计算机组成原理 总线

总线

总线定义

总线
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
总线的好处
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I/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
两大基本特性
共享是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。
分时是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。

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亚范围
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

总线分类

串行总线

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。
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。

并行总线
优点: 总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易
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

but: 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。

片内总线
片内总线是芯片内部的总线。
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

系统总线
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。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。

1. 数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关
2. 地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或IO端口的地址，它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址空间的大小有关

通信总线
通信总线是用于计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。

按时序控制分类:(操作与定时具体说)
同步总线: 总线控制方式由计算机内部的统一的时钟
异步总线: 通过各设备之间的请求与回答信号

系统总线的结构

单总线结构

优点: 结构简单，成本低，易于接入新的设备
缺点: 带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作
双总线结构

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
缺点 : 需要增加通道等硬件设备
注: (1) 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
(2) 通道是具有特殊功能的处理器。能对I/O设备进行统一一管理通道程序存放在主存中。

三总线结构

优点: 提高了VO设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量
缺点: 系统工作效率较低

系统性能指标

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
   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。
3. 总线的工作频率
   总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数
   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
   即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。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
   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。
   总线带宽=总线工作频率x总线宽度 (bit/s) =总线工作频率x (总线宽度/8) (B/s)
   这里的频率和周期之间可以形成换算
   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

总线定时

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。时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。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。

优点 : 传送速度快，具有较高的传输速率:总线控制逻辑简单
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
适用性: 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

异步定时方式
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。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。

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 2) 半互锁方式 3) 全互锁方式
   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
   缺点: 比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢

起始位	校验位	...	停止位

半同步定时方式

同时具备了同步定时方式和异步定时方式的优点。
它采用同步方式定时，即传输信号的发送时间和接受时间均由时钟信号确定。通常在时钟前沿发送信号，在时钟后沿接收信号，这样可以包容部分传输延迟。
为了支持速度不同的设备间的通信，半同步方式为速度慢的通信方增设了一条等待(WAIT(取反))信号线，或就绪 (Readv) 信号线，通过采用异步定时方式来协调体内通信双方的速度配合问题

总线标准

1. ISA。ISA (Industry StandardArchitecture，工业标准体系结构) 总线是最早出现的微型计算机的系统总线应用在IBM的 AT机上。
2. EISA。EISA (Extended ndustry Standard Architecture，扩展的ISA) 总线是为配合32位CPU 而设计的扩展总线，EISA 对ISA 完全兼容。
3. VESA。VESA (Video Electronics StandardsAssociation，视频电子标准协会) 总线是一个32 位标准的计算机局部总线，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。
4. PC。PCI(Peripheral Component lnterconnect，外部设备互连) 总线是高性能的32位或64 位总线，是专为高度集成的外围部件、扩充插板和处理器/存储器系统设计的互连机制。目前常用的PCI适配器有显卡、声卡、网卡等。PCI总线支持即插即用。PCI总线是一个与处理器时钟频率无关的高速外围总线，属于局部总线。PCI总线可通过桥连接实现多层 PCI 总线。
5. PCI-Express (PCI-E) 。PCI-Express 是最新的总线和接口标准，它将全面取代现行的 PCI和 AGP，最终统总线标准。
6. AGP。AGP (Accelerated Graphics Port，加速图形接口) 是一种视频接口标准，专用于连接主存和图形存储器，属于局部总线。AGP 技术为传输视频和三维图形数据提供了切实可行的
   解决方案。
7. RS-232C。RS-232C (Recommended Standard，RS) 是由美国电子工业协会 (EIA) 推荐的一种串行通信总线，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
8. USB。USB (Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种连接外部设备的/0总线，属于设备总线。具有即插即用、热插拔等优点，有很强的连接能力。
   g. PCMCIA。PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Assocation) 是广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准，是一个用于扩展功能的小型插槽。PCMCIA 具有即插即用功能。
9. IDE。IDE (lntegrated Drive Electronics，集成设备电路)，更准确地称为ATA，是一种DE 接口磁盘驱动器接口类型，硬盘和光驱通过IDE 接口与主板连接。
10. SCSI。SCSI (Small Computer System lnterface，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。
11. SATA。SATA (SerialAdvancedTechnology Attachment，串行高级技术附件) 是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，是由 Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor 和 Seagate 公司共同提出的硬盘接口规范。

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|系统总线标准|ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express等
|设备总线标准|IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA
|局部总线标准|在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层如PCI、PCI-E、VESA、AGP等，可以节省系统的总带宽。|

即插即用 (Plug-and-Play)
自动配置(低层)计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。把物理设备和软件(设备驱动程序) 相配合，并操作设备，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道。
热插拔 (hot-plugging或Hot Swap)
即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等，例如一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能