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【计算机组成原理】第六章总线系统

发布：2023-09-24 21:43

系列文章目录

第一章计算系统概论
第二章运算方法和运算器
第三章多层次的存储器
第四章指令系统
第五章中央处理器
第六章总线系统
第七章外围设备
第八章输入输出系统

第六章总线系统

6.1 总线的概念和结构形态

6.1.1 总线的基本概念

数字计算机是由若干系统功能部件构成的，这些系统功能部件在一起工作才能形成一个完整的计算机系统。
总线定义：计算机的若干功能部件之间不可能采用全互联形式，因此就需要有公共的信息通道，即总线。
总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。
总线可分为以下几类：
- 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线。
- 系统总线：外部总线。CPU和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。
- I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。

1、总线的特性

总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。
- 物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）
- 功能特性：每根线的功能
- 电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。
- 时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。

2、总线的标准化

相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用
为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等
采用标准总线的优点：
- 简化系统设计
- 简化系统结构，提高系统可靠性
- 便于系统的扩充和更新
总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。
- 一次操作可以传输的数据位数
- 如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。
- 总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。
- 单位MB/s

6.1.2 总线的连接方式

适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。
- 速度匹配和同步
- 电平转换
- 串并转换
单机系统中总线结构的两种基本类型：
- 单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。
- 多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。

单总线：

单总线结构特点：
- 在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。

多总线：

高速的CPU总线：CPU和cache之间采用
系统总线：主存连在其上。
高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。
通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。
多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。

6.1.3 总线的内部结构

早期总线的内部结构如图所示，它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。
这种简单的总线一般也由50～100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。
早期总线结构的不足之处在于：
- CPU是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。
- 总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。

6.1.4 当代流行的总线内部结构

当代流行的总线内部结构
数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。
- 其结构与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。
- 为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用方式。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。
中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。
公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。

6.1.5总线结构实例

大多数计算机采用了分层次的多总线结构。
右图它是一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。

6.2 总线接口

6.2.1 信息传送方式

计算机系统中，传输信息基本有三种方式：
- 串行传送
- 并行传送
- 分时传送
出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。分时传送即总线的分时复用。
串行传送
- 使用一条传输线，采用脉冲传送。
- 主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。
- 缺点就是速度慢。
并行传送
- 每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送。
分时传送
- 总线复用或是共享总线的部件分时使用总线

6.2.2 总线接口的基本概念

接口是CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件。
接口的典型功能：控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断。
一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连，采用并行方式，另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。（p198）

6.3 总线的仲裁

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方请求。
每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。
为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。
总线占用期：主方持续控制总线的时间。
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式和分布式两种。

6.3.1 集中式仲裁

集中式仲裁有三种：
- 链式查询方式：离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。
  - 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。
  - 缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。
计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。
计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级。
在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之…BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
独立请求方式：优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少。对优先次序的控制也是相当灵活的。