计算机组成原理——总线

一、总线概述

1．基本概念

（1）总线简图

每个总线可能由很多根信号线组成

（2）总线的物理实现

①如上图，4根信号线组成“一根”总线，所有硬件部件都可以通过这根总线传递数据
②可并行发送4bit数据。同一时刻只能有一个部件发送数据，但是可有多个部件接受数据

（3）总线的定义
①总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
1）共享：指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。
2）分时：指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。
②

③使用总线原因：早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。为了更好地解决l/O设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展为总线连接。

（4）总线特性
①机械特性:尺寸、形状。管脚数、排列顺序
②电气特性:传输方向和有效的电平范围
③功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制)
④时间特性:信号的时序关系

（5）总线的分类

①按数据传输格式

1）串行总线
a．优点:只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输;应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
b．缺点:在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题。

2）并行总线
a．优点:总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。
b．缺点:信号线数量多，占用更多的布线空间;远距离传输成本高昂;由于工作频率较高时,并行的信号线之间会产生严重干扰,对每条线等长的要求也越高,所以无法持续提升工作频率。

②按总线功能（连接的部件）
1）片内总线
a．片内总线是芯片内部的总线。
b．它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

2）系统总线
a．系统总线是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/o接口）之间相互连接的总线。
b．按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类:数据总线、地址总线和控制总线。
a）数据总线（DB）
i．传输各功能部件之间的数据信息,包括指令和操作数;位数(根数)与机器学长、存储字长有关
ii．信息传输方向：双向。
b）地址总线(AB)
i．传输地址信息,包括主存单元或I/o端口的地址;位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关
ii．信息传输方向：单向。
c）控制总线(CB)
i．控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外设）返回CPU的反馈信号。

3）通信总线
a．通信总线是用于饪算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备)之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。

③按时序控制方式
1）同步总线
2）异步总线

（6）系统总线结构
①单总线结构

1）注:单总线并不是指只有一根信号线，系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线。
2）结构:CPU、主存、IO设备（通过I/O接口）都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、IO设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
3）优点:结构简单，成本低，易于接入新的设备。
4）缺点:带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并行传送操作。

②双总线结构

1）结构:双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送;另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
2）通道是具有特殊功能的处理器,能对I/O设备进行统一管理，通道程序放在主存中。
3）支持突发(猝发)传送:送出一个地址,收到多个地址连续的数据。
4）优点:将较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线分离。
5）缺点:需要增加通道等硬件设备。

③三总线结构

1）结构:三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路,这3条总线分别为主存总线、l/O总线和直接内存访问DMA总线。
2）DMA:Direct Memory Access,直接内存访问。
3）优点:提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
4）缺点:系统工作效率较低。

④四总线结构简介

1）桥接器:用于连接不同的总线,具有数据缓冲、转换和控制功能。
2）靠近CPU的总线速度较快。

2．总线的性能指标

（1）总线的传输周期（总线周期）
一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。
（2）总线时钟周期
① 即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。
② 注：总线周期与总线时钟周期的关系比较魔幻，大多数情况下，一个总线周期包含多个总线时钟周期有的时候，一个总线周期就是一个总线时钟周期有的时候，一个总线时钟周期可包含多个总线周期
③现在的计算机中，总线时钟周期也有可能由桥接器提供

（3）总线的工作频率
①总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。
②若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。实际上指一秒内传送几次数据。

（4）总线的时钟频率
①即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。
②若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。实际上指一秒内有多少个时钟周期。
（5）总线宽度
又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位(bit）总线。

（6）总线带宽
①可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。
②总线带宽=总线工作频率×总线宽度(bit/s)=总线工作频率×(总线宽度/8)(B/S）
=总线宽度/总线周期( bit/s）=总线宽度/8/总线周期(B/s)
③注:总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率。在计算实际的有效数据传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时。
（7）总线复用
总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。
（8）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。

