Ⅰ. 總線的基本概念

總線是連接各個部位的信息傳輸線栅螟，是各個部件共享的傳輸介質

1. 單總線結構

單總線結構

• 采用單總線結構的計算機坪圾，由于只有一組總線病梢，當某一時刻各部件都要占用總線時烛芬，就會發(fā)生沖突性置。而設置總線判優(yōu)邏輯西采，讓各部件按優(yōu)先級來占用總線又將使得整機的工作速度受到影響胖眷。

2. 面向CPU的雙總線結構

面向CPU的雙總線結構

• 使用上圖所示的總線結構的計算機武通，會面臨由于沒有主存沒有直接與外部交互的通道，而需要借助CPU為橋梁與外部進行通信珊搀，使得CPU負擔加重冶忱。

3. 以存儲器為中心的雙總線結構

以存儲器為中心的雙總線結構

這種總線結構在單總線基礎上又開辟出一條CPU與主存之間的總線，稱為存儲總線境析。這組總線：

• 速度高囚枪，只供主存與CPU之間傳輸信息；
• 提高了傳輸效率劳淆；
• 減輕了系統(tǒng)總線的負擔链沼；
• 保留了I/O設備與存儲器交換信息時不經過CPU的特點。

Ⅱ. 總線的分類

1. 片內總線

芯片內部的總線

• 如在CPU芯片內部沛鸵，寄存器與寄存器之間括勺、寄存器與算邏單元ALU之間都由片內總線連接

2. 系統(tǒng)總線

計算機各部件之間的信息傳輸線

• 不難想象，片內總線指的是芯片內部的總線曲掰，那么芯片與芯片之間的連接線即為所謂的“片外總線”疾捍，但“片外總線”概念相對較廣，因而又有所細分

a. 數據總線

傳輸各部件之間的數據信息（線上傳輸的是數據信號）

• 數據總線是雙向的
• 其位數與機器字長栏妖、存儲字長有關拾氓，一般而言該總線寬度是比前二者小的

b. 地址總線

指出數據總線上的源數據或目的數據在主存單元的地址或I/O設備的地址

• 地址總線是單向的，一般是由CPU或主存設備發(fā)出的
• 地址總線的條數與存儲地址底哥、I/O地址有關；通常情況下其條數與地址單元個數是相關的

c.控制總線

控制各部件房官，使各部件能在不同時刻占有總線使用權趾徽；即發(fā)出各種控制信號的傳輸線

• 控制總線是有出方向和入方向的

3. 通信總線

用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其它系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信）之間的通信

①傳輸方式

a. 串行通信

數據在單條1位寬的傳輸線上翰守，一位一位地按順序分時傳送

• 此方式傳輸1字節(jié)數據孵奶，需要分8次從低位到高位通過傳輸線逐位傳輸
• 此方式由于其傳輸方式，因而更適合遠距離通信蜡峰，可以從幾米達數千公里

b.并行傳輸

數據在多條并行1位寬的傳輸線上了袁，同時由源傳送到目的地

• 此方式傳輸1字節(jié)數據，需要通過8條并行傳輸線同時由源傳送到目的地
• 此方式由于其傳輸方式湿颅，因而更適合近距離通信载绿，通常小于30米

Ⅲ. 總線特性及性能指標

1. 總線特性

總線特性

2. 性能指標

總線的性能指標

3. 總線標準

系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊間的一個互連的標準界面油航，按總線標準設計的接口可視為通用接口

以下給出了不同總線標準的一些描述：

不同的總線標準

Ⅳ. 總線結構

1.單總線結構

• 誠如文首所言崭庸，隨著計算機應用范圍擴大，其外部設備種類和數量越來越多，它們對數據傳輸數量和數據傳輸速度的要求越來越高怕享，倘若繼續(xù)采用單總線結構必然會使得信號的傳播延遲時間大大增加执赡，影響系統(tǒng)的工作效率

