计算机总线

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1.基本概念

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  总线，bus，表示计算机内各元器件之间的共享的传输介质，如大脑中的神经系统

什么是总线

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，是计算机各种功能之间传送信息的公共通信干线，由导线组成。

总线是分位的，目前电脑的总线位数由16位、32位、64位等。位数越大，传输数据越多，越快。

总线上的信息传送

  • 串行
  • 并行

图0812-1 串行并行示意图

总线结构图示

单总线结构

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  单总线结构  所有I/O设备都挂载在同一个系统总线上

优点：简单，易于扩展

缺点：总线共用，易阻塞

面向CPU的双总线结构

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  以CPU为中心，I/O总线连接所有外部输入输出设备，M总线连接系统主存


优点：实践表明，CPU与主存之间通信最为频繁，所以在CPU与主存之间加一条单独总线尤为重要，提高系统的效率

缺点：结构较为复杂，当I/O设备需要与主存通信时，需要进过CPU转发，加大了CPU的负载

以主存为中心的双总线结构

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  在以CPU为中心的双总线结构之上，将主存连接在系统总线之上

2.总线分类

以位置区分

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  片内总线:  芯片内部的总线
  系统总线:  计算机内各部件之间的信息传输线
   数据总线：双向，与机器字长、存储字长有关
   地址总线：单向，与存储地址、I/O地址有关
   控制总线

通信总线:  计算机之间或计算机系统与其他系统之间通信

传输方式：  串行通信总线、并行通信总线

以功能区分

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  数据总线

用以传输数据


地址总线

用以传输数据地址


控制总线

用以传输控制信号

3.总线特性及性能指标

3.1总线物理实现

图0811-2 总线物理结构示意图

3.2总线特性

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  从物理角度来看，总线由许多导线直接印在电路板上，延伸到各个部件

机械特性

总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座使用的标准，几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等。

电气特性

总线每一根传输线上的信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号，送入CPU的型号称为输入信号。

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  通常，由主设备（如CPU）发出的信号称为输出信号（OUT），送入主设备的信号称为输入信号（IN）。
  通常数据信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0
  控制信号则没有俗成的约定，如WE表示低电平有效、Ready表示高电平有效。
  不同总线高电平、低电平的电平范围也无统一的规定，大多数总线的电平定义与TTL（TTL规定，+5V等价于逻辑"1"，0V等价于逻辑"0"）相符，例外情况，如RS-232C（串行总线接口标准）其电平特性规定低电平表示逻辑"1"，并要求电平低于-3V；用高电平表示逻辑"0"，还要求高电平需高于+3V，额定信号电平位-10V和+10V左右。

功能特性

传输线的功能：地址（地址码）/数据（数据）/控制（操作命令、状态）

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  地址总线-指出地址码
  数据总线-传递数据
  控制总线-发出控制信号

时间特性

信号的时序关系

时间特性又称为逻辑特性，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。

3.3总线性能指标

总线宽度

数据线的根数，用bit（位）来表示

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   8位 -  8根
  16位 - 16根
  32位 - 32根
  64位 - 64根

总线带宽：表示总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，用每秒传输信息的字节数来衡量，单位MBps（兆字节每秒）MHz × （W ÷ 8） = 1 MBps

  • MBps 总线带宽，即标准传输率
  • MHz 总线工作频率
  • W 总线宽度
  • 8 一字节相当于8位二进制数

时钟同步/异步

同步、不同步

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  总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异同步总线。

总线复用

地址线与数据线的公用，其目的是减少引脚数

信号线数

地址线/数据线和控制线的总和

总线控制方式

突发

自动

仲裁

逻辑

计数

其他指标

负载能力

总线的负载能力即驱动能力，是指当总线接上负载后，总线输入输出的逻辑电平是否能保持在正常的额定范围内

3.4总线标准

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  总线标准：系统与各模块、模块与模块之间的一个互联的标准界面

