計算機總線系統

1.總線的概念和結構形態

1.1 總線的基本概念

• 總線
  ○ 構成計算機系統的互聯機構,是系統內各功能部件之間進行信息傳送的公共通路。
  總線的分類：
  ① 按連接部件分
  內部總線、局部總線、系統總線、通信總線。
  ② 按傳送的信息分
  數據總線、地址總線、控制總線。

• 按傳送信息分類的總線：
  ● 地址總線
  單向,三態總線,用於傳送地址信息，其位數決定可直接尋址的範圍;
  ● 數據總線
  雙向,三態總線,用於傳送數據信息，其位數有8位、16位、32位、64位等。
  ● 控制總線
  傳送控制、狀態信息，位數不定。

• 按連接部件分類的總線
  ● 內部總線
  各芯片內部邏輯器件的連接總線
  ● 局部總線
  CPU與其他部件的連接總線，介於CPU內部總線和系統總線之間，可高速傳輸數據;
  ● 系統總線
  計算機各功能部件的連接總線通信總線，微機系統與微機系統、其他設備之間的連接總線；

• 總線的物理實現
  

• 1. 總線的特性
  ● 物理特性
  總線的位數，總線插頭、插座的形狀，引腳的排列方式等
  ● 功能特性
  確定每一根總線的名稱、定義、功能與邏輯關係等，如傳送數據、地址、控制信號
  ● 電氣特性
  規定每一根總線上信號的傳送方向及有效電平範圍等內容;
  ● 時間特性
  總線上各信號有效的時序關係;

• 2. 總線標準
  ● 總線的標準化
  爲保證總線的性能充分發揮以及兼容問題而提出的;
  主要包括總線的各種特性、數據傳輸率、總線通信協議、仲裁協議等一系列規定和約定。
  ● 總線標準的來源
  權威組織正式公佈的標準，實際存在的工業標準
  ● 典型的標準總線
  ISA、EISA、PCI等;
  ● 按總線標準設計的接口是通用接口。

• 3. 總線的性能指標
  ● 總線寬度
  一次總線操作中,最多可傳送的數據位數。
  ● 總線週期
  一次總線操作所需要的最小間隔時間，總線週期與總線的時鐘頻率成反比,即T=1/f。
  ● 總線帶寬
  單位時間內通過總線的數據位數,總線的數據傳輸率，單位一般爲MB/s。

例題：
(1)某總線在一個總線週期中並行傳送4個字節的數據,假設一個總線週期等於一個總線時鐘週期,總線時鐘頻率爲33MHz,則總線帶寬是多少?
一個總線週期T=1/f=1/(33×10⁶)
一個總線週期的傳送的數據量D=4B
總線帶寬Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×10⁶/s=132MB/s
(2)如果一個總線週期中並行傳送64位數據,總線時鐘頻率升爲66MHz,則總線帶寬是多少?
●總線帶寬Dr=D×f=8B×66×10⁶/s=528MB/s（一個字節佔用8位數據）

1.2 總線的連接方式

• 適配器:又稱接口
  實現高速CPU與低速外設之間工作速度上的匹配和同步並完成計算機和外設之間的所有數據傳送和控制單機系統中,總線結構的三種基本類型:
  • 單總線結構
    使用一條單一的系統總線來連接CPU、內存和O設備
  • 雙總線結構
    在CPU和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線
  • 三總線結構
    在各外部設備與通道之間增加一組O總線
  • 多總線結構
    通過橋將多總線彼此相連

總線結構	概念圖	特點
單總線結構： (系統內的所有部件均由系統總線連接)		優點：各部件之間可直接進行通信;系統易於擴充； 缺點：總線負載重,若有慢速設備,則會產生較大的時間延遲。
雙總線結構：(系統內的所有部件均由系統總線連接;在CPU和主存之間再專門設置了一組高速的存儲總線)		優點：保持了單總線的優點(簡單、易擴充)，減輕了系統總線的工作負擔,使CPU工作效率有所提高；缺點：增加了硬件成本
三總線結構：(系統總線負責連接CPU、主存、I/O通道;存儲總線負責連接CPU與主存;I/O總線負責連接各I/O適配器)		優點：設置了通道,對外設進行統一的管理,分擔了CPU的工作，提高了CPU工作效率,同時也最大限度的提高外設的工作速度。缺點：硬件成本進一步增加
三總線結構的又一形式
多總線結構

1.3 總線的內部結構

• 早期總線內部結構：實際是CPU芯片引腳的延伸
  早期總線的不足：CPU是總線上惟一的主控者，總線結構與CPU緊密相關,通用性較差。
  
• 現代總線
  多采用標準總線：與結構、CPU、技術無關;又被稱爲底板總線。現代總線可分爲四個部分:

