提桶跑路笔记

408计组——6.总线

总线概述

总线基本概念

  1. 总线定义

    ⼀组能为多个部件分时、共享的公共信息传送路线

    分时： 同⼀时刻只允许有⼀个部件向总线发送信息；同⼀时刻只能有⼀个主设备控制总线的传输操作

    共享：总线上可以挂接多个部件

  2. 总线设备

    按对总线有无控制作用分为主设备、从设备

    • 主设备： 发出总线请求获得总线控制权的设备
    • 从设备： 被主设备访问的设备，只能响应总线命令

  3. 总线特性

    • 机械特性：尺⼨，⼤⼩
    • 电⽓特性：传输⽅向和有效电平范围
    • 功能特性：每根传输线的功能
    • 时间特性：信号和时序的关系

总线分类

  • 按功能层次分类

    1. 片内总线

      芯片内部总线，如上章CPU介绍部分

    2. 系统总线

      各功能部件（CPU、主存、I/O接⼝）之间相互连接的总线

      • 数据总线

        传输各功能部件之间的数据信息

        双向传输线，位数与机器字⻓、存储字⻓有关

      • 地址总线

        指出主存和I/O设备接⼝电路的地址

        单向传输线，位数与主存地址空间的⼤⼩有关

      • 控制总线

        传输控制信息

        包括控制命令和反馈信号

    3. I/O总线

      主要连接中低速I/O设备，使低速、高速设备分离

      通过I/O接口与系统总线相连

    4. 通信总线

      计算机系统与其他系统传送信息的总线，也称为外部总线

  • 按时序控制方式分类

    1. 同步总线

      总线上设备按规定的时钟节拍统一工作

    2. 异步总线

      以信号握手方式协调信息传输，总线操作时序不固定

  • 按数据传输方式分类

    1. 串行总线

      数据的传输在⼀条线路上按位进⾏，适合长距离

    2. 并行总线

      每个数据位有⼀条单独的传输线，所有的数据位同时进⾏，如地址线

      相互有干扰和延迟，适合近距离

系统总线的结构

单总线结构 双总线结构 三总线结构
优点 • 结构简单，成本低
• 易于接⼊新的设备
 • 低速I/O设备分离
• 实现存储器总线和I/O总线分离		 • 提⾼I/O设备性能
• 更快响应命令
• 提⾼系统吞吐量
缺点 • 带宽低，负载重
• 多个部件只能争⽤唯⼀的主线
• 不⽀持并发传送操作		 • 需要增加通道等硬件设备 • 同时一条总线工作
组成 系统总线 主存总线
I/O总线
 I/O总线
主存总线
DMA总线
结构 ​image​ ​image​ ​image​

