【计算机原理与技术】第3章 系统总线

• 1. 总线的基本概念
• 2. 总线结构
• 3. 总线的分类
• 4. 总线特性及性能指标
• • 3.1. 总线的特性
  • 3.2. 总线的性能指标
  • 3.3. 总线的标准
• 5. 总线控制
• • 5.1. 总线判优控制
  • 5.2. 总线通信

• 总线是连接各个部件的信息传输线，是 各个部件共享的传输介质。
• 总线的产生是为了解决复杂电路连接的问题。
• 总线上信息的传输有串行和并行两种方式。

• 面向CPU的双总线结构
  • M总线连接CPU和主存
  • I/O总线连接CPU和I/O接口，I/O接口与I/O设备连接
• 单总线结构
  • 系统总线连接CPU、主存和I/O接口，I/O接口与I/O设备连接
• 以存储器为中心的双总线结构
  • 系统总线连接CPU、主存和I/O接口，I/O接口与I/O设备连接
  • 存储总线连接CPU和主存
• 比较：面向CPU的双总线结构CPU的运算速度和I/O设备的执行速度不匹配，可能会出现CPU等待I/O设备执行的情况，同时CPU的负荷也很大；单总线结构可能会出现总线被I/O设备长期占用，而CPU与主存之间的通信不畅导致效率下降。
• 双总线结构
  • 主存总线连接CPU、主存和通道（处理器）
  • I/O总线连接通道和I/O接口，I/O接口与I/O设备连接，通道能对I/O设备进行统一管理
• 三总线结构1
  • 主存总线连接CPU、主存和通道（处理器）
  • I/O总线连接CPU和I/O接口，I/O接口与I/O设备连接
  • DMA总线连接主存和高速外设的I/O接口
• 三总线结构2
  • 局部总线连接CPU、Cache和局部I/O控制器
  • 系统总线连接主存和Cache和扩展总线接口
  • 扩展总线连接扩展总线接口和其他扩展设备（如局域网、SCSI、Modem和串行接口）
• 四总线结构
  • 局部总线连接CPU、Cache/桥（如PCI桥）
  • 系统总线连接主存和Cache/桥
  • 高速总线连接Cache/桥、扩展总线接口、图形、多媒体、SCSI、局域网等高速设备
  • 扩展总线连接扩展总线接口和其他扩展设备（如FAX、Modem和串行接口）

• 片内总线——芯片内部的总线
• 系统总线——计算机各部件之间的传输线
  • 数据总线——双向，与机器字长和存储字长有关
  • 地址总线——单向，与存储地址和I/O地址有关
  • 控制总线
    • 有出：存储器读写、总线允许、中断确认
    • 有入：总线请求、中断请求
• 通信总线——用于计算机系统之间以及计算机与其他系统之间的通信
  • 串行通信总线
  • 并行通信总线

总线的物理实现——主板上一条通路，CPU、主存、I/O插板插在这条通路上

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
2. 电气特性：传输方向和有效的电平范围
3. 功能特性：每根传输线的功能（数据、地址、控制）
4. 时间特性：信号的时序关系

1. 总线宽度：数据线的根数
2. 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟特性：同步、异步
4. 总线复用：地址线与数据线复用
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
6. 总线控制方式：并发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 负载能力：能连接的设备数

• ISA
• EISA
• VESA(LV-BUS)
• PCI
• AGP
• RS-232
• USB

• 对象
  • 主设备：对总线有控制权
  • 从设备：响应从主设备发来的总线命令
• 集中式控制方式
  • 链式查询方式
    • BS——总线忙
    • BR——总线请求
    • BG——总线同意
    • 通过BG线遍历所有设备，如果查询到发出了BR信号，就发出BS信号，总线被查询到的设备占用
    • 设备的优先级不可设置、受电路故障（特别是BG线中断）影响大
  • 计数器定时查询
    • BS——总线忙
    • BR——总线请求
    • 设备地址线
    • 首先每个设备都有一个唯一的标号，系统根据计数器的值查询相应设备是否发出BR，如果发出总线请求，就发出BS信号，否则计数器递增，继续查询
    • 可以设置设备的优先级
  • 独立请求方式
    • 每个设备都有一条BR和BS线独立连接到总线控制部件
    • 控制线数量多，设备数量受限、成本高

• 总线通信控制是为了解决通信双方协调配合的问题
• 总线传输周期
  • 申请分配阶段——主模块申请，总线仲裁决定
  • 寻址阶段——主模块向从模块 给出地址和命令
  • 传数阶段——主模块和从模块交换数据
  • 结束阶段——主模块撤消有关命令和信息
• 总线通信的方式
  • 同步通信——统一时标控制数据传送
    • 存在一个数据准备的过程，执行周期以最慢为标准
  • 异步通信——采用应答方式，没有公共时钟标准
    • 不互锁：主设备发出请求后就停止
    • 半互锁：主设备在接到从设备的反馈回应才会停止发出请求
    • 全互锁：实现了主从设备的交互
  • 半同步通信——同步、异步结合
    • 系统时钟前沿发信号，后沿判断识别
    • 允许速度不同的设备和谐工作
    • 存在一个 W A I T ‾ overline{WAIT} WAIT响应信号线，当其处于低电平是等待
  • 分离式通信——充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力
    • 当从设备准备数据时总线空闲，可以用来完成其他任务
    • 总线被占用时，无空闲，不能执行别的任务