总线概述
基本概念
总线定义
- 定义：一组能为多个部件分时和共享公共信息的传送线路
- 这里的分时和共享是总线的两个特点（时间方面和空间方面）
- 分时：同一时刻只允许一个部件使用总线，多个部件需要分时
- 共享：总线可以挂接多个部件
总线设备分类
- 主设备：有主线控制权的设备
- 从设备：被主设备访问的设备，只能响应来自主设备的总线命令
总线特性
- 机械特性：尺寸、形状等
- 电气特性：传输方向、有效电平范围
- 功能特性：每根传输线的功能
- 时间特性：信号和时序的关系
总线猝发传输方式
- 指的是可以连续传送地址连续的多个数据字（而不用每次都传地址）
- 由主存总线（详见后面多总线结构）支持
总线分类
按功能分类
- 片内总线：CPU芯片内部的总线
- CPU内寄存器之间
- CPU内寄存器和ALU之间
- 系统总线
- 数据总线
- 计算机系统各部件传送数据信息
- 双向传输
- 位数和机器字长、存储字长有关
- 地址总线
- 指出数据总线上的数据所在主存单元
- 单向传输
- 位数和主存地址空间大小有关
- 控制总线
- 传输CPU控制命令或主存或外设返回CPU的反馈信号
- 可以是单向或双向传输
- 电源线和地线：为总线、设备、部件提供电源
- 数据总线
- 通信总线
- 计算机系统之间传送信息的总线
- 又叫外部总线 按时序控制方式分类
- 同步总线
- 异步总线
按数据传输格式分类
- 并行总线
- 串行总线
总线结构
- 单总线结构
- 把CPU、内存、IO设备接口（IO设备有磁盘、打印机、显示器、键盘）挂到一组总线上
- 这里的单指的是单组，包括地址总线、数据总线、控制总线多根线
- 结构简单、成本低；带宽低、负载重、不能并发传送
- 双总线结构
- 把CPU、内存、通道挂到主存总线（包括地址总线、数据总线、控制总线）上
- 把外部设备接口和通道（通道认为是简化版的CPU，复杂对IO进行管理）挂到IO总线上
- 实现了存储器总线和低速的IO总线分离；需要增加通道硬件设备
- 三总线结构
- CPU和主存挂到主存总线（包括地址总线、数据总线、控制总线多根线）
- 主存和高速IO设备接口（如磁盘是高速IO设备）挂到DMA总线（直接访存总线）
- CPU和IO设备接口挂到IO总线
- 提高IO设备的性能和系统吞吐量；系统工作效率变低（同一时刻只有一套总线工作）
性能指标
- 总线传输周期
- 即总线周期，指一次总线操作需要的时间
- 包括申请分配阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段（详见总线事务）
- 由若干时钟周期组成
- 总线时钟周期：计算机的时钟周期，总线也受到时钟控制
- 总线的工作频率：总线周期的倒数，即每秒传输几次数据
- 总线的时钟频率：时钟周期的倒数
- 总线宽度：即总线的位数，也可以说是根数，比如32根即32位的总线
- 总线带宽
- 总线的数据传输率，即单位时间传送的数据字节数
- 等于
总线工作频率 总线宽度
- 总线复用：同一种信号线在不同时间传输不同的信息，节约空间成本
- 信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的线数总和
总线事务
指的是从请求总线到完成总线使用的一个总线周期内的一系列获得
- 申请分配阶段
- 请求操作：主设备（CPU或DMA）申请获得总线控制权
- 仲裁阶段：总线仲裁机构决定把下一周期总线使用权授予某一个申请者
- 寻址阶段：主设备通过总线给出从设备地址、有关命令，启动从模块
- 传输阶段：主模块和从模块数据交换（单向或双向）
- 释放阶段：主模块撤出在系统总线上的有关信息，让出总线控制权
总线定时
同步定时方式
- 定义：系统采用统一时钟信号协调发送方接收方的传送定时关系
- 优点：传送速度快、控制逻辑简单
- 缺点：主从设备强制同步；适合总线短、所连部件存取时间接近（因为时钟周期以较慢部件为准，存取时间差距大会导致高速部件效率低）；不能校验数据有效性
异步定时方式
- 定义：主从设备间，没有统一的时钟，双方依靠握手信号实现定时控制
- 优点：总线周期长度可变；对于工作速度差别大的部件也可以可靠高效的交换信息
- 缺点：速度慢，控制复杂
- 分类
- 不互锁方式
- 主设备发送请求，一段时间后撤销请求
- 从设备发送回答，一段时间后撤销回答
- 半互锁方式
- 主设备发送请求，接收到回答后再撤销请求
- 从设备发送回答，一段时间后撤销回答
- 全互锁方式
- 主设备发送请求，接收到回答后再撤销请求
- 从设备发送回答，获知主设备请求撤销后撤销回答
- 不互锁方式
