【计算机组成原理·笔记】系统总线概念

系统总线概念

各部件之间为了通信，单独连线，太复杂，于是诞生了总线的概念

基本概念

是一组能为多个部分分时共享的公共信息传送路线

总线分类

按传送方式

• 串行：在总线上1位1位的传输和接收
• 并行：多位在总线上传输和接收，需要多条数据线

按使用范围

• 片内总线
  芯片内部的总线
• 系统总线
  CPU、主存、I/O设备之间的信息传输线，又称板级总线或板间总线
  • 数据总线
    传输数据信息，是双向传输总线
  • 地址总线
    指出数据总线上源数据或目标数据在主存单元的地址，是出自CPU的单项传输总线
  • 控制总线
    发出控制信号的传输线，控制线单体单向，总线总体双向
• 通信总线
  用于计算机系统间或者与其它系统通信的传输线
  • 串行
  • 并行

总线特性

• 机械特性
  总线的机械连接标准，如插头插座规格等
• 电器特性
  每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围
• 功能特性
  总线中每根传输线有各自负责的功能
• 时间特性
  每根总线上的各个信号互相存在一定的有效时序关系，可以通过信号时序图来描述

总线的性能指标

• 总线宽度
  数据总线的根数，用位(bit)表示
• 总线带宽
  总线的数据传输速率(单位时间内传输的数据位数)，常用字节每秒来计量(MBps:Million Byte per second, 兆字节每秒)
• 同步方式
  • 同步：总线数据与时钟同步工作
  • 异步：不同步工作
• 总线复用
  一条传输线分时传送不同信号，在不同时间承担了不同的功能角色
• 信号线数
  信号线数 = 地址总线 + 数据总线 + 控制总线
• 总线控制方式
  突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等
• 其它
  工作频率，时钟频率，负载能力，电源电压，总线宽度拓展性等

总线标准

• ISA
  • 不支持总线仲裁
  • 数据传送必须通过CPU/DMA
  • 时钟频率：8 MHz
  • 最大传输速率：16 MBps
  • 数据线：16 位
  • 地址线：24 位
• EISA
  • 智能化总线，支持突发方式和多总线主控器
  • 时钟频率：8 MHz
  • 最大传输速率：33 MBps
  • 数据线：32位
  • 地址线：32位
  • 扩充DMA访问范围：2^32
• VESA(VL-BUS)
  • 局部总线，由CPU总线演化而来
  • 时钟频率：33 MHz
  • 最大传输速率：133 MBps
  • 数据线：32 位，可通过扩展槽拓展至64 位
• PCI
  • 图形界面渲染
  • 高性能
  • 兼容良好
  • 即插即用
  • 支持多主设备
  • 具有完全并行操作能力
  • 支持数据和地址的奇偶校验
  • 支持两种电压标准：5V 和 3.3V
  • 可扩充性
  • 多路复用奇数
• AGP
  • 三维数据的处理
• RS-232C
  • 串行通信，数据中断和通信设备的二进制数据交换接口标准
• USB
  • 通用的外设串行连接通信标准
  • 真·即插即用
  • 标准高度统一
  • 连接线缆轻巧
  • 生命力强，无专利版权限制

总线结构

单总线结构

将所有的CPU, 主存和 I/O 设备都挂到一条系统总线上，同一时刻只能有一对部件进行

优点：

• 结构简单，便于扩充

缺点：

• 数据传输效率较低
• 数据吞吐量较低

双总线结构

• 存储器中心的双总线结构

在单总线的基础上，开辟了一条存储总线，专门负责主存与CPU之间的信息传输，既提高了传输效率又减轻了系统总线的负担，还保留了I/O设备与存储器交换信息时不经过CPU的特点

• I/O中心的双总线结构

将速度较低的I/O设备分离出来，减轻了系统总线的压力

• 面向CPU的双总线结构

M总线也是存储总线，所有的I/O设备通过I/O接口挂载到I/O总线上，便于增删I/O设备，但I/O设备在于主存交换信息时会占用CPU，从而影响CPU的工作效率

三总线结构

主存总线用于CPU和主存之间的信息传送，I/O总线用于CPU和各个I/O之间进行信息传输，DMA总线用于高速外设和主存之间的信息交换。在这种三总线结构中，DMA总线和主存总线不能同时用于访问主存

另一种形式

四总线结构

I/O性能的进一步提升，高速设备和CPU更加紧密，低速设备则通过扩展总线进行连接

PCI总线结构

PCI总线通过 PCI桥 与系统总线相连接，使得CPU总线与PCI总线相互隔离，具有更高的灵活性，支持更多的高速设备，而低速设备则挂载在ISA和EISA总线上。当PCI总线驱动能力不足时，可以扩展为多层PCI总线结构。