第7章总线及总线互连结构

7.2.3系统总线的组成 系统总线通常包含:数据总线,地址总线,控制总 线,电源线. 1.数据总线 数据线用来承载在源部件和目的部件之间传输信息 的,这个信息可能是数据,命令,或地址.例如, 如果想从磁盘上读一些数据到存储器,则数据线用 来传输主存的地址和实际从磁盘来的数据. 数据线的条数被称为数据总线的宽度,它决定了每 次能同时传输的信息的位数. 数据总线的宽度是决定系统总体性能的关键因素之 一.例如,如果数据总线的宽度为16位,而指令 的操作位数为32位,在取这个操作数时,必须访 存两次.如果数据总线的宽度为32位,只要一次 访存.
要进行信息交换,必须在部件之间构筑信 息通路,通常把连接各部件的通路的集合 称为互连结构. 部件之间的互连方式通常有两种,一种是 各部件之间通过单独的连线互连,这种方 式称为分散连接.另一种是将各个部件连 接到一组公共信息传输线上,这种方式称 为总线连接.
早期的计算机大多采用分散连接方式,相 互通信的部件之间都有单独的连线,如果 某个部件与其他所有部件都有信息交换的 话,它的内部连线就非常复杂,而且成本 高. 此外,某一时刻它只能和其他部件中的一 个交换信息,在交换信息过程中也必须停 止本身的工作,这将大大影响系统的工作 效率.特别是随着计算机应用领域的不断 扩大,I/O设备的种类和数量越来越多,用 分散方式无法满足人们随时增减设备的需 要,这就提出了总线连接方式.
底版式总线则通常在机箱中设置插槽板, 其他功能模块一般都做成一块板卡,通过 将卡插到槽内连接到系统中. 从连线的数量来看,总线一般分为串行总 线和并行总线. 串行总线只有一根数据线,一次只能传输 1位二进制数. 在并行传输总线中,按数据线的宽度分8 位,16位,32位,64位总线等.
总线的宽度对总线的实现成本,可靠性和数 据传输率影响很大. 一般串行总线用于长距离的数据传送,并行 总线用于短距离的高速度数据传送. 2.电气特性 总线的电气特性是指总线的每一条信号线的 信号传递方向,信号的有效电平范围. 通常规定由CPU发出的信号为输出信号,送 入CPU的信号为输入信号. 地址线一般为输出信号,数据线为双向信号, 控制线的每一根都是单向的,有的为输出信 号,有的为输入信号.
从设备只能响应主设备发来的总线命令, 无总线控制能力,从设备又称响应代理. 例如,处理器总是一个主设备.存储器总 是一个从设备,它只响应读写请求,但不 会发出请求. 最简单的系统可以只有一个总线主控设备: 处理器.所有的总线操作都必须由处理器 控制,无须总线仲裁,但处理器必须介入 到每一个总线事务中,占用大量CPU时间, 这种做法已经变得越来越没有吸引力了.
事务类型:总线所支持的各种数据传输类型 和其他总线操作类型. 总线带宽:单位时间内在总线上传输的有效 数据. 7.3.1信号线类型 总线的信号类型有专用和复用两种.专用信 号线是指这种信号线专门用来传送某一种信 息.例如,分立的数据线和地址线.复用信 号线是指在同一信号线上,不同的时间传送 不同的信息,即分时复用,例如,地址/数据 分时复用总线,在一段时间上传输地址信息, 另一段时间上传输数据信息.
集中仲裁又可以分为菊花链查询方式,计 数器定时查询方式和独立总线请求访问仲 裁方式. 分散控制方式没有总线控制器,每个设备 都包含访问控制逻辑,这些模块共同作用 分享总线,谁先使用总线有它们自己的控 制逻辑来完成.
1.集中裁决方式 (1)菊花链查询方式 (2)计数器定时查询方式 (3)独立总线请求方式
2.分散式裁决方式 (1)自举分散式裁决方式 (2)冲突检测分散式裁决
7.3.3定时方式 总线在完成一次传送过程可以分成四个阶段 (1)申请分配阶段 主设备提出申请,经总线仲裁机构决定下 一传送周期的总线使用权授予某一申请者. (2)寻址阶段 主设备通过总线发出本次访问的从设备的 地址,启动从设备 .
