总线

概述

总线概念

• 定义

  • 一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

• 特点

  • 分时

    • 同一时刻只允许一个部件向总线发送信息

  • 共享

    • 同一时刻多个部件可以从总线接收相同的信息

• 总线设备

  • 主设备

    • 获得主线控制权的设备

  • 从设备

    • 被主设备访问的设备

• 总线特性

  • 机械特性尺寸，形状

  • 电器特性传输方向和有效的电平范围

  • 功能特性每根线的功能特性

  • 时间特性信号和时序的关系

• 增强总线效能的方法

  • 总线的猝发（突发）传输方式

    • 猝发传送/突发传送：读写一组连续的字时，只需要给出首地址即可，从设备就能从首地址开始的若干连续的单元读出或写入多个数据。

    • 猝发传送4个字，需要五个读写周期

      • 1个周期传送四个字的首地址
      • 4个周期写4个字

  • 总线复用

    • 信号线在不同的时间传输不同的信息
    • 不仅能减少信号线的数量，还能增加信道的利用率
    • 分离事务就是总线复用的一种

系统总线的结构

• 单总线

  • 注意单总线不仅只有一根总线

  • CPU，IO设备，主存全挂在一条系统总线上

  • 特点

    • cpu和外设之间可以之间进行信息交换，无需中间设备干预

• 双总线

  • 主存总线+IO总线

  • 特点

    • 将低速设备从单总线上分离出来，但是增加通道等硬件设备

  • 主存总线支持突发传送

  • 通道缓和CPU与设备的矛盾

• 三总线

  • 主存总线+IO总线+DMA总线

  • 特点

    • DMA总线在内存和高速外设之间传输数据，系统吞吐量提高，但是系统工作效率低

  • 三根总线同时只能有一根工作

• 总线之间通过桥接器连接

  • 单周期指令搭配多总线结构、多周期指令搭配单总线结构

总线的性能指标

• 总线的传输周期

  • 指一次总线操作所需的时间
  • 通常由若干个总线时钟周期构成，一个时钟周期内也可由多个总线的传输周期构成，也有可能一对一。

• 时钟周期=机器时钟周期

• 工作频率:每秒几次总线操作=机器时钟频率

• 宽度=总线位数bit=数据总线的根数=总线上同时能传输的数据位数

• 带宽=最大数据传输率=每秒传送多少个字节数=(宽度/8)X工作频率

• 复用

  • 一种信号线在不同时间传输不同的信息

• 信号线数

  • 地址，数据，控制总线3种总线数的总和

总线操作和定时

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，这种控制成为总线定时

总线传输的四个阶段

• 申请分配阶段
• 寻址阶段
• 传输阶段
• 结束阶段

同步定时

• 同一时钟，一个总线周期内，发送方和接收方可以进行一次数据传送

• 适用于

  • 总线长度较短以及总线所接部件的存取时间比较接近的系统

• 优点

  • 传输速率较高，控制逻辑简单

• 缺点

  • 主从设备强制性同步，不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差

异步定时

• 没有同一时钟，通过双方的握手信号来定时控制，

• 分类

  • 不互锁方式

    • 主：等待一段时间主动撤销请求信号
    • 从：等待一段时间主动撤销回答信号

  • 半互锁方式

    • 主：必须收到回答信号才撤销请求信号
    • 从：等待一段时间主动撤销回答信号

  • 全互锁方式

    • 主：必须收到回答信号才撤销请求信号
    • 从：发出回答信号后，必须获知主设备请求信号已经撤销后，再撤销其回答信号

• 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可靠地进行信息交换

• 缺点

  • 速度比同步慢，比同步复杂

半同步通信：

• 统一时钟信号+WAIT信号

上述的通信方式，在从设备准备数据的时候，CPU均属于空等的状态

总线事务

从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务，它是在一个总线周期中发生的一系列活动。典型的总线事务包括请求操作、裁决操作、地址传输、数据传输和总线释放。

1）请求操作。主设备（CPU或DMA）发出总线传输请求，并获得总线控制权。

2）仲裁阶段。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。

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。

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。