计算机组成原理——系统总线

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。
在某一时刻,只允许有一个部件向总线发送信息(否则冲突,传输无效),多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
总线分类:
按照数据传送方式:并行传输总线和串行传输总线
按连接部件不同:片内总线,系统总线,通信总线。

片内总线:芯片内部的总线
系统总线:计算机系统内个功能部件之间的信息传输线。

  • 按传输信息的不同:数据总线、地址总线、控制总线
    • 数据总线:传输部件之间的数据。双向
    • 地址总线:指名CPU欲访问的存储单元或IO端口的地址,由CPU输出,单向传输
    • 控制总线:控制各部件在不同时刻占用总线,既有输入又有输出

通信总线:计算机系统之间或与其他系统之间信息传送的总线

  • 并行传送距离近,速度快,贵。串行相反
总线特性

1.机械特性
指总线在机械连接方式上的一些性能,几何尺寸,形状,引脚个数,排列顺序,插头插座使用标准等
2.电气特性
总线上每一根传输线上的传递方向和有效的电平范围。(通常规定:CPU发出的是输出信号)
3.功能特性
总线中每根传输线的功能
4.时间特性
总线中的任一根线在什么时间内有效。(后面画同步通信过程的时候就有利用到时间特性,比如地址总线有效之后,数据总线才能有效)

总线标准
(重点是:USB标准,每种总线主要区别是应用的领域不一样,但这种记忆性的东西考察的话就很没营养,所以,肯定不会考,考察的重点肯定是那些有特点的,比如USB标准是唯一一个用于I/O设备的总线,支持热插拔,是串行传输等等这些特点)

ISA标准和EISA标准(是系统总线)
VESA标准(是局部总线)
PCI标准和PCI-express标准(局部总线,支持突发传送)
AGP总线(局部总线)
RS-232C总线(是串行通信总线
USB标准

  • 设备总线
  • 具有即插即用,热插拔的特点,
  • 是串行总线
  • 能实现扩展,使用USB HUB(USB集线器)一个系统最多可以链式连接127个外设

局部总线的作用:节省系统的总带宽(考的概率不大)

总线结构

单总线结构:所有IO设备,CPU,主存都在一条总线上
双总线结构:
一条主存总线,用于CPU、主存、通道之间
一条I/O总线,用于多个I/O设备和通道之间进行数据传送,通道具有CPU一部分功能。


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三总线结构:主存总线,DMA总线,I/O总线
主存总线用于CPU和主存之间,DMA总线用于主存和高速I/O设备,I/O总线用于设备和CPU之间。


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总线控制

总线判优控制:

当主设备想和另一个设备(从设备)通信时,需要发送总线请求信号,当多个主设备同时发出总线请求信号时,就需要进行总线判优控制。

分类:集中式和分布式两种
集中式:将控制逻辑集中在一处(如CPU)
分布式:将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上。
(书上只介绍了集中式,分布式没详细介绍。)

集中式优先权仲裁方式
  • 链式查询
    通过三根线用于总线控制——BS(总线忙)BR(总线请求)BG(总线同意),
    每一个I/O设备都并行连接BS、BR线
    BG线通过串联方式连接各个I/O设备
    • 机理:总线控制部件通过BG线发出总线同意信号,它沿途经过各个I/O接口,若有接口响应,则信号不再往下传,同时该接口发出总线忙BS信号,表示它占用了总线
    • 特点:很容易扩充设备,但对电路故障很敏感,且优先级别低的设备可能很难获得请求


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  • 计数器定时查询
    和链式查询的区别主要在于:移除了总线同意线,增加了设备地址线,设备地址线和各个设备并联连接,意味着信号将不再是依次传递给各个IO设备,而是各个IO设备同时接收设备地址线信号。
    每个设备都有一个设备地址,总线控制部件通过计数器计数,当该数值和设备的设备地址相等的时候,该设备获得总线使用权,终止计数器查询。
    特点:计数器计数方式可以设置,每次从0开始就等于链式查询,每次从上一次计数的终点开始查询,可以使设备优先级相等,
    特点:电路故障不如链式查询方式敏感
    增加了控制线数,因为设备地址线是一组线,用来表示设备地址。
  • 独立请求方式
    每一台设备都有一对总线请求线BRi和BGi,设备需要使用总线时,发出设备请求信号,总线控制部件通过排队电路决定响应哪一台设备。
    特点:响应速度快,优先次序控制灵活(通过程序改变),但控制线数量多,总线控制更复杂。
总线通信控制

虽然总线争夺能够决定使用总线的优先顺序,但是从微观上看,每个设备一次占用总线的时间是非常短的,系统会按照分时方式进行时间片的分配,部件之间轮流交替。
通常将完成一次总线操作的时间称为——总线周期
分为四个阶段

  • 申请分配阶段:需要使用总线的主设备提出申请,总线仲裁机构决定下一传输周期获得使用权的申请者。
  • 寻址阶段:主模块通过总线发出被访问的从模块的地址及有关命令,启动从模块
  • 传输阶段:主模块和从模块进行数据交换,可单向或双向
  • 结束阶段:主模块的有关信息从系统总线上撤除,让出总线使用权。

总线通信控制通常用四种方式:同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信
重点同步通信和异步通信
同步通信:系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收方。

  • 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:主从设备属于强制同步,不能及时进行数据通信的有效性检验,可靠性较差
    适用于总线长度较短或者总线所连接部件的存取时间比较接近的系统。

异步通信:通过互相制约的“握手”信号来实现定时控制。
流程:主设备提出“请求”信号,通过接口传送到从设备;从设备接到请求,通过接口向主设备发出“回答”信号。
优点:总线周期长度可变,能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换。
缺点:控制方式更复杂,速度比同步方式慢
可分为以下三种类型:
1)不互锁方式:在发送“请求”或“回答”信号一段时间后便撤销,不需要接收到回复信息。
2)半互锁方式:“请求”信号发出必须接收到“回答”信号才能撤销,有互锁关系。
2)全互锁方式:“请求”信号发出必须接收到“回答”信号才能撤销,“回答”信号必须获知“请求”信号已经撤销之后,才能撤销,双方都存在互锁关系。


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