现代计算机普遍使用的是总线互连结构. 采用总线结构的优点是配置灵活且成本低, 它的灵活性体现在新部件可以很容易地加 到总线上,并且部件可以在使用相同总线 的计算机系统之间互换.一组单条的总线 可被多个部件共享,总线的性价比高. 总线的主要缺点是所有的部件都通过总线 传输数据,可能产生通信瓶颈.本章着重 介绍总线的基本概念,总线设计中必须考 虑的几个因素,总线标准及现代计算机的 总线互连结构及提高总线数据传输速度的 方法.
中断请求(Interrupt Request):表示某个中 断源正在发出中断请求. 中断确认(Interrupt ACK):表示请求的中断 已经被识别. 时钟(Clock):用于同步操作. 复位(Reset): 初始化所有模块. 4.电源线与地线 用来提供计算机工作所需的各种电源.通常 有±5V;±12V和地线等. 通常说的三总线就是数据总线,地址总线和 控制总线的简称.
2.地址总线 地址线用来提供源数据或目的数据所在的主 存单元或I/O端口的地址.例如,若要从主 存单元读一个数据,CPU必须将该主存单元 的地址送到地址线上.若要输出一个数据到 外设,CPU也必须把该外设的地址(实际上 是I/O端口的地址)送到地址线上. 地址线是单向的,它的位数决定了可寻访的 地址空间的大小.例如,有16位地址线,不 采用分时多次传送地址的话,则可访问的存 16 储单元最多只能有65536(2 )个.
总线的电平表示方式有两种:单端方式和差 分方式. 单端电平方式采用一条信号线和一条公共接 地线来传递信号,信号线中一般用高电平表 示逻辑"1",低电平表示逻辑"0". 差分电平方式采用一条信号线和一个参考电 压比较来互补传输信号,一般采用负逻辑, 即用高电平表示逻辑"0",低电平表示逻辑 "1". 例如,串行总线接口标准RS-232C,其电气 特性规定低电压要低于-3V,表示逻辑"1"; 高电平要高于+3V,表示逻辑"0".
由于这些部件通常都制作在插件板卡上,所以 连接这些部件的总线一般是主板式或底板式 总线, 主板式总线是一种板级总线,主要连接主机 系统印刷电路板中的CPU和主存等部件,也 被称为处理器―主存总线,有的系统把它称 为局部总线或处理器总线. 底板式总线通常用于连接系统中的各个功能 模块,实现系统中的各个电路板的连接.典 型的有ISA,PCI总线等.
3.功能特性 总线功能特性是指总线中每根传输线的功能. 不同的总线其功能不同,地址线用来传输地 址信息,数据线用来传输数据信息,控制线 用来传输控制信息. 4.时间特性 总线时间特性是指总线中任何一根传输线在 什么时间内有效,以及每根线产生的信号之 间的时序关系. 时间特性一般可用信号时序图来说明.
2.并行传输. 并行总线的数据在数据总线上同时有多位数 据一起传送,每一位要有一根数据线,一次 传输多少位数据就需要有多少根数据线. 并行数据传输要比串行传输快得多,但需要 更多的传输线,成本高,一般用作近距离传 输线,如系统总线. 图7-3并行总线.
7.3总线的设计要素 尽管总线的设计有许多不同的实现方式,但 总线设计的基本要素和考察其性能指标都是 一样的.总线设计时主要考虑的基本要素包 括: 信号线类型:采用专用信号线还是复用信号 线; 仲裁方法:多个部件同时申请使用总线,决 定谁优先使用总线称总线仲裁.仲裁方法由 集中裁决和分散式裁决; 定时方式:采用同步通信还是异步通信方式;
7.3.2仲裁方法 多个部件共用一组总线,部件与部件之间 要交换信息,什么时候交换信息,哪两个 设备交换信息,均需要统一的管理,这就 提出了总线控制的问题. 总线控制包括:总线仲裁和总线通信控制. 总线上连接多个设备,根据其对总线有无 控制能力被分为主控设备(简称主设备, 对总线有控制权)和从设备(对总线无控 制权). 主设备控制对总线的访问,发起并控制所 有的总线请求,主控设备也称请求代理.