2. 雙總線結構

• 雙總線結構的特點是將速度較低的I/O設備從單總線分離出來，形成主存總線與I/O總線分開的結構

• 圖中CPU將一部分功能下放給通道函筋，使其對I/O設備具有統(tǒng)一管理的功能沙合，其系統(tǒng)吞吐能力可以相當大。大多用于中跌帐、大型計算機系統(tǒng)

  
  
  雙總線結構

3. 三總線結構

• 主存總線用于CPU與主存之間的傳輸首懈；I/O總線供CPU與各類I/O設備之間傳遞信息；DMA總線用于高速I/O設備與主存之間直接交換信息

• 任一時刻只能使用一種總線含末；主存總線與DMA總線不能同時對主存進行存炔率啊；I/O總線只有在CPU執(zhí)行I/O指令時才能用到

  
  
  三總線結構

• 處理器與Cache之間有一條局部總線佣盒，將CPU與Cache或與更多的局部設備連接

  
  
  三總線結構的又一形式

4. 四總線結構

• 增加了一條與計算機系統(tǒng)緊密相連的高速總線挎袜。高速總線上掛接了一些高速I/O設備，如高速局域網肥惭、圖形工作站盯仪、多媒體、SCSI等

  
  
  四總線結構

5. 總線結構舉例

①傳統(tǒng)微型機總線結構

傳統(tǒng)微型機總線結構

• 實現(xiàn)了高速設備與低速設備的分離
• CPU與存儲器通過系統(tǒng)總線進行連接
• 通過一個標準總線控制器拓展出I/O總線蜜葱，再將各類設備連接到I/O總線上

②VL-BUS局部總線結構

VL-BUS局部總線結構

• 實現(xiàn)了高速設備與低速設備的分離
• CPU與存儲器通過系統(tǒng)總線進行連接
• 擴展出了一條高速總線——VL-BUS總線全景，它連接了高速圖形設備
• 通過標準總線控制器拓展出了一條低速總線

③PCI總線結構

PCI總線結構

• CPU與存儲器通過系統(tǒng)總線進行連接
• 通過PCI橋拓展出了一條PCI總線，通過PCI總線連接高速設備牵囤，如多媒體設備爸黄、高速圖形設備、高速網絡設備
• 通過標準總線控制器拓展出了類似ISA揭鳞、EISA這樣的總線炕贵，用于連接低速設備

④多層PCI總線結構

多層PCI總線結構

• 通過PCI橋，可以增強總線的驅動能力

Ⅴ. 總線控制（?）

1. 總線的判優(yōu)控制

基本概念：

按其對總線有無控制功能：

主設備（模塊）： 對總線有控制權
從設備（模塊）：響應從主設備發(fā)來的總線命令野崇；它本身不能對總線進行控制称开，也不能提出總線的占用請求

有些設備既可作為主設備，也可作為從設備
有些總線有多個主設備乓梨，有些總線只能有一個主設備

總線的判優(yōu)控制可以分為：

1.集中式
2.分布式

總線判優(yōu)控制

a. 鏈式查詢方式

鏈式查詢方式

• 數據線用于數據傳輸過程中的信息交換
• 通過地址線找出要通信的設備
• BR——總線請求：所有設備通過BR發(fā)出總線占用的請求
• BS——總線忙：某一設備占用了總線控制權鳖轰，則通過該線告訴其他總控設備或其他設備總線忙
• BG——總線同意：通過BG逐個查詢，當遇到第一個提出總線占用請求的設備時扶镀，不在繼續(xù)向下查詢蕴侣；因此，設備的總線占用優(yōu)先級與BG的順序有直接關系
• 缺點：對電路故障很敏感——BG線上如果某個設備的接口出現(xiàn)故障臭觉，則無法繼續(xù)向下傳遞

b. 計數器定時查詢方式

計數器定時查詢方式

• 類似與鏈式查詢方式睛蛛，該方式新增了一條設備地址線鹦马，并在總線控制部件中內置了一個計數器
• 當BR線發(fā)出總線占用請求時，若可應答響應請求忆肾，內置的計數器會開始計數荸频，并向各設備發(fā)出一組地址信號。直到計數值與設備地址一致時客冈，設備獲得總線控制權
• n是允許接納的最大設備數旭从，則該方式大致用log₂n條線

c. 獨立請求方式

獨立請求方式

• 每一個設備均有一對總線請求BR_i線和總線同意BG_i線
• 有設備需要占用總線時，會發(fā)出請求信號至總線控制部件的排隊電路场仲，并根據優(yōu)先次序確定響應何設備的請求
• 其響應速度快和悦，優(yōu)先次序控制靈活，但控制線數量多渠缕，總線控制更加復雜
• n是允許接納的最大設備數鸽素，則該方式需采用2n條線

