总线按在计算机系统的地位可分为片内总线、系

作者: 操作系统  发布:2019-11-09

1、总线的基本概念

总线

计算机的各个功能部件通过总线连接在一起构成完整的计算机系统,总线是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。当前的计算机系统中,总线的选择与使用是影响系统运行性能的重要因素。

总线按在计算机系统的地位可分为片内总线、系统总线和外部总线,按传输的信息可分为数据总线、地址总线和控制总线,按传输方式可分为串行总线和并行总线。

总线包括了传输导线和总线控制线路部分,计算机系统总线的基本连接方式有单总线结构和多总线结构。总线具有物理特性、功能特性、电器特性和时间特性其性能指标包括了总线宽度、工作频率、传输率等。

总线仲裁是总线系统的核心问题之一,为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题,必须具有总线仲裁部件,常见的仲裁方式有集中仲裁方式和分布仲裁方式。总线定时是总线系统的又一核心问题之一,为了同步主方、从方的操作,必须制定定时协议,常用的有同步定时方式和异步定时方式。

1.为什么要用总线?

冯诺依曼将计算机分为五部分:运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。要将这些设备连接起来需要较多的通路。

1 总线的基本概念

计算机是由一组相互之间通信的3种基本类型(CPU、存储器和I/O)的部件或模块组成的系统。因此,必须要有使模块连接在一起的通路。连接各种模块的通路的集合称为互连结构,这一结构的设计取决于模块之间所必须交换的信息。人们在计算机中尝试过很多种互连结构,迄今使用最普遍的是总线和各种多总线结构。

计算机通过系统总线将CPU、主存储器及外围设备连接起来,总线不但影响计算机系统的结构与连接方式,而且影响计算机系统的性能和效率。

总线(Bus)是连接两个或多个设备的公共通信线路。总线的关键特征是它为共享的传输介质。

多种设备连接到总线上,一个设备发出的信号可以被其他所有连接到总线上的设备所接收。但如果两个设备同时传送,它们的信号将会重叠,这样会引起混淆。因此,每次只能有一个设备成功地利用总线发送数据,而多个部件可以同时从总线上接收数据信息。

多数情况下,总线由多条通信路径或线路组成,每条线能传送一位二进制代码。多条线路放在一起,总线就能同时并行地传送多位二进制数字。如32条传输线组成的总线,可同时传输32位二进制代码。也有单条线路组成的总线,此时能在该线路上,用一段时间一位接一位地传送一串二进制数字。

在没有总线的情况下,计算机需要交换信息的各部件间需要设置专门的连接线路,这称为分散连接方式,此时的连线复杂而效率又低。采用总线结构后具有以下的优点:

1 模块式总线设计可以简化系统结构,降低成本。面向总线的结构节省连接线,使系统更加清晰明了。

2 模块式总线设计可以简化硬件和软件的设计,缩短产品的设计周期,使产品更具竞争力。模块设计的设计人员仅需针对规范的总线标准,而不必面对功能复杂且日新月异的CPU等内部接口,能以最快的速度推出新产品。

3 便于系统的扩充和更新。按规范的总线标准设计的总线产品面向整个行业,具有很好的通用性,便于系统的扩充更新。

2.总线

总线式连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质。

2总线的分类

1 按二进制数据的传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。

2 按数据传送的方向可分为单向总线和双向总线。

3 按时序控制方式可分为同步总线和异步总线。

4 若按总线的使用范围划分,则又有计算机总线、测控总线、网络通信总线等。

5 按总线在计算机中所处位置的不同,则有片内总线,系统总线,外部总线(通信总线)。

下面按总线在计算机中所处位置的不同,来分类介绍总线。

3.总线上信息的传送

串行:一次传输一位信号。

并行:传输距离较短,

2.1 片内总线

片内总线是指芯片内部的总线,如在CPU芯片内部各个部件之间传送信息的数据通路。由于所制造芯片的面积和芯片引脚的限制,内部总线有的采用单总线结构,有利于集成度的提高和成品率的提高。有的芯片内采用双总线或三总线结构,有利于内部数据传送速度的加快。

4.总线结构的计算机举例

2.2 系统总线

系统总线是指CPU、主存、I/O各大部件之间的信息传输线,它把这些部件连接起来构成了计算机系统。由于这些部件通常都制作在各个插件板上,故又叫做板级总线(即在一块电路板上各芯片间的连线)和板间总线。

按系统总线传输信息的不同,它又可分为三类:数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线(DB,Data Bus)

在任意两个涉及数据(此处的含义包括要运算的数据信息或要处理的指令信息)的存储、处理乃至交换、传输的设备之间,都应有数据总线。因为数据正是通过这条总线而实现传输的。显然,数据总线应该能实现双向传输,即可以进行从A设备向B设备的传送,也可以进行从B设备向A设备的传送。

对于数据总线来说,它的两个性能指标是传输的速率和总线的宽度。前者是指每个单位时间它传送多少个数据,显然这个指标将对计算机的运算速度有重大影响,而它与传输的距离也有关系。后者是每条总线可以同时传送多少位,也就是这个总线一共有多少条实际的物理线路,我们把它称为总线的宽度。

地址总线(AB,Address Bus)

