【组成原理期末复习】06总线系统

数字计算机由多个系统功能部件组成，这些系统功能部件可以一起工作形成一个完整的计算机系统。

计算机的多个功能部件不能采用全互联的形式。

有公共信息通道，即总线。

总线它构成了计算机系统互联机构，在多个系统功能部件之间数据传送公共通道。在总线连接的帮助下，计算机在系统功能部件之间交换地址、数据和控制信息争用资源在工作的基础上。

内部总线： CPU内部连接寄存器和运算器部件之间的总线

系统总线： 外部总线或板级总线(数据总线)DB、地址总线AB、控制总线CB），CPU同计算机系统其它高速功能部件例如，连接到存储器和通道的总线构成一个完整的微机系统

I/O总线： 中低速I/O设备相互连接的总线

物理特性： 物理连接方式（根数、插头、插座形状、引脚排列等）

功能特性： 每条线的功能(数据、地址、控制等)

电气特性： 每个在线信号的传输方向和有效电平范围（单向、双向、高/低电平）

时间特性： 规定每条总线何时有效。规定了总线各信号的有效时序关系，CPU正确区分和使用

总线宽度： 数据线的根数（bit）

总线带宽： 总线本身能达到的最高水平传输速率，单位为每秒兆字节（MB/s），实际带宽会受到总线布线长度和驱动性能的影响

时钟： 同步(所有互联部件或设备通过时钟同步)、异步(依靠部件或设备内部的定时操作)

总线复用： 数据和地址在同一条总线上传输

信号线数： 数据线、地址线和控制线的总和

总线控制模式： 串行链接(按物理位置排优先级)，定期搜索(计数改变优先级顺序)，独立请求

例题：

假设总线周期等于总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少？

解：4B × 33MHz = 132MB/s

如果64位数据在总线周期中并行传输，总线时钟频率为66MHz，总线带宽是多少？

解：（64b ÷ 8）× 66MHz = 528MB/s

本标准规定了总线的机械结构、功能结构和电气规范，按总线标准设计的接口可视为通用接口。

正式标准：由国际标准化组织指定

工业标准：由行业和大公司提出

连接单个系统总线CPU、内存和I/O设备

特点： 要求连接到总线的部件必须高速运行，否则，可能会导致很大的时间延迟

传送指令： CPU取一个指令时，程序计数器PC地址和控制信息一起发送到总线。地址不仅添加到主存储器中，还添加到总线上的所有外围设备中。只有与总线上地址相对应的设备才能进行数据传输操作

传送数据： 取出指令后，CPU检查操作码。操作码规定了数据要执行什么操作，数据流入CPU还是流出CPU

I/O操作： 如果该指令地址字段对应的是外围设备地址，则外围设备译码器予以响应，从而在CPU数据传输发生在与地址对应的外围设备之间，数据传输的方向由指令操作码决定

单总线结构容易扩展CPU系统

优点： 结构简单，成本低，易于接入新设备

缺点： 带宽低，负载重，多个部件只能使用唯一的总线，不支持和传输操作

在CPU一组高速存储总线专门设置在主存储器之间，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担

在双总线系统的基础上增加I/O总线，IOP（I/O处理器)可以可以共享CPU实现外设与主存之间的统一管理和数据传输

I/O处理器可以存储数据

多总线结构采用多条总线

CPU总线： 连接CPU和cache

系统总线： 连接CPU与主存

高速总线： 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等外设)Firewire接口(支持大容量I/O设备)。通过扩展总线接口连接到扩展总线，扩展总线可以串联工作I/O设备

桥： 它是一种具有缓冲、转换和控制功能的逻辑电路。不同类型的桥梁扩展不同层次的总线，分别连接高速、中速和低速设备。

特点：反映了多总线结构高速、中速、低速设备同时连接到不同的总线，以提高总线的效率和吞吐量，处理器结构的变化不影响高速总线

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。

按功能可分为：地址线、数据线、控制线

特点： 地址线是单向的，用来传送主存与设备的地址，数据线是双向的，用来传送数据，控制线一般而言对每一根线是单向的，用来指明数据传送的方向、中断控制和定时控制等

不足之处： CPU是总线上唯一的主控者；总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构与CPU紧密相关，通用性较差

CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许多个这样的处理器模块

总线控制器完成多个总线请求者之间的协调与仲裁

整个系统分为四个部分

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

南桥、北桥：连接总线，作用是信号速度缓冲、电平转换和控制协议的转换

CPU总线：包含64位数据线和32位地址线的同步总线，（传统观点看）可看作CPU引脚的延伸

PCI总线：32位（或64位）的同步总线，地址线和数据线分时复用，连接高速的I/O模块，如图形显示适配器、硬盘控制器等，采用集中式仲裁方式

I/O功能模块通常简称为I/O接口，也叫适配器

I/O接口是CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件

通过适配器可以实现高速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所有的数据传送和控制。适配器通常简称接口

基本有三种：串行传送、并行传送、分时传送

早期出于速度和效率上的考虑，系统总线采用并行传送方式

• 串行传送：使用一条传输线，采用脉冲传送；低位在前，高位在后

  • 优点：只需要一条传送线，成本低廉，对长距离传输优点较为明显

  • 缺点：频率较低时，相对并行传送速度慢

• 并行传送：每一位数据一条传输线，一般采用电位传送

  • 优点：传输速度快
  • 缺点：存在信号干扰

• 分时传送：同一部件总线复用 或 共享总线的部件分时使用

两个接口：

• 与系统总线相连
  • 控制寄存器发送命令 状态寄存器获取外设或I/O设备状态信息
• 与外围设备相连
  • 通过I/O控制器来和外设进行数据交换
• I/O端口：I/O控制器中CPU能够访问的各类寄存器

接口功能：

• 控制：接口模块靠指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等
• 缓冲：接口模块在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各 种设备在速度上的差异
• 状态：接口模块监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括“准备就 绪”、“忙”等，供CPU询问外围设备时进行分析
• 转换：接口模块可以完成任何要求的数据转换，如串并、并串、模拟数字信号转换等
• 整理：接口模块可以完成一些特别的功能，例如：修改字计数器、内存地址寄存器
• 程序中断：每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口模块发出中断请求信号到CPU

接口模块分为并行数据接口和串行数据接口两大类

每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间内可以有多个从方。

主方：可以启动一个总线周期，如CPU模块，可以做主方也可以做从方；

从方：只能响应主方的请求，如存储器模块只能用作从方。

为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的文体，必须有总线仲裁部件。

一般采用优先级或公平策略进行仲裁。

优先级：I/O模块通常采用优先级策略

公平策略：多处理器系统中对各CPU模块的总线请求采用公平的原则来处理

仲裁方式：

• 集中式仲裁

  每个功能模块中有两条线连接到总线控制器：总线请求BR（bus request）、总线授权信号线BG(bus grant)

  • 链式查询方式：总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。若BG到达的接口无请求，则继续向下查询，若有请求，停止查询

    • 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：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：设备通过BR发送请求，总线仲裁接收到请求后，在BS（bus busy）为0的情况下计数器开始计数，计数器数值和设备地址一致时，BS置1，中止计数器查询。

    • 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

  • 独立请求方式：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
    • 当代总线标准普遍采用独立请求方式

• 分布式仲裁

  • 不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。
  • 当有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较 如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上
  • 分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础

总线的信息传送过程分为5个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回

为了同步主、从双方的操作，必须置顶定时协议。定时是指时间出现在总线上的时序关系

• 读、写操作
  • 读操作是由从方到主方的数据传送
  • 写操作是由主方到从方的数据传送
  • 一般地，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一 定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减 少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以 使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数 据传送总线周期
• 块传送操作
  • 只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接 一个地读出或写入
  • 对于CPU（主方）存储器（从方）而言的块传送，常称为猝发式传送。其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长） 的4倍 例如一个64位数据线的总线，一次猝发式传送可达256位
• 写后读、读修改写操作
  • 这是两种组合操作，只给出地址一次（表示同一地址）， 或进行先写后读操作，或进行先读后写操作
  • 前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享存储 资源的保护
  • 这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成
• 广播、广集操作
  • 一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。 但有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播
  • 与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源

目前，典型的总线标准有ISA，EISA，VESA，PCI，PCI-Express，AGP，RS-232C， USB等

它们的主要区别是总线宽度，带宽，时钟频率，寻址能力，是否支持突发传送等