计算机组成原理2——系统总线

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计算机组成原理1——概述

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一、总线的基本概念

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线由许多传输线或通道构成，每条线可以传送一个二进制位。

二、总线的特点

总线上有超过一个信息接收部件，且在任一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息

三、总线的分类

1.片内总线

芯片内部总线，不可见

2.系统总线/板级总线

• 处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。
• 打开机箱就能看见。
• 包括数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB

（1）数据总线

• 是一种双向传输总线
• 数据总线宽度：即数据总线的位数，也就是机器位数。和机器字长、存储器字长有关。
• 

（2）地址总线

• 是一种单向传输总线
• 用来标识主存或者I/O设备上存储单元的位置

地址总数的位数？

• 和存储单元的个数有关，和存储单元的二进制位长度无关。
• 若地址总线有n条，则最多可以寻址到个存储单元
• 地址总线的位数决定能够寻址的单元个数
• 存储单元（存储字）具有物理意义，而字节完全是数量上的概念。

练习

−如有256B存储单元，需要多少条地址线？

−如有2KB存储单元，需要多少条地址线？

−如有16MB存储单元，需要多少条地址线？

−如有4GB存储单元，需要多少条地址线？

8 11 24 32

（3）控制总线

• 单一控制线通常是单向的，控制总线总体来说是双向总线
• 用来发出各种控制信号的传输线
• 典型控制线包括复位、时钟、中断相关、总线请求、存储器读写、I/O读写、 忙闲检测等

3.通信总线

• 特点是类别繁杂，连接规格、传输距离、速度、工作模式各不相同。 传输速度和距离成反比。
• 工作模式分为串行和并行两种

（1）串行通信

• 数据在单条1位宽的传输线上一位一位按顺序依次传送
• 适宜远距离数据传送，可从几米到几千千米。成本低
• 一个字节分8次传送完毕

MSB和LSB

• MSB是一个二进制数中的最高位，它具有最高的权值，决定了该数的正负以及数值大小。在一个有符号数中，MSB通常用来表示符号位，0表示正数，1表示负数。
• LSB是一个二进制数中的最低位，它具有最小的权值，对整个数值的影响最小。LSB通常用于表示数值的最小单位。

举例

IIC总线

简单、双向二线制同步串行总线，只需两根线即可传送信息，这两根线分别是：

• -SDA：串行数据线
• -SCL：串行时钟线

DS18B20的一线总线

• DS18B20是常用的数字温度传感器，直接输出数字信号， 具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。
• 采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯

（2）并行通信

• 数据在多条1位宽的传输线上并 行传送，同时由源传送到目的地
• 适宜近距离的数据传送，通常小于30米
• 短距离低时钟频率情况下，传输速度远快于串行方式

四、总线结构

1.面向CPU的双总线结构

增加I/O设备方便，但是I/O设备与主存交换 信息需要通过CPU，会影响到CPU效率

2.单总线结构

I/O设备与主存交换信息原则上不会影响 CPU，便于提高CPU效率。但是，所有部件连到单一总线，提高冲突率，影响整机性能。

3.面向存储器的双总线结构

增加CPU和主存之间专用的存储总线，提高传输速度，减轻系统总线负担，主存和I/O直接交换信息

五、总线特性和性能指标

1.总线的物理实现

2.总线特性

（1）机械特性

• 物理尺寸
• 插头形状
• 管脚数
• 排列顺序

（2）电气特性

• 信号线的电平范围。逻辑“1”，逻辑“0”
• TTL电平
• CMOS电平
• RS-232C

（3）功能特性

每根传输线的功能：数据、地址、控制

（4）时间特性

信号的前后时序关系

3.总线性能指标

• 总线宽度：数据线位数
• 总线带宽：数据传输速率
• 时钟同步方式：同步、异步
• 总线复用：地址、数据、控制线复用
• 信号线数：三总线所有信号线总数
• 总线控制方式：突发工作、仲裁方式等
• 其他指标：带载能力、电源电压等

六、总线标准

系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操作细节

七、总线结构

1.传统微机型总线结构

高速和低速设备都挂载在ISA、EISA总线上，势必造成总 线瓶颈。应该高速设备靠近CPU，低速设备远离CPU

2.VL-BUS局部总线结构

VL-BUS与CPU结合紧密，最适 宜486机器使用，通用性比较差。

3.PCI总线结构

4.多层PCI总线结构

PCI总线驱动能力不足时，可以采用多级PCI总线

PCI总线的问题

• -速度不够
• -PCI总线接口卡太大，不适宜便携式电脑使用

PCIe总线

• -高速点到点串行连接
• -每组连接用一对单向通道组成，每个通道有两条导线（信号线、地线）

PCI Express总线与PCI总线的区别

• 集中的交换网络取代了“多站”总线
• 串行的点对点方式取代了并行的总线
• PCIe采用数据包形式
• 数据包带有纠错检查功能
• 可扩展性强
• 支持热插拔

八、总线判优逻辑

1.总线事务

在总线上一对设备之间的一次信息交换过程，称为一个“总线事务”。

典型总线事务：存储器读、存储器写、I/O读、I/O写、中断响应。

总线事务一般包括地址阶段和数据阶段

突发传送事务：一个地址阶段和多个数据阶段

−主设备：对总线有控制权，可以发起总线事务的设备。

−从设备：只能响应总线上的命令的设备

2.总线判优

当多个主设备同时申请使用总线时，总线判优逻辑电路按照一定的优先级顺序来确定哪个主设备可以使用总线

判优逻辑分类（需要考虑等级性、公平性、响应速度）：

分布式：自举分布式、冲突检测分布式、并行竞争分布式

集中式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式

（1）链式查询方式

特点：

自动支持优先级

连接简单，易于扩充设备，但是对电路故障敏感， 而且优先级低的设备获得允许很难

（2）计数器定时查询方式

特点：对故障不敏感，但是增加了设备地址线，控制复杂

（3）独立请求方式

特点：响应速度快，优先次序控制灵活，但是控制线数目多，总线控制逻辑更加复杂。

九、总线通信控制

1.目的

解决在数据收发双方之间通信协调配合问题

2.总线周期分为四个阶段

−申请分配阶段：各主模块提出申请，总线仲裁器选中合适的模块。

−寻址阶段：主模块发出地址和命令。

−传数阶段：主模块和从模块交换数据。

−结束阶段：主模块撤销有关信息

3.总线通信四种方式

（1）同步通信：发送时钟信号来同步数据传送。

①同步通信（读）

②同步通信（写）

（2）异步通信：没有时钟，采用握手信号同步。

（3）半同步通信：同步、异步结合，插入等待周期。

发送方仍然发送时钟，接收方根据自身情况反馈信息给发送方，使发送方进行相应调整。增加一条等待响应信号线。

主体同步，细节异步。允许不同速率的设备协调工作

上述三种通信方式共同点，以读为例

主模块发出地址、命令	占用总线
从模块准备数据	不占用总线
从模块发出数据	占用总线

（4）分离式通信：传输周期划分为功能独立的子周期

①每个总线传输周期分为两个子周期：

子周期1：主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权

子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送到总线上

②特点

各模块有权申请占用总线

采用同步方式通信，省去握手开销

各模块准备数据时，不占用总线资源。总线无空闲等待时间， 提高了利用率

充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

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