总线周期的倒数。实际上指1秒内传送几次数据。若总线周期=N个时钟周期,则总线的工作频率=时钟频率/N。
4)总线时钟频率
即机器的时钟频率,为时钟周期的倒数
5)总线宽度
又称总线位宽,它是总线上同时能够传输的数据位数,通常指数据总线的根数,如32根称为32位总线。
6)总线带宽
可理解为总线的最大数据传输率,即单位时间内总线上最多可传输数据的位数,通常用每秒传送信息的字节数来衡量,单位可用字节/秒(B/s)表示。总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)。
注意:总线带宽和总线宽度应加以区别。
7)总线复用
总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息,因此可以使用较少的线传输更多的信息,从而节省空间和成本。
8)信号线数
地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。
总线事务和定时
定义
总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制,这种控制称为总线定时,其实质是一种协议或规则,包括同步和异步两种基本定时方式
总线事务
定义
从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务,它是一个总线周期中发生的一系列活动
组成
1)请求阶段
主设备(CPU 或DMA)发出总线传输请求,并且获得总线控制权
2)仲裁阶段
总线仲裁机构决定将下一个传输周期的总线使用权授予某个申请者。
3)寻址阶段
主设备通过总线给出要访问的从设备地址及有关命令,启动从模块。
4)传输阶段
主模块和从模块进行数据交换,可单向或双向进行数据传送。
5)释放阶段
主模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线使用权。
突发(猝发)传送方式
能够进行连续成组数据的传送,其寻址阶段发送的是连续数据单元的首地址,传输阶段传送多个连续单元的数据
每个时钟周期传送一个字长的信息,直到传送完毕后再释放总线
同步定时方式
定义
系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系
适用于总线长度较短及总线所接部件存取时间较为接近的系统
优点
传输速率快,总线控制逻辑简单
缺点
主从设备属于强制性同步;不能及时进行数据通信的有效性检验,可靠性较差
异步定时方式
定义
没有统一时钟,完全依靠传送双方互相制约的“握手”信号来实现定时控制
主设备提出交换信息的“请求”信号
从设备返回“回答”信号
优点
总线周期长度可变,保证两个工作速度相差很大的部件或设备能够进行可靠的信息交换,自动适应时间的配合
缺点
复杂,速度慢
分类(根据握手信号的撤销是否互锁)
不互锁方式
主设备发出“请求”信号后,不必等待“回答”信号,经过一段时间后便可撤销“请求”信号;从设备同理
半互锁方式
主设备必须接到“回答”信号后才能撤销“请求”信号;从设备不受限制
全互锁方式
主从设备互锁,从设备必须获知主设备的“请求”信号已撤销后,才能撤销“回答”信号