图0811-3 总线标准示意

图0811-4 总线标准

标准说明

  • ISA总线（Industrial Standard Architecture） IBM为了采用全16位的CPU而推出的，又称为AT总线。由于其没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此不能支持堕胎住设备系统。
  • EISA总线（Extended Industrial Standard Architecture） 在ISA基础上扩充开放的总线标准。
  • VESA（VL-BUS）总线 由VESA（Video Electronic Standard Association，视频电子协会标准）提出的局部总线（在系统外为两个以上模块提供的高速传输信息通道）标准。
  • PCI总线（Peripheral ComponentInterconnect，外围部件互连） 随着图形用户接口（Graphical User Interface，GUI）和多媒体技术在PC系统上的广泛应用而应运而生的总线。 PCI总线具有以下特点： - 高性能 - 良好的兼容性 - 支持即插即用（Plug and Play） - 支持多主设备能力 - 具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力 - 提供数据和地址奇偶校验功能 - 支持两种电压标准 - 可扩充性好 - 软件兼容性好 - 采用多路符合技术，减少了总线引脚个数
  • AGP总线（Accelerated Graphics Port，加速图形端口） 随着多媒体计算机的普及，对三维技术的应用越来越广。Inter于1996年7月推出的，这是显示卡专用的局部总线，基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成。 AGP定义了一种"双激励"（Double Pumping）的传输技术，能在一个是助攻的上、下沿双向传递数据。
  • RS-232C总线（Recommended Standard） 由国际电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）推荐的一种串行通信总线标准，它是应用于串行二进制交换的数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的标准接口。

图0811-3 串行通信系统

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  DTE（Data Terminal Equipment）  数据终端设备
  DCE（Data Communication Equipment）  数据通信设备
  Modem  调制解调器
  • USB总线（Universal Serial Bus）

    通用串行总线。主要特点如下：

    • 具有正真的即插即用特征 - 具有很强的连接能力 - 数据传输率有两种 - 标准统一 - 连接电缆轻巧，电源体积缩小 - 生命力强

    4.总线结构

    4.1单总线结构

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      单总线结构：是一种将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O设备间、I/O设备与CPU之间或者I/O设备与主存之间直接交换形式的总线结构。

这种结构简单便于扩充，但所有的传送都是通过这组共享总线，极易形成计算机的性能瓶颈，因为总线不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息，这必然会影响系统工作效率的提高。

为了根本解决数据传输速率、解决CPU、主存与I/O设备之间传输速率的不匹配，实现CPU与其他设备相对同步，不得不采用多总线结构。

4.2双总线结构

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  双总线结构，将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。


通道：指一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下方给通道，使其对I/O设备具备统一管理的功能，完成内外部设备与主存储器之前的数据传送。

4.3三总线结构

结构一

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  将速率不同的I/O设备进行分类，然后将他们连接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成多总线结构，需要注意的是，在三总线结构中，任意时刻只能使用一种线


DMA总线：由主存连接高速I/O接口的总线

结构二

4.4四总线结构

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  在三总线的基础之上，增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。在高速总线上挂接了一些高速I/O设备


这种结构对高速设备而言，其自身的工作可很少依赖CPU，同时他们又比扩展总线上的设备更贴近CPU，可见对于高性能设备与CPU来说，各自的效率将获得更大的提高。

4.5总线结构的实例

传统微型机总线结构

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  典型的双总线结构

VL-BUS局部总线结构

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  将高速设备挂载在局部总线VL-Bus上，再与系统总线相连。


局部总线就相当于在CPU与高速I/O设备之间架上了高速通道，使CPU与高性能外设得到充分发挥，满足图形界面软件的需求

PCI结构总线

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  PCI总线是通过PCI桥路（包括PCI控制器和PCI加速器）与CPU纵向相连接。


这种结构使CPU总线与CPI总线相互隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速运行设备，而且具有即插即用的特性


当PCI总线驱动能力不足时，可采用多层PCI结构

5.总线控制

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  总线在同一时刻，只能由一对设备使用


数据线：用于数据传输

地址线：用于从设备地址查找

5.1总线的判优控制

基本概念

  • 主设备 对总线由控制权，可提出总线占用请求
  • 从设备

5.2总线通信控制

目的

总线传输周期

  • 申请分配阶段
  • 寻址阶段
  • 传数阶段
  • 结束阶段

通信方式

  • 同步通信
    数据输入
    数据输出
  • 异步通信
  • 半同步通信
  • 分离式通信

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