【408笔记】计算机组成原理第六 总线
文章目录
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6.1 总线概述
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6.1.1 总线基本概念
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- 1. 总线的定义
- 2. 总线设备
- 3. 总线特性
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6.1.2 总线的分类
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- 1. 片内总线
- 2. 系统总线
- 3. IO总线
- 4. 通信总线
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6.1.3 系统总线的结构
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- 1. 单总线结构
- 2. 双总线结构
- 3. 三总线结构
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6.1.4 常见总线标准
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6.1.5 总线的性能指标
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6.2 总线事务和定时
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- 6.2.1 总线事务
- 6.2.2 同步定时方式
- 6.2.3 异步定时方式
6.1 总线概述
计算机结构从分散连接发展到总线连接，进一步提出各种总线标准
目的：解决I/O设备和主机之间连接的灵活性
6.1.1 总线基本概念
1. 总线的定义
总线是一组能为多个部件分时共享 的公共信息传输路线。
分时：同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息
共享：总线上可以挂接多个部件
2. 总线设备
总线上连接的设备，按其对总线有无控制权，可以分为主设备和从设备
主设备：获得总线控制权的设备
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
3. 总线特性
包括机械特性（尺寸、形状）、电气特性（传输方向、有效电平范围）、功能特性（每根传输线的功能）和时间特性（信号和时序的关系）
6.1.2 总线的分类
按照功能划分为：片内总线、系统总线、IO总线和通信总线
按照时序控制方式可以分为同步总线和异步总线 ，按照数据传输格式分为串行总线和并行总线
1. 片内总线
芯片内部的总线。是CPU内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间 的公共连线
2. 系统总线
计算机系统内各功能部件（CPU、主存、IO接口）之间相互连接的总线 。划分为数据总线、地址总线和控制总线
- 数据总线：传输数据信息，是双向传输线 ，位数和机器字长、存储字长有关
- 地址总线：指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或IO端口的地址，是单向传输线 ，位数和主存地址空间大小有关
- 控制总线：传输控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存或外设送回CPU的反馈信号
3. IO总线
IO总线主要用于连接中低速的IO设备 ，通过IO接口与系统总线相连接。
目的：将低速设备与高速总线分离 ，以提升总线的系统性能
常见USB、PCI总线
4. 通信总线
计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间传送信息的总线，又称外部总线
6.1.3 系统总线的结构
1. 单总线结构
定义：将CPU、主存、IO设备（通过IO接口）都挂在一组总线上，允许IO设备之间、IO设备和主存之间直接交换信息。无需经过中间设备干预
注意：单总线不是只有一根信号线。系统总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线
优点：结构简单，成本低，容易接入新设备
缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，不支持并发传送操作
2. 双总线结构
双总线结构有两条总线
- 主存总线：在CPU、主存和通道之间传送数据
- IO总线：在外设和通道之间传送数据
优点：将低速IO设备从单总线上分离出来
缺点：需要增加通道等硬件设备
3. 三总线结构
分为主存总线、IO总线和DMA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
- IO总线用于在CPU和各类外设之间通信
- DMA总线用于在内存和高速外设之间直接传送数据
优点：提高IO设备的性能，更快响应命令，提高系统吞吐率
缺点：系统工作效率较低
6.1.4 常见总线标准
| 总线标准 | 全称 | 种类 | 备注 |
|---|---|---|---|
| ISA | Industry Standard Architecture | 系统总线 | 并行 |
| EISA | Extended ISA | 系统总线 | ISA的扩展，位数，并行 |
| VESA | Video Electronics Standard Architecture | 局部总线 | 并行，用于高速传送活动图像的大量数据 |
| PCI | Peripheral Component Interconnect | 局部总线 | 不依附具体处理器，支持突发传送 |
| AGP | Accelerated Graphics Port | 局部总线 | 加速图形接口 |
| PCI-E | PCI-Express(高速) | 局部总线 | 串行传输、支持全双工通信、可热插拔 |
| RS-232C | Recommended Standard | 设备总线 | 串行通信总线 |
| SCSI | Small Computer System Interface | 设备总线 | 智能通用，并行传输 |
| PCMCIA | Personal Computer Memory Card International Association | 设备总线 | 便携设备接口，支持即插即用，并行 |
| USB | Universal Serial Bus | 设备总线 | 串行总线 ，支持热插拔、即插即用，每次只能传输1bit数据 |
| IDE(ATA/PATA) | Integrated Drive Electronics | 设备总线 | 硬盘光驱接口，并行传输 |
| SATA | Serial Advanced Technology Attachment | 设备总线 | 串行硬盘接口 |
趋势：串行总线替代并行总线
- (12 408) USB总线：可实现外设的即插即用和热拔插；可以通过级联方式链接多台外设；是一种通信总线，链接不同外设；只能同时传输1bit数据，是串行总线
6.1.5 总线的性能指标
- 总线传输周期：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时钟周期构成
- 总线时钟周期：即机器的时钟周期，总线也受计算机内部统一时钟的控制
- 总线工作频率：总线传输周期的倒数
- 总线时钟频率：时钟周期的倒数
- 总线宽度：总线位宽，总线上能同时传输的数据位数，通常指数据总线的根数
- 总线带宽：单位时间内总线上最多可以传输数据的位数，通常用每秒传送信息的字节数来衡量。总线带宽=总线工作频率*总线宽度/8
- 总线复用：一种信号线在不同的时间传输不同信息。因此可以用较少的线传输更多信息，节约成本
- 信号线数：三种总线的数量总和
6.2 总线事务和定时
总线定时是指总线在双方交换数据时需要时间上配合关系的控制。实质上是一种协议或规则，主要有同步和异步两种基本定时方式
6.2.1 总线事务
从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务
典型的总线事务包括：请求操作、仲裁操作、地址传输、数据传输和总线释放
- 请求阶段：主设备（CPU或DMA）发送总线传输请求，并且获得总线控制权
- 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
- 寻址阶段：主设备提高总线给出要访问的从设备的地址以及有关命令，启动从模块
- 传输阶段：主模块和从模块进行数据交换，可以单向或双向，一般只能传输一个字长的数据
- 释放阶段：主模块的有关信息从系统总线中撤出，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，在传输阶段传送多个连续单元的数据。每个时钟周期可以传送一个字长的信息，但是不释放总线，知道一组数据全部传送完毕再释放总线
6.2.2 同步定时方式
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
时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中，双方可以进行一次数据传送。
优点：传送速度快，具有较高的传输速率；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
同步定时方式适用于总线长度较短以及总线所接部件存取时间比较接近的系统
6.2.3 异步定时方式
没有统一时钟，固定时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手信号”实现定时控制
优点：总线周期长度可变，可以保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠的进行信息交换，自动适应时间的配合
缺点：比同步控制方式稍微复杂，速度比同步定时方式慢!