  • 數據傳送總線
    地址線、數據線、控制線;

  • 仲裁總線
    總線請求線、總線授權線;

  • 中斷和同步總線
    bash中斷請求線、中斷認可線;

  • 公用線
    時鐘信號、電源等
    

1.4 總線結構實例：

• 總線技術的發展歷程：
  

• PC/XT總線

  • 早期PC/XT微機配套的8位系統總線,也稱爲PC總線;
    主板上包括8個PC/XT總線擴展槽；主板時鐘頻率爲143128MHz;
    OCPU時鐘爲4.77MHz,最快的訪存週期由4個時鐘週期構成,總線帶寬約爲1MB/s;
  • PC/XT總線擴展槽包括62個管腳;
    OCPU引腳經過8282、8286、8288、8259、8237等芯片組合而成
    右側爲A列,左側爲B列,各31個管腳,包括地址線、數據線、控制線、狀態線、輔助線與電源線五類;

• ISA總線

  • 16位的總線結構,並保持了對8位總線的兼容性;
    主板上也是8個擴展槽；擴展槽既可以插入16位板卡,也可以插入8位板卡；總線時鐘與CPU時鐘均爲6~ 12MHz,訪存週期至少3個時鐘週期,總線帶寬約爲4~8MB/s;

• ISA總線設計爲長短插槽形式
  前62管腳的長插槽，信號分佈與功能含義大致與PC總線相同;
  後36管腳的短插槽，ISA總線新增,分爲C、D列,各18個管腳;
  

• EISA總線

  • ESA總線是SA總線的擴展
    數據總線從16位變爲32位,地址總線從24位變爲32位；增加了突發式傳送(Burs
    Transfer,又稱猝發式傳送)；支持多處理器的高性能32位標準總線；
  • ESA總線擴展槽的插腳分上、下兩層，上層同A總線的兼容，下層是ESA總線新增的信號。
    

• PC總線

  • PC總線是一種將系統中外圍部件以結構化可控制方式連接起來的總線標準,是基於奔騰處理器而發展的總線。
  • PC總線的主要性能：
    數據總線32位(5V)，可擴充到64位(33V)；最多支持10臺外設；總線時鐘頻率33MHz/66MHz；支持突發式傳送,最大數據傳輸速率528MBs；能自動識別外設,硬件插卡自動識別、配置,即插即用；獨特的中間緩衝器設計方式,獨立於CPU,並將CPU子系統與外設分開；支持多主設備系統；

• PCI系統結構

  • PCI總線中提出了“橋”的概念
    “橋”——連接兩條總線,使總線之間互相通信;
    PCI總線是在CPU和原來的系統總線之間插入的一級總線,由一個橋接電路實現對這一層的管理,並實現上下之間的接口以協調數據的傳送橋的類型。
    主橋:連接CPU和基本PCl總線,也稱爲“北橋”;
    南橋：標準總線橋，PCI橋
    標準總線橋:連接PCl總線和其他標準IO總線;
    PCI橋:連接兩條PCI總線;

• 基於PC總線的系統結構圖
  

• Pentium pc的體系結構
  

• AGP總線

  • AGP總線是一種顯示卡專用的局部圖形總線；嚴格的說,AGP不能稱爲總線,因爲它是點對點連接，即控制芯片和AGP顯示卡連接連接
  • AGP總線直接與主板的北橋芯片相連,讓顯示芯片與系統主內存直接相連;
    避免了窄帶寬的PC總線形成的系統瓶頸,增加3D圖形數據傳輸速度；在顯存不足的情況下還可以調用系統主內存。

2.總線接口

2.1 信息的傳送方式

• 串行傳送
  ○使用一條傳輸線,採用脈衝傳送，有脈衝時表示數字1，沒有脈衝時表示數字0。
  ○特點:成本比較低廉,信息傳送速度慢;
• 並行傳送
  ○每一數據位需要一條傳輸線,一般採用電位傳送，所有的位同時被傳送。
  ○系統總線的信息傳送方式
• 分時傳送
  ○總線傳送信息的分時複用 ，某個傳輸線上既傳送地址信息,又傳送數據信息。(例如:CPU中的複用引腳)
  O共享總線部件對總線的分時複用 ，在不同的時間內由不同的部件使用總線。(例如:系統中主模塊對總線的爭用)
  

2.2 接口的基本概念

• 接口
  I/O設備適配器，指CPU和主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。
• 接口的典型功能:
  控制、緩衝、狀態、轉換、中斷等。
• 一個適配器必有兩個接口
  一個同系統總線相連,採用並行方式，另外一個同設備相連,可能採用並行方式或是串行方式。
• CPU、接口和外圍設備之間的連接關係
  