（9）例题：例．某同步总线采用数据线和地址线复用方式，其中地址/数据线有32根，总线时钟频率为66MHz，每个时钟周期传送两次数据(上升沿和下降沿各传送一次数据)。
①该总线的最大数据传输率（总线带宽）是多少?
②若该总线支持突发（猝发）传输方式，传输一个地址占用一个时钟周期，则一次“主存写”总线事务传输128位数据所需要的时间至少是多少?
③解：
1）每个时钟周期传送两次数据→总线工作频率是时钟频率的两倍总线工作频率=2×66MHz =132MHz
总线宽度= 32bit = 4B
总线带宽=总线工作频率×总线宽度=132 × 4 MB/s = 528 MB/s
2）突发(猝发)传输方式:一次总线事务中，主设备只需给出一个首地址，从设备就能从首地址开始的若干连续单元读出或写入多个数据。
发送首地址占用1个时钟周期，128位数据需传输4次，占用2个时钟周期一个时钟周期= 1/66MHz ≈15ns，总耗时=(1+2)× 15ns =45ns

二、总线仲裁

1．基本概念

（1）同一时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有一个或多个设备从总线接收数据。
（2）将总线上所连接的各类设备按其对总线有无控制功能分为
①主设备:获得总线控制权的设备。
②从设备:被主设备访问的设备，只能响应从主设备发来的各种总线命令。

（3）为什么要仲裁?
总线作为一种共享设备，不可避免地会出现同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题。
（4）总线仲裁的定义:
多个主设备同时竞争主线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁。

（5）总线仲裁分类:
①集中仲裁方式：链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式
②分布仲裁方式

2．集中仲裁方式

（1）工作流程:
①主设备发出请求信号;
②若多个主设备同时要使用总线，则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线;
③获得总线使用权的主设备开始传送数据。

（2）链式查询方式

①“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的设备
②优先级:
1）离总线控制器越近的部件,其优先级越高;
2）离总线挫制器越远的部件,其优先级越低。
③优点:链式查询方式优先级固定。只需很少几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易
④缺点:对硬件电路的故障敏感，并且优先级不能改变。当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

（3）计数器定时查询方式

①结构特点:用一个计数器控制总线使用权，相对链式查询方式多了一组设备地址线，少了一根总线响应线BG;它仍共用一根总线请求线。
②当总线控制器收到总线请求信号，判断总线空闲时，计数器开始计数，计数值通过设备地址线发向各个部件。
③当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权。同时，中止计数器的计数及查询。
④优点:
1）计数初始值可以改变优先次序
a．计数每次从“0”开始，设备的优先级就按顺序排列，固定不变;
b．计数从上一次的终点开始，此时设备使用总线的优先级相等;
c．计数器的初值还可以由程序设置
2）对电路的故障没有链式敏感
⑤缺点:
1）增加了控制线数，若设备有n个，则需[ log2n]+2条控制线
2）控制相对比链式查询相对复杂

（4）独立请求方式

①结构特点:每一个设备均有一对总线请求线BRi和总线允许线BGi。
②当总线上的部件需要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队。
③当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时,则给该部件发送总线响应信号。
④优点:
1）响应速度快，总线允许信号BG直接从控制器发送到有关设备,不必在设备间传递或者查询。
2）对优先次序的控制相当灵活。
⑤缺点:
1）控制线数量多，若设备有n个，则需要2n+1条控制线。其中+1为BS线，用于设备向总线控制部件反馈已经是否正在使用总线。
2）总线的控制逻辑更加复杂

（5）三种集中仲裁方式对比

3．分布仲裁方式

（1）特点:不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。
（2）当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上;
（3）每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较;
（4）如果仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号;最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

三、总线操作和定时

1．总线传输的四个阶段

（1）申请分配阶段:由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。
（2）寻址阶段:获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
（3）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。
（4）结束阶段:主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

2．总线定时

（1）总线定时是指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，这种控制称为总线定时，它的实质是一种协议或规则
（2）分类
①同步通信(同步定时方式)：由统一时钟控制数据传送
②异步通信(异步定时方式)：采用应答方式，没有公共时钟标准
③半同步通信：同步、异步结合
④分离式通信：充分挖掘系统总线每瞬间的潜力