另一做法是采用多个总线主控设备,每个 主控设备都能启动数据传送.对于多主控 设备总线,必须提供一种机制来决定在某 个时刻哪个设备具有总线使用权. 决定哪个主控设备将在下次得到总线使用 权的过程被称为总线裁决. 总线裁决大致可以分为两种方式:集中控 制方式和分散控制方式. 集中控制方式是在系统中设置一个独立的 硬件设备—总线控制器来分配总线时间. 总线控制器可以是独立的模块,也可以是 CPU的一部分.
7.2总线的基本概念 7.2.1总线的特性 总线是连接两个或多个功能部件的一组共 享的信息传输线,它的主要特征就是多个 部件共享传输介质.一个部件发出的信号 可以被连接到总线上的其他所有部件所接 收.总线由许多传输线或通路构成,每条 线可传输一位二进制信息,若干条线可同 时传输多位二进制信息. 总线的基本特性包括:
串行传输方式可以分为同步和异步两种方式. 在异步方式中,每个字符要用一位起始位和 若干停止位作为字符传输的开始和结束标志, 发送端和接收端不需要同步脉冲,接收端是 根据接收的有效起始位和有效停止位来确定 有效数据的. 起始位和停止位需要占用一定的传时间. 图7-2串行异步方式数据格式.
串行同步方式是将若干字符前后的附加位去 掉,组成一个字符块,在字符块的开始和结 尾用一个或若干个字符作为同步字符标志, 接收端根据同步字符标志来确定数据的有效 性.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7.2.2总线的类型 计算机系统中含有多种总线,根据所连接的 部件的不同,总线通常被分成三种类型:内 部总线,系统总线和通信总线. 1.内部总线 用于芯片内部连接各元件的总线.例如CPU 芯片内部,各个寄存器,ALU,指令部件等 都采用总线相连. 2.系统总线 用于连接CPU,存储器和各种I/O模块等主 要部件的总线称系统总线.
7.2.4总线的数据传输方式 在计算机系统中,数据的传输方式有两种: 串行传输和并行传输. 1.串行传输 串行总线的数据在总线上是按位进行传送的, 一次只能传输一位数据,因此只需要一根总 线(另外一根地线),线路成本低,适合远 距离,低速率数据传输. 计算机系统大多对数据进行并行处理,采用 串行数据传输要在发送端将并行数据先转换 为串行数据,在接收端再将串行数据转换成 并行数据.
1.物理特性 总线的物理特性是指总线在机械物理连接上 的特性.包括连线类型,数量,接插件的几 何尺寸和形状以及引脚线的排列等. 从连线的类型来看,总线可分为电缆式,主 板式和底版式. 电缆式总线通常采用扁平电缆连接电路板. 主板式总线通常在印刷电路板或卡上蚀刻出 平行的金属线,这些金属线按照某种排列以 一组连接点的方式提供插槽,系统的一些主 要部件从这些槽中插入到系统总线.
第7章 总线及总线互连结构
7.1概述 计算机由CPU,主存模块和I/O模块等组成, 计算机的所有功能都是通过CPU周而复始 地执行指令实现的.在执行指令过程中, CPU,主存和I/O模块之间要不断地交换信 息(包括指令,数据等),可以说计算机 所有功能的实现,归根结底就是各种信息 在计算机内部各部件之间进行交换的过程.
3.控制总线 控制总线传输的信号是用来控制对数据总 线,地址总线或外设的访问和使用的,典 型的控制信号包括: 存储器写(Memory Write):将数据总线 上的数据写入被寻址的存储单元. 存储器读(Memory Read):将被寻址的 存储单元中的数据读到数据总线上.
I/O写(I/O Write)将数据总线上的数据写入 被寻址的I/O单元. I/O读(I/O Read):将被寻址的I/O单元中的 数据读到数据总线上. 总线请求(Bus Request):表示某个模块需 要获得总线控制权. 总线允许(Bus Grant): 表示发出请求的模 块已经被允许控制总线. 数据确认(Data ACK):表示数据已经被接 收,或已放到数据总线上.