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《计算机组成原理》系统总线

热度:85   发布时间:2023-11-25 10:42:54.0

文章目录

  • 3.1总线的基本概念
  • 3.2总线分类
    • 3.3总线特性及其性能指标
    • 3.3.2
    • 3.3.3总线标准
  • 3.4总线结构
  • 3.5总线控制
    • 3.5.1总线判优控制
    • 3.5.2总线通讯控制

内容仅是学习过程中的整理,

3.1总线的基本概念

计算机系统的五大部件之间的互联方式有两种,一种是各部组件之间使用单独的连线,成为分散连接;另一种是将各部件连接到一组公共信息传输线上,称为总线连接。
典型的冯·诺伊曼计算机结构图是分散连接
典型的冯·诺伊曼计算机结构图
它是以运算器为中心的结构,其内部连线十分复杂,尤其是当I/O与存储器交换信息时,都需经过运算器,致使运算器停止运算,严重影响了 CPU 的工作效率。后来,虽然改进为以存储器为中心的分散连接结构,I/O与主存交换信息可以不经过运算器,又采用了中断、 DMA 等技术,使 CPU 工作效率得到很大的提高,但是仍无法解决1/0设备与主机之间连接的灵活性。随着计算机应用领域的不断扩大, I /0设备的种类和数量也越来越多,人们希望随时增添或减撤设备,用分散连接方式简直是一筹莫展,由此出现了总线连接方式。
请添加图片描述
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最明显的特点是当I/O设备与主存交换信息时原则上不影响CPU的工作,CPU仍可以继续处理不访问主存或I/O设备的操作,这就使CPU的工作效率有所提高。但是因为只有一组总线,当某一时刻都要占用总线时,必须蛇者总线判优逻辑,让各部件按优先级来占用总线,这也会影响工作速度。请添加图片描述
开辟出一条CPU和主存的总线(存储总线)。只供CPU的主存之间交换数据,提高传输效率。
个人认为就是适当在两部件之间增加连接来使高速设备和低速设备分开,以此来提高计算机速度。

3.2总线分类

按数据宽度分类,8位,16位,32位,64位等。
按使用范围分为,计算机(包括外设)总线,测控总线,网络通讯总线等。
3.2.1片内总线
CPU芯片内部部件间的总线连接
3.2.2系统总线
·数据总线
·地址总线
·控制总线
3.2.3通讯总线

3.3总线特性及其性能指标

总线特性包括以下几项。
(1)机械特性:机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能,如插头与插座使用的标准,它们的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序,接头处的可靠接触等。
(2)电气特性:电气特性是指总线的每―根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号,送入CPU的信号称为输入信号。例如 ,地址总线属于单向输出线,数据总线属于双向传输线,它们都定义为高电平为“1”,低电平为“0”。控制总线的每一根都是单向的,但从整体看,有输人,也有输出。有的定义为高电平有效,也有的定义为低电平有效,必须注意不同的规格。大多数总线的电平定义与TTL是相符的,也有例外,如 RS-232C(串行总线接口标准) ,其电气特性规定低电平表示逻辑“1”,并要求电平低于-3 V;用高电平表示逻辑“0”,还要求高电平需高于+3V,额定信号电平为-10 V和+10 V左右。
(3)功能特性:功能特性是指总线中每根传输线的功能,例如:地址总线用来指出地址码;数据总线用来传递数据;控制总线发出控制信号,既有从CPU发出的,如存储器读/写、I/О设备读/写,也有IO设备向CPU发来的,如中断请求、DMA请求等。由此可见,各条线的功能不同。
(4)时间特性:时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号互相存在一种有效时序的关系,因此,时间特性-一-般可用信号时序图来描述。

3.3.2

(1)总线宽度:通常是指数据总线的根数,用bit(位)表示,如8位,16位,32位,64位(即8根、16根、32根,64根)。
(2)总线带宽:总线带宽可理解为总线的数据传输速率,即单位时间内总线上传输数据的位数,通常用每秒传输信息的字节数来衡量,单位可用MBps(兆字节每秒)表示。例如,总线工作频率为33 MHz,总线宽度为32位(4B),则总线带宽为33× ( 32÷8 ) = 132 MBps。
(3)时钟同步/异步:总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线,与时钟不同步工作的总线称为异步总线。
(4)总线复用:一条信号线上分时传送两种信号。例如,通常地址总线与数据总线在物理是分开的两种总线,地址总线传输地址码,数据总线传输数据信息。为了提高总线的利用率,优化设计,特将地址总线和数据总线共用一组物理线路,在这组物理线路上分时传输地址信号和数据信号,即为总线的多路复用。
(5)信号线数:地址总线﹑数据总线和控制总线三种总线数的总和。
(6)总线控制方式:包括突发工作、自动配置﹑仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。
(7)其他指标:如负载能力,电源电压(是采用5V还是3.3 V),总线宽度能否扩展等。

3.3.3总线标准

3.4总线结构

感觉就是将设备分开自下而上(低速到高速)分层,同时还能对下层进行集成模块化。请添加图片描述
I/O设备的速度相对与CPU和和主存间的交换十分缓慢,所以通过通道将I/O信号暂存并且变成高速传输。

