总线:特性、分类、性能指标、系统总线的结构、总线仲裁、总线定时、总线标准

总线(Bus),是一组为各功能部件之间进行信息传送的公共线路。

总线的特性:

  • 机械特性(物理特性):尺寸、形状、引脚数、排列顺序。
  • 电气特性:每根信号线上的信号传输方向、表示信号有效的电平范围。
  • 功能特性:每根信号线的功能。例如:地址总线表示地址码,数据总线表示传输的数据,控制总线表示总线上操作的命令和状态等。
  • 时间特性(逻辑特性):每根信号线上的信号什么时候有效,信号的时序关系。

总线的分类:

系统总线是通常意义上所说的总线。系统总线包括地址总线、数据总线、控制总线。

有些系统,地址总线和数据总线是复用的,即总线上的信号某一时刻表示地址另一时刻表示数据。

总线的性能指标:

总线宽度:又称总线位宽。总线上能同时传输的数据位数。通常与数据总线的根数相同。

总线周期:又称总线的传输周期。一次总线操作所需的时间。也就是通过总线传输 一组数据所需的时间。

        通常总线周期由若干个总线时钟周期构成。有时1个总线周期是1个总线时钟周期,有时1个总线时钟周期包含多个总线周期。

总线周期包括申请阶段(请求和仲裁)、寻址阶段、传输阶段、结束阶段。

  1. 申请阶段(请求和仲裁):设备发出申请信号,经总线仲裁机构决定哪个设备获得总线使用权。
  2. 寻址阶段:主设备通过总线发出从设备的地址和相应的命令,启动从设备。
  3. 传输阶段:主设备和从设备之间进行数据传送。
  4. 结束阶段:主设备的有关信息全部从总线上撤销,让出总线使用权。

主设备:获得总线控制权的设备。

从设备:被主设备访问的设备。只能响应主设备发来的总线命令。

总线时钟周期:机器的时钟周期。即CPU的时钟部件发出节拍信号,1个节拍信号就是1个时钟周期。现在的计算机,总线时钟周期可能由桥接器提供。

总线工作频率:单位时间的传输率(一秒传送多少次数据)。是总线周期的倒数。

总线时钟频率:一秒有多少时钟周期。是总线时钟周期的倒数。

总线带宽:又称总线的数据传输率。即单位时间总线传输的数据位数(每秒总线上传输多少字节)。单位:字节/秒(B/s)

        总线带宽 = 总线工作频率 * 总线宽度 = 总线宽度 / 总线周期

信号线数:地址总线、数据总线、控制总线这3种线 数量的和。

系统总线的结构:

系统总线的结构
单总线结构双总线结构三总线结构四总线结构
一组总线两组总线三组总线四组总线
系统总线主存总线,I/O总线主存总线,I/O总线,DMA总线(Direct Memory Access)

CPU总线、系统总线、高速总线,扩充总线

需要硬件:通道需要设备:桥接器
CPU、主存、I/O设备都通过一组系统总线交换数据。

通道对I/O设备统一管理,通道程序存放在内存中。

支持突发(猝发)传送即送出一个地址,收到多个地址连续的数据。

高速外设通过DMA总线直接与主存交换数据。

桥接器用于连接不同的总线,具有数据缓冲、转换、控制功能。

结构简单,成本低。但带宽低,负载重,不支持并行传送。缓和CPU和I/O设备之间的速度矛盾。但需增加通道等硬件设备。缓和CPU和高速外设(磁盘)之间的速度矛盾。I/O设备对CPU的响应更快,提高系统吞吐量。但系统工作效率低(因同一时刻只有一个总线工作)

现代计算机更常使用。

越靠近CPU的总线速度越快。

总线仲裁:

总线仲裁:同一时间只能一组设备(2个)之间使用总线进行数据传送,多个设备同时需要使用总线,通过某种方式选择某一个主设备获得总线控制权,从而进行数据传送。

总线总裁的方式:集中仲裁方式(链式查询方式、计数器查询方式、独立请求方式),分布仲裁方式。

总线定时:

总线定时:是一种协议或规则,通过总线完成两个设备之间的数据传送需要时间上的配合。

(1)同步通信(同步定时方式):由统一的时钟信号控制数据传送。固定的时间间隔,总线周期的时间相同。

(2)异步通信(异步定时方式):没有统一的时钟控制,主设备和从设备之间采用应答方式。

  •  不互锁:主设备发出“请求”信号,不必等到从设备的“回答”信号,过段时间自动撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后,发出“回答”信号,过段时间自动撤销“回答”信号。
  • 半互锁:主设备发出“请求”信号,必须等到从设备的“回答”信号,再撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后,发出“回答”信号,过段时间自动撤销“回答”信号。
  • 全互锁:主设备发出“请求”信号,必须等到从设备的“回答”信号,再撤销“请求”信号。从设备接收“请求”信号后,发出“回答”信号,必须等到主设备已经撤销“请求”信号,才撤销“回答”信号。

(3)半同步通信:同步、异步结合。统一时钟的基础上,增加“等待”信号。

(4)分离式通信:主设备申请使用总线,使用完让出总线使用权。从设备申请使用总线,将数据传送到总线。从设备准备数据的时候不需要使用总线,让给其他设备使用总线。提高总线利用率。

总线标准:

总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准,是把不同模块组成计算机系统时必须遵守的规范。保证计算机系统的可维护性和可扩充性。按照总线标准设计的接口可以视为通用接口。

总线标准
ISAIndustry Standard Architecture1984年系统总线并行不支持总线仲裁
EISAExtended ISA1988年系统总线并行在ISA基础上增加位宽
FSB,QPI

Front Side Bus,

QuickPath Interconnect(multi-FSB)

系统总线串行

FSB连接CPU与北桥芯片。

QPI用来芯片之间的直接互联,矛头直指AMD的HT总线。

VESAVideo Electronics Standard Architecture1991年局部总线并行

用于传输图像。连接高速网卡、显卡等。

受CPU的控制。

PCIPeripheral Component Interconnect1992年局部总线并行

连接显卡、声卡、网卡等。

支持即插即用,支持突发传送。

不依附于某个独立处理器,独立于CPU主频。

AGPAccelerated Graphics Port1996年局部总线并行

基于PCI 2.1版。

连接主存、显卡。

PCI-EPCI-Express2001年局部总线串行不支持总线仲裁。支持双向传送,可运行全双工模式,支持热拔插。
RS-232CRecommended Standard1970年通信总线串行连接极慢速的电传打印机。
SCSISmall Computer System Interface1986年通信总线并行连接硬盘、打印机、扫描仪等。
PCMCIPersonal Computer Memory Card International Association1991年通信总线并行连接便携设备。连接外部存储卡,增强个人电脑的信息交换。
USBUniversal Serial Bus1996年通信总线串行

设备和设备控制器之间的接口。支持热拔插、即插即用。USB集线器可链式连接127个外设。

采用“差模信号”传送1/0。每次只能传送1bit数据。

IDE(ATA)

Integrated Drive Electronics

(PATA:Parallel ATA)

1986年通信总线并行连接硬盘、光驱等。
SATASerial ATA2001年通信总线串行连接硬盘、光驱等。

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