例題
利用串行方式傳送字符,每秒鐘傳送的比特(bi位數常稱爲波特率假設數據傳送速率是120個字符/秒,每一個字符格式規定包含10位(起始位、停止位、8個數據位),問傳送的波特率是多少?每位佔用的時間是多少?
解:波特率爲:10位×120秒=1200波特
每個bt佔用的時間Td是波特率的倒數
Td=1/1200=0.833×0.001s=0833ms

3. 總線的仲裁

• 連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態;
  主方可以啓動一個總線週期，從方只能響應主方請求，每次總線操作,只能有一個主方,但是可以有多個從方。
• 多個功能模塊爭用總線時,必須由總線仲裁部件選擇一個主設備使用總線。
• 總線佔用期：主方持續控制總線的時間
• 總線仲裁方式
  集中式:由中央仲裁器決定總線使用權的歸屬。
  分佈式:多個仲裁器競爭使用總線。

3.1 集中式仲裁

• 鏈式查詢方式
  設備的優先權與總線控制器的距離有關，優點：硬件連接簡單,判優容易,設備增刪容易；缺點：對電路故障敏感,優先級固定；

• 計數器定時查詢方式
  設備的優先權由計數值決定,計數值爲0時同鏈式查詢方式，優點：優先權控制靈活,對電路故障不敏感；缺點：硬件成本增加,控制複雜度高;

• 獨立請求方式
  設備的優先權由中央仲裁器的內部排隊邏輯決定；優點：響應時間快,即確定優先響應的設備花費的時間少；對優先次序的控制也是相當靈活的；缺點：硬件複雜度高。

• 鏈式查詢方式

連接方式	工作方式
採用菊花鏈的方式連接所有具有總線使用能力的部件；各設備共用一根總線請求信號線BR、總線授權信號線BG、總線忙信號線BS與中央仲裁器連接;	總線授權信號BG串行地從一個I/O接口傳送到下一個I/O接口

• 計數器定時查詢方式

連接方式	工作方式
省去總線授權信號BG；增加計數器和設備地址線號線,每次相應總線申請,由計數值決定響應的順序。	有總線請求時,發出計數值,選擇設備查詢請求狀態,依次查詢每一個設備;

• 獨立請求方式

連接方式	請求方式
每個部件均有獨立的請求和響應信號線,由中央仲裁器的內部排隊邏輯決定響應順序。	每個部件均有獨立的請求方式

3.2 分佈式仲裁

• 分佈式仲裁不需要中央仲裁器,由分佈在各部件中的多個仲裁器競爭使用總線。
• 每個潛在的主模塊都有自己的仲裁器和唯一的仲裁號,通過仲裁總線上仲裁號的比較,決定可佔用總線的部件。
  • 某部件有總線請求時,將其仲裁號發送到共享仲裁總線上;
  • 每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較○如果仲裁總線上的號大,則它的總線請求不予響應,並撤消它的仲裁號;
  • 最後,獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上
• 分佈式仲裁是以優先級仲裁策略爲基礎。

4.總線的定時和數據傳送模式

4.1 總線的定時

• 總線的信息傳送過程
  請求總線、總線仲裁、尋址、信息傳送、狀態返回;

• 定時
  確定事件出現在總線上的時序關係;

• 定時的分類:
  同步定時
  異步定時

• 同步定時
  系統採用統一的時鐘信號,所有事件的出現時間均有該時鐘信號確定;
  
  優點：各模塊配合簡單一致，數據傳輸效率較高;
  缺點：各模塊的速度差異較大時,會影響系統的整體工作效率，時鐘信號受到干擾時,會引起錯誤的同步;
  適用於總線長度較短,各功能模塊速度相差不多的系統。

• 異步定時
  系統依靠應答方式或互鎖機制來決定事件出現的時間。
  
  優點：總線週期長度可變
  缺點：增加了總線的複雜性和成本;
  適用於設備工作速度不一致的系統。

• 異步定時的互鎖機制：
  
  4.2 總線數據傳送模式

  • 讀、寫操作
    主設備利用系統總線,完成與從設備直接的數據傳送
  • 塊傳送操作 猝發式傳送
    只需給出塊的起始地址,然後對固定塊長度的數據一個接一個地讀出或寫入。
  • 寫後讀、讀修改寫操作
    只給出地址一次,或先寫後讀(校驗),或先讀後寫(多道程序系統中對共享存儲資源的保護)。
  • 廣播、廣集操作
    廣播:總線允許一個主方對多個從方進行寫操作。
    廣集:與廣播相反的操作,它將選定的多個從方數據在總線上完成AND或OR操作。