总线性能指标

  1. 总线传输周期

    指⼀次总线操作所需的时间，由若⼲总线时钟周期构成

  2. 总线时钟周期

    即机器的时钟周期

  3. 总线工作频率

    总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数

    工作频率=1/总线周期

  4. 总线宽度（总线位宽）

    总线上同时能传输的数据位数，通常指数据总线的根数

  5. 总线带宽

    总线的最⼤数据传输率，即单位时间内总线上最多可传输数据的位数

    总线带宽=总线⼯作频率×(总线位宽/8)【单位 字节/s】

  6. 总线复用

    ⼀种信号线在不同的时间传输不同的信息

    因此可以使⽤较少的线传输更多的信息，从⽽节约空间和成本

  7. 信号线数

    地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数

其中最重要的是总线宽度、总线⼯作频率、总线带宽

三者关系：（总线带宽）或者说（传输率）=总线宽度×总线⼯作频率

总线事务和定时

总线事务

总线事务：从请求总线到完成总线使⽤的操作序列【在⼀个总线周期中发⽣的⼀系列活动】

  1. 请求阶段

    主设备发出总线传输请求并且获得总线控制权

  2. 仲裁阶段

    总线仲裁机构决定将下⼀个传输周期的总线使⽤权授予某个申请者

  3. 寻址阶段

    主设备通过总线给出要访问的从设备地址及有关命令，启动从模块

  4. 传输阶段

    主模块和从模块进⾏数据交换，可单向或双向进⾏数据传送（⼀般只能传输⼀个字⻓的数据）

  5. 释放阶段

    主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使⽤权

  • 非突发方式

    每个传送周期内先传地址，再传数据，且每次通常只能传输一个字节

  • 突发（猝发）方式

    发送⽅在传输完成地址后，连续进⾏若⼲次数据的发送，即⼀次传输⼀个地址和⼀批连续的数据

    寻址阶段发送连续数据单元的⾸地址，之后从⾸地址开始连续读出或写⼊多个数据，每个时钟周期传送一个字长

    一组数据传送完毕后释放总线

总线定时

总线定时：总线在双⽅交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制【实质是⼀种协议或者规则】

同步定时方式 异步定时方式
定义 • 同步通信采⽤公共时钟，有统⼀的时钟周期，同步时钟信号不由各设备提供
• 同步控制既可以⽤于CPU控制，⼜可⽤于⾼速的外部设备控制		 • 不采⽤时钟信号，采⽤握⼿
• 完全依靠“握⼿”信号来实现定时控制
• 传送操作是由双⽅按需求分配时间的
• 每次握⼿完成⼀次通信，⼀次通信交换多位数据
优点 • 传送速度快
• 总线控制逻辑简单
• 不需要应答信息
• 总线⻓度短
• 公共时钟信号同步
• 各部件的存取时间较接近
 • 总线周期⻓度可变
• 保证两个速差很⼤部件/设备之间可靠信息交换
• ⾃适应时间配合
缺点 • 主从设备强制性同步
• 不能验证数据通信的有效性
• 可靠性较差		 • ⽐同步复杂，速度慢于同步⽅式
适用 • 总线⻓度较短及部件的存储时间⽐较接近
• 采⽤同步控制也可以进⾏数据的传输，但不能发挥快速设备的⾼速性能		 • 主要⽤于在不同的设备间进⾏通信

异步定时方式分类

​image​

  1. 不互锁方式

    主设备发请求—->不必等从设备的回答，撤销“请求信号” 【速度最快】

  2. 半互锁方式

    主设备发请求—>需要等从设备的回答，才能撤销“请求信号”

    从设备收到回答—>不必等到主设备的"请求信号"撤销，才撤销“回答信号”

  3. 全互锁方式

    主设备发请求—>需要等从设备的回答，才能撤销“请求信号”

    从设备收到回答—>需要等到主设备的"请求信号"撤销，才撤销“回答信号”

半同步定时方式

半同步定时方式保留了同步定时的特点

如所有地址、命令、数据信号的发出时间都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别

同时，又像异步定时那样，允许不同速度的设备和谐地工作

因此，增设一条Wait响应信号线

例如，某个半同步总线总是从某个时钟开始，在每个时钟到来时，采样Wait信号，若无效，则说明数据未准备好，下个时钟到来时，再采样Wait信号，直到检测到有效，再去数据线上取数据。

半同步定时适用于系统工作速度不高，但又包含了由许多速度差异较大的各类设备组成的简单系统，即非关键模块允许根据特定时序自由运作，减少对主时钟的依赖

优点：控制方式比异步定时简单，各模块在系统时钟的控制下同步工作，可靠性较高。

缺点：系统时钟频率不能要求太高，所以从整体上来看，系统工作的速度不是很高。

分离式定时方式

分离式定时方式将总线事务分解为请求和应答两个子过程

两个设备一个请求一个应答，轮流作为主设备占用总线传送信息

上述两个子过程都只有单方向的信息流

优点：在不传送数据时释放总线，使总线可接受其他设备的请求，不存在空闲等待时间。

缺点：控制复杂，开销也大。