3.5总线控制

由于总线上连接着多个部件,什么时候由哪个部件发送信息,如何给信息传送定时,如何防止信息丢失,如何避免多个部件同时发送,如何规定接收信息的部件等一系列问题都需要由总线控制器统一管理。它主要包括判优控制(或称仲裁逻辑)和通信控制。

3.5.1总线判优控制

主设备:对总线有控制权
从设备:只能响应从主设备发出来的总线命令,对总线没有控制权

集中控制优先仲裁方式
(1)链式查询
首先线的作用:
BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意
链式查询方式
I/O接口发出BR总线请求,
总线同意信号BG串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口,
如果BG总线同意的信号到达时接口有总线请求,
意味着该接口获得总线使用权,并建立总线忙BS信号。
可以看出链式请求离总线近的的优先级更高,用几根线就能实现,并且容易拓展,但是缺点也很明显,优先级低的很难获得请求。

(2)计数器定时查询

比链式的少了BG,多了一组设备地址线

计数器定时查询
计数器定时查询和链式查询基本相同,但是前者(计数器定时查询)克服了后者(链式查询)优先级低的设备很难获取请求。
工作方式与链式基本相同,只是在寻找I/O接口时使用设备地址线,地址可以使用依次加“1”的方式,即依次查询接口,但是每次查询时不再像链式一样重新开始,而是继续下去。
(3)独立请求方式
独立请求方式
由图中可见,每一台设备均有一对总线请求线BR;和总线同意线BG;。当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一排队电路,可根据优先次序确定响应哪一台设备的请求。这种方式的特点是:响应速度快,优先次序控制灵活(通过程序改变),但控制线数量多,总线控制更复杂。链式查询中仅用两根线确定总线使用权属于哪个设备,在计数器查询中大致用(log_2) n
(设备地址线的数量)根线,其中n是允许接纳的最大设备数,而独立请求方式需采用2n根线。

3.5.2总线通讯控制

(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下一传输周期的总线使用权授于某一申请者。
(2)寻址阶段:取得了使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块(或从设备)的地址及有关命令,启动参与本次传输的从模块。
(3)传数阶段:主模块和从模块进行数据交换,数据由源模块发出,经数据总线流人目的模块。
(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。

1.同步通信
通信双方由统一的时钟控制,同时开始执行,并在相同的时钟周期内结束。

例3.1假设总线的时钟频率为100 MHz,总线的传输周期为4个时钟周期,总线的宽度为32位,试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率,可采取什么措施?
解:根据总线时钟频率为100 MHz,得
1个时钟周期为1/100 MHz =0.01 us
总线传输周期为0.01 us x4 =0.04 us
由于总线的宽度为32位=4 B(字节)
故总线的数据传输率为4 B/(0.04 us) = 100 MBps
若想提高一倍数据传输率,可以在不改变总线时钟频率的前提下,将数据线的宽度改为64位,也可以仍保持数据宽度为32位,但使总线的时钟频率增加到200 MHz。

2.异步通信
异步通信中请求与回答的互锁方式
不互锁方式
主模块发出请求信号后,不必等待接到从模块的回答信号,而是经过一段时间,确认从模块已收到请求信号后,便撤销其请求信号;从模块接到请求信号后,在条件允许时发出回答信号,并且经过–段时间(这段时间的设置对不同设备而言是不同的)确认主模块已收到回答信号后,自动撤销回答信号。可见通信双方并无互锁关系。例如,CPU向主存写信息,CPU要先后给出地址信号、写命令以及写入数据,即采用此种方式。
半互锁方式
主模块发出请求信号,必须待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号,有互锁关系;而从模块在接到请求信号后发出回答信号,但不必等待获知主模块的请求信号已经撤销,而是隔一段时间后自动撤销其回答信号,无互锁关系。由于一方存在互锁关系,一方不存在互锁关系,故称半互锁方式。例如,在多机系统中,某个CPU需访问共享存储器(供所有CPU访问的存储器)时,该CPU发出访存命令后,必须收到存储器未被占用的回答信号,才能真正进行访存操作。
全互锁方式
主模块发出请求信号,必须待从模块回答后再撤销其请求信号;从模块发出回答信号,必须待获知主模块请求信号已撤销后,再撤销其回答信号。双方存在互锁关系,故称为全互锁方式。例如,在网络通信中,通信双方采用的就是全互锁方式。
(1)不互锁
甲:你吃饭了吗?(不等乙回复)
乙:我吃了。(不管甲听到没有)
(2)半互锁
甲:你吃饭了吗?
乙:我吃了。
甲:好的。
(甲需要收到乙回复,乙不管)
(3)全互锁
甲:你吃饭了吗?
乙:我吃了。
甲:好的。
乙:嗯。
(甲乙双方都要互相确认收到)

异步串行通信的数据传送速率用波特率来衡量。波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数,单位用bps(位/秒)表示,记作波特。
两种传输率的异步串行传送字符格式
波特率 一整个二进制串
比特率 二进制串中的有效数据位

例3.2在异步串行传输系统中,假设每秒传输120个数据帧,其字符格式规定包含1个起始位、7个数据位、1个奇校验位、1个终止位,试计算波特率。
解:根据题目给出的字符格式,一帧包含1+7+1 + 1 =10位故波特率为(1+7+1+ 1 ) ×120 = 1 200 bps = 1 200波特