2.總線通信控制

目的：解決通信雙方 協(xié)調配合 問題

總線傳輸周期

a. 申請分配階段

• 由需要使用總線的主模塊提出申請，總線仲裁決定

b. 尋址階段

• 主模塊向從模塊給出地址和命令

c.傳數階段

• 主從模塊交換數據

d. 結束階段

• 主模塊撤銷有關信息

總線通信的方式

a. 同步通信

• 由統(tǒng)一時標控制數據傳送
  
  同步式數據輸入
  • T₁上升沿由主設備給出地址信號亦鳞；
  • T₂上升沿需給出讀命令信號馍忽，表示主設備要在從設備中讀取數據
  • T₃上升沿之前需通過數據總線給出數據信號
  • T₄上升沿可以撤銷數據信號和控制信號（讀），T₄周期結束時可以撤銷地址信號
    
    同步式數據輸出
  • T₁上升沿由主設備給出地址信號燕差；
  • T₁下降沿之前需通過數據總線給出數據信號
  • T₂上升沿前需給出寫命令信號遭笋，表示主設備要向從設備中寫入數據
  • T₄上升沿可以撤銷數據信號和控制信號（寫），T₄周期結束時可以撤銷地址信號

b. 異步通信

• 采用應答方式徒探，沒有公共時鐘標準
  
  異步通信的三種方式
  • 不互鎖方式：主設備向從設備發(fā)出請求信號??從設備接收到請求后進行應答??主設備撤銷請求信號??從設備撤銷應答信號瓦呼；（主設備不論從設備是否應答都會在一段時間后撤銷請求信號，從設備應答后不論主設備是否接受到應答信號也會在一段時間后撤銷應答信號）
  • 半互鎖方式：主設備向從設備發(fā)出請求信號??從設備接收到請求后進行應答??主設備接收到應答信號后撤銷請求信號??從設備撤銷應答信號（主設備若接收不到應答信號會一直保持請求测暗，從設備應答后不論主設備是否接受到應答信號也會在一段時間后撤銷應答信號）
  • 全互鎖方式：主設備向從設備發(fā)出請求信號??從設備接收到請求后進行應答??主設備接收到應答信號后撤銷請求信號??主設備撤銷信號后??從設備撤銷應答信號

c.半同步通信

• 同步央串、異步結合
  
  半同步通信
  
  以輸入數據為例時的半同步通信時序：
  
  輸入數據時的半同步通信時序
  • 主模塊與從模塊之間速度不一致，在T₃到來之前碗啄，從模塊無法向主模塊提供數據蹋辅，從模塊則會發(fā)出低電平有效的WAIT信號，主模塊檢測WAIT信號線挫掏，若WAIT持續(xù)置低電平，則主模塊等待秩命；直至WAIT置高電平尉共，進T₃周期
    
    半同步通信

上述三種方式的共同點：

同步、異步弃锐、半同步方式通信的共同點

d. 分離式通信

• 充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力
  
  一個總線傳輸周期
• 將上述的三種通訊方式可以看出袄友，三個階段中只有兩個是占用總線的，那么將這兩個占用總線的階段劃分為兩個子周期霹菊，中間階段不占用總線的時候釋放總線控制權

特點：

• 各模塊有權申請占用總線
• 采用同步方式通信剧蚣，不等待對方回答
• 各模塊準備數據時支竹，不占用總線
• 總線被占用時，無空閑

Written by Tknight9 ?

Written in 11/29/2020