• 【计算机组成原理】第六章 总线


    6.1 概述

    一、总线的物理实现

    在这里插入图片描述
    如果四根信号线组成一个总线,所有硬件可以通过这根总线传递数据,可并行发送4bit数据,但是同一时刻只能有一个部件发送数据,但是能够有多个部件接收数据

    二、总线的分类和经典结构

    总线是一组能够为多个部件分时共享公共信息的传送线路 。总线能够解决IO设备和主机联建的灵活性问题,计算机的结构从分散连接发展为总线连接。总线的两个特性是共享和分时

    1.按数据传输格式分类

    串行总线:每次传1位,比如USB,优点是成本低,抗干扰能力强,应用于长距离传输,缺点是对数据发送和接收的时候,需要对数据进行拆卸和装配
    并行总线:每次传多位,总线的逻辑时序控制简单,电路实现容易。但是信号线数量多,占用更多布线空间,远距离传输容易出错。并且存在信号线间的干扰,因此并行总线工作频率不高,这也导致了并行总线可能比串行总线还慢

    2.按照功能分类

    (1)片内总线

    芯片内部的总线

    (2)系统总线

    系统总线是计算机系统内个功能部件之间相互连接的总线

    数据总线DB
    在各个功能部件之间传输数据信息,位数和机器字长、存储字长有关,是一个双向传输的总线。

    地址总线AB
    传递地址信息,包括主存单元和IO单元地址。位数和主存地址大小以及设备数量有关,当IO设备和主存采用统一编址的时候,AB需要能够独立表示主存的每个存储单元和各个IO设备,AB是单向传输的

    控制总线CB
    一根控制线传输一个信号,单根控制线是单向传输的,但是总线本身是双向的。

    (3)通信总线

    用于计算机和计算机之间的链接,比如网线。

    3.根据在计算机中的位置

    系统总线:
    直接和CPU链接,用于连接CPU和北桥芯片或CPU和主存等

    局部总线:
    没有直接和CPU相连,连接高速的北桥芯片,用于连接重要的硬件部件,比如显卡,声卡等

    设备总线、通信总线:
    由南桥芯片链接,用于连接其他计算机或者外部IO设备。

    三、系统总线结构

    1.单总线结构

    在这里插入图片描述
    另外CPU和主存速度快,IO设备速度慢,因此会浪费性能,有速度冲突

    2.双总线结构

    在这里插入图片描述

    3.三总线结构

    在这里插入图片描述

    系统工作效率低是因为同一时刻三个总线只能有一个总线在工作

    4.四总线结构

    在这里插入图片描述

    三、总线标准

    1. 系统总线标准

    ISA:早期的IBM推出的总线,不支持总线仲裁
    EISA:对ISA标准的扩展

    2.局部总线标准

    VESA:针对多媒体PC要求高速传送大量活动图像的要求诞生的
    PCI标准:高性能、可扩充、支持即插即用
    AGP:是独立于CPU的局部总线,是显卡专用的局部总线
    PCIE标准:从之前的并行转变为串行,大大提高了速率,并且是点对点的传输,支持全双工模式,支持热插拔

    3.设备总线标准

    • RS-232C:串行二进制交换的数据终端设备的标准接口,一般连接打印机,只有20kbps的速度
    • SCSI:小型计算机系统接口,用于连接激光打印机
    • PCMCIA:用于连接编写的存储设备的接口,支持即插即用
    • USB:属于设备总线,使用串行传输,可热插拔,即插即用,具有很强的连接能力,一个口最多可通过扩展坞连接127个设备。USB中的2、3号引脚用于传输数据,一般使用2、3号的电压差来表示0和1,这种差模信号抗干扰能力很强,因此工作频率可以很高,而也因如此,USB每次只传输1bit数据
    • IDE:硬盘总线标准,又称为ATA
    • SATA:串行的ATA标准,使用串行传输,速度更快

    408中考频较高的为USB、PCIE、PCI、ISA、EISA

    可以看到,现在串行总线都在逐渐替代并行总线

    =

    四、性能指标

    1. 总线传输周期(总线周期):一次总线操作所需的时间,包括申请、寻址、传输和结束阶段,由若干个总线时钟周期构成,但可以是一个时钟周期构成多个总线周期,因为在一个时钟周期内可能出现电压的跳变,而总线可能在跳变前发送一个数据,在跳变后又发送一个
    2. 总线时钟周期:就是机器的时钟周期,机器时钟周期控制着计算机的各个部件。在现代计算机中,也可能是由桥接器发出的
    3. 总线的工作频率:总线周期的倒数,指的是一秒内传输多少次数据
    4. 总线的时钟频率:时钟周期的倒数,表示一秒内有多少时钟周期
    5. 总线宽度:又称为总线位宽,用于标识总线能够同时传输多少位数据
    6. 总线带宽:表示单位时间内总线上可传输的数据的位数,是总线的数据传输率
      总 线 带 宽 = 总 线 工 作 频 率 × 总 线 宽 度 总线带宽=总线工作频率\times总线宽度 线=线×线
    7. 总线复用:指的是用一种信号线在不同时间传输不同的信息,能够使用较少的线传输较多的信息,节约了空间和成本
    8. 信号线数:地址总线、数据总线和控制总线三种线的总和

    6.2 总线事务和定时

    一、总线周期的四个阶段

    在这里插入图片描述
    本节介绍的是,总线在双方交换数据过程中需要时间上配合的关系的控制,这种控制称之为总线定时,实质是一种协议或者规则。

    二、定时分类

    1.同步定时方式

    总线控制器采用一个统一的时钟信号来协调发送和接受双方的传送定时关系
    以下例子默认低电平有效
    在这里插入图片描述

    同步定时中,每个周期进行什么操作是已经固定的,比如上述例子的T3固定用于给出数据,但是如果从设备速度较慢,在T3给不出完整的数据那么可能会要再使用一次总线传输周期来进行读。

    优点:传输速度快,有较高传输频率,总线控制频率较高,总线控制逻辑简单
    缺点:主从设备是强制性同步的,如果主从尚未完成传输,只要周期结束都会被强制终端;不能及时进行数据通信的有效性检验,可靠性差。

    一般使用在总线长度较短的以及双方部件的存取时间比较近的系统,这样双方在传数据的时候速度较为匹配

    2.异步定时方式

    没有具体的时间间隔,也没有统一的时钟。主设备需要数据时会发出请求信号,而设备则会通过接口向主设备发出”应答”信号。双方根据收到的信号完成定时,该方式还能细分为以下三种:
    在这里插入图片描述
    优点:异步定时的总线周期可变,能够保证两个工作速度相差较大的设备之间进行数据交换
    缺点:速度比同步定时慢,控制比同步控制方式更复杂

    3.半同步通信

    统一时钟的基础上,增加一个等待响应信号,通过此可以使得在传输周期内无法传输完所有数据的设备延长传输时间。
    在这里插入图片描述

    4.分离式通信

    在这里插入图片描述
    可以将从模块准备数据期间,总线空闲的时间让给其他需要使用总线的进程,提高了总线利用率

    特点:

    • 各个模块都有权申请占领总线,而不区分主模块和从模块
    • 采用同步方式通信, 不需要等待对方回答
    • 各模块准备数据的时候,不需要占用总线
    • 总线利用率高
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_45434953/article/details/127409579