（3）同步定时方式-读命令

①总线控制器采用一个统的时钟信号来协调发送和接收双 方的传送定时关系。
②假设: CPU作为主设备，某个输入设备作为丛设备
1）CPU在T1时刻的上升沿给出地址信息
2）在T2的上升沿给出读命令(低电平有效)，与地址信息相符合的输入设备按命令进行–系列的内部操作，且必须在T3的上升沿来之前将CPU所需的数据送到数据总线上。
3）CPU在T3时钟周期内，将数据线上的信息传送到其内部寄存器中。
4）CPU在T4的上升沿撤销读命令，输入设备不再向数据总线上传送数据，撤销它对数据总线的驱动。

3．同步定时方式

（1）同步定时方式是指系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。
（2）若干个时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。
（3）在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。
（4）因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始。
（5）优点:传送速度快，具有较高的传输速率;总线控制逻辑简单。
（6）缺点:主从设备属于强制性同步;不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。
（7）同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。

4．异步定时方式（异步通信）

（1）在异步定时方式中，没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。
（2）主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备;从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出“回答”信号。
（3）根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，分为以下3种类型。

①不互锁方式（速度最快，可靠性最差）
1）主设备发出“请求”信号后，不必等到接到从设备的“回答”信号，而是经过一段时间，便撤销“请求”信号。
2）而从设备在接到“请求”信号后，发出“回答”信号，并经过一段时间，自动撤销“回答”信号。双方不存在互锁关系。

②半互锁方式
1）主设备发出“请求”信号后，必须待接到从设备的“回答”信号后，才撤销“请求”信号，有互锁的关系。
2）而从设备在接到“请求”信号后，发出“回答”信号，但不必等待获知主设备的“请求”信号已经撤销，而是隔一段时间后自动撤销“回答”信号，不存在互锁关系。

③全互锁方式（最可靠，速度最慢）
1）主设备发出“请求”信号后，必须待从设备“回答”后，才撤销“请求”信号;
2）从设备发出“回答”信号，必须待获知主设备“请求”信号已撤销后，再撤销其“回答”信号。双方存在互锁关系。

（4）优点:总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合。
（5）缺点:比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

5．半同步通信

（1）统一时钟的基础上，增加一个“等待”响应信号

6．分离式通信

（1）上述三种通信的共同点
一个总线传输周期(以输入数据为例)
①主模块发地址、命令——使用总线
②从模块准备数据——不使用总线
③从模块向主模块发数据——使用总线

（2）分离式通信的一个总线传输周期
①子周期1：主模块申请占用总线，使用完后放弃总线的使用权
②子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上
③特点:
1）各模块均有权申请占用总线
2）采用同步方式通信，不等对方回答
3）各模块准备数据时，不占用总线
4）总线利用率提高

四、总线标准

1．总线标准的基本概念

（1）总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口，在接口的两端，任何一方只需根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求，而无须了解对方接口的要求。

（2）根据总线在计算机系统中的位置，可分为
①系统总线:通常与CPU直接相连，用于连接CPU与北桥芯片、或CPU与主存等
②局部总线:没有直接与CPU连接，通常是连接高速的北桥芯片，用于连接了很多重要的硬件部件(如显卡、声卡等)
③设备总线、通信总线:通常由南桥芯片控制，用于连接计算机与计算机，或连接计算机与外部I/O设备

2．系统总线标准

（1）最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。
（2）1984年，IBM推出基于16- bit Intel 80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBM PC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC总线规范为基础的ISA (工业标准架构: Industry Standard Architecture )总线。
（3）ISA总线最大传输速率仅为8MB/s，数据传送需要CPU或DMA接口来管理，传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。不支持总线仲裁。
（4）因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32 -bit,这就是著名的EISA (Extended ISA， 扩展ISA)总线。EISA 总线的工作频率仍旧仅有8MHz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，带宽提高了一倍，达到了32MB/s。从CPU中分离出了总线控制权，支持多个总线主控器和突发传送。可惜的是，EISA 仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。

3．局部总线标准

（1）1991年，视频电子标准协会针对视频显示的高数据传输率要求而推出了VESA总线，又叫做视频局部总线(VESA local bus)， 简称VIL-BUS总线， 由CPU总 线演化而来，是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据应运而生的。
（2）

特点:
①高性能:不依附于某个具体的处理器，支持突发传送。
②良好的兼容性。
③支持即插即用。
④ 支持多主设备。
⑤具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。
⑥提供数据和地址奇偶校验的能力。
⑦ 可扩充性好，可采用多层结构提高驱动能力。
⑧采用多路复用技术，减少了总线引脚个数。
（3）

Intel于1996年7月正式推出了AGP (加速图形接口，Accelerated Graphics Port) 接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI 2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz，1X模式下带宽为266MB/S,是PCI总线的两倍。 后来依次又推出了AGP 2X、AGP 4X，现在则是AGP 8X，传输速度达到了2. 1GB/S. .
（4）

①在传输速率方面，PCIExpress总线利用串行的连接特点将能轻松将数据传输速度提到一一个很高的频率，达到远超出PCI总线的传输速率。与此同时，PCI Express总线支持双向传输模式，还可以运行全双工模式。
②支持热拔插。

4．设备总线标准

（1）

RS-232C是应用于串行二进制交换的数据终端设备(DTE) 和数据通信设备(DCE)之间的标准接口。
（2）

SCSI (小型计算机系统接口)是一种用于计算机和智能设备之间(硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等)系统级接口的独立处理器标准。SCSI是一种 智能的通用接口标准。
（3）

由于可移动计算机(笔记本)用户对PC卡的需求变了，要求强度高，能耗低，尺寸小，而且对这几条性能的要求都很高。所以PC卡的标准也相应地变了。1991年， PCMCIA定义了原本用于内存卡的68个脚的I/0连接线路标准。同时增加了插槽使用说明。生产商意识到软件需要提高兼容性，因而这项标准也就得到了相应的应用。
（4）

①USB是在1994年底由英特尔等多家公可联合在1996年推出后，已成功替代串口和并口，已成为当今电脑与大量智能设备的必配接口。USB属于设备总线，是设备和设备控制器之间的接口。
②即插即用

③差模信号:根据2、3的压差来确定1bit数据，差模信号的抗干扰能力很强，因此工作频率可以很高
④注意:USB每次只能传输1bit数据
（5）

Integrated Drive Electronics (电子集成驱动器)本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。
（6）

①与并行ATA相比，SATA具有比较大的优势。首先，SerialATA以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。Serial ATA- .次只会传送1位数据，这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。同时还能降低系统能耗，减小系统复杂性。
②其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1. 0定义的数据传输率可达150MB/sec，这比目前最块的并行ATA (即ATA/133)所能达到133MB/ sec的最高数据传输率还高，而在已经发布的Serial ATA 2. 0的数据传输率将达到300MB/sec，最终Serial ATA 3. 0将实现600MB/sec的最高数据传输率。

5．速度对比（裱框的常考）

6．趋势：串行取代并行

（1）并行总线:用m根线每次传送m个比特，用高/低电平表示1/0, 通常采用同步定时方式，由于线间信号干扰，因此总线工作频率不能太高。另外，各条线不能有长度差，长距离并行传输时工艺难度大。
（2）串行总线:用两根线每次传送一 个比特，采用“差模信号”表示1/0，通常采用异步定时方式，总线工作频率可以很高。现在的串行总线通常基于包传输，如80bit为一 一个数据包，包与包之间有先后关系，因此可以用多个数据通路分别串行传输多个数据包。因此某种程度上现在的串行总线也有“并行”的特点

（3）实例

总结

在总线中，应重点记忆总线的各种分类，理解总线仲裁过程，了解总线相关性能指标，对总线有明确的认知体系。
如有问题，欢迎指正！
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