地址总线用于传送地址信号,以确定所访问的存储单元或某个输入/输出端口。微机中地址总线一般有16位、20位、24位、32位、36位等几种宽度标准,与存储器所用的地址的位数以及端口的地址位数相对应。这也同时确定了可以访问的存储空间的大小。

应当指出,地址总线要和数据总线一起使用才有效。比如,如果要从某个设备向存储设备存入数据,则这个数据应该放到从某个设备连接到存储设备的数据总线上,同时应在连接这两个设备的地址总线上给出存储设备的地址,这样才能实现正确的存入(写入)操作。

从这里也不难理解,地址总线是单向总线,而不像数据总线那样需要有双向传送的功能。只有掌握总线控制权的主控部件,如中央处理器、输入/输出处理机IOP(Input Output Processor)等,才能向地址总线上发送地址信息。而像存储器这样不掌握总线控制权的部件,只能从地址总线上接收地址信息,并配合控制信号进行地址译码就可以了。

控制总线(CB,Control Bus)

控制总线是用来传送各类控制/状态信号的。如同前面所说,要实现对存储器的读/写操作,需要同时有数据总线、地址总线以及控制总线的参与,操作才能实现。而且,实际上它们是在控制总线上的信号的控制之下进行的。

以实现把数据总线上的数据存入地址总线给出其地址的存储器的某个存储单元为例,控制总线在其工作的周期中首先使地址总线工作,从而使相应单元发送地址信息到存储器做好接收数据的准备,然后使数据总线工作,把它上面的数据写到该存储单元中。地址总线与数据总线上的信息一直维持到控制总线工作周期的结束。

4.1 单总线结构框图

2.3 外部总线

外部总线也称为通信总线,它用于计算机系统之间或计算机系统与其它电子仪器或设备之间的通信。由于这类联系涉及到许多方面,如外部连接方式、距离远近、速度快慢、工作方式等等,差别极大,因此通信总线的类别很多。但基本上可按传输方式分为两种:串行通信总线和并行通信总线。

串行总线

串行总线的数据在数据线上按位进行传输,因此只需要一根数据线,线路的成本低,适合于远距离的数据传输。在具体传输时,按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉冲信号,每次一位,被传送的数据在发送部件中必须进行并行数据到串行数据的转换,这个过程称为拆卸;而在接收部件中则需要将串行数据转换成并行数据,这个过程称为装配。

串行总线是一种信息传输信道,每秒钟通过信道传输的码元数称为波特率,它反映了串行总线每秒钟传输的全部二进制位数。而每秒钟通过信道传输的信息量称为比特率,它反映了串行总线每秒钟传输的有效数据位数。

串行传输方式可分为同步方式和异步方式两种。在异步传输方式中,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,需占用一定的时间。所以在进行数据块传送时,为了提高速度,一般把每个字符前后的附加位去掉,而将若干个字符作为一个数据块一起传送,在数据块的开始和结尾处用一个或若干个同步字符作为标志。这种方式称为同步串行传输方式。

并行总线

并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送,每一位要有一根数据线,因此一共需要多根数据线。在同样的传输频率下,并行传输要比串行传输速度快得多。但是,并行总线的进一步发展却遇到了障碍。

首先,由于并行传输方式的前提是用同一时序传播信号,用同一时序接收信号,而过分提升时钟频率将难以让数据传输的时序与时钟合拍,布线长度稍有差异,数据就会以与时钟不同的时序传达。此外,提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰,因此,并行方式难以实现高速化。另外,增加位宽无疑会使布线数目增加,成本随之攀升。

4.2 面向CPU的双总线结构框图

3 总线的组成

总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个目的部件的一组传输线,而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。组成总线,除了要有传输导线外,重要的是总线控制线路。

由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件,多个接收信息的目的部件,对于发送的信息就必须经过选择判优,分开发送,避免多个部件同时发送信息的矛盾。同时还应对传送的信息进行定时,防止信息丢失。这样,总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑等。

4.3 以存储器为中心的双总线结构框图

3.1 总线驱动

总线上可连接多个部件,具有扩充的灵活性。总线上能连接多少部件,是受总线的驱动能力限制的。这是在总线上扩充设备或部件时应该注意的。

在总线的传输线上至少连接两个源部件,而对集成电路来说,不是任意两个集成电路的输出端都可以短接在一起的,使用不当,会损坏器件。在计算机系统中,通常采用三态输出电路(三态门)或集电极开路输出电路来驱动总线。

三态门是具有三种输出状态的电路,在计算机中用处很大,常用作总线驱动器。三态缓冲门是靠“允许/禁止”控制端上接入逻辑“1”或逻辑“0”来控制其操作的。三态门被禁止时,输出呈现高阻抗状态;三态门被允许时,能进行信息传送。用三态门可以设计单向总线或双向总线。

2、总线的分类

4 总线的基本连接方式

在现代计算机系统中,各大部件均以系统总线为基础进行互连。系统总线的连接方式有多种,一般可分为单总线结构与多总线结构两大类。

1.片内总线:芯片内部的总线

4.1 单总线结构

在单总线系统中,CPU、主存储器以及所有I/O设备均通过一组总线连接,如下图所示。这种总线结构简单,也便于扩充设备,但所有的传送都通过这组共享总线,因此极易形成计算机系统的瓶颈。

它不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息,当总线被某一部件占用时,其他部件就必须等待,等待当前传输完成之后再按照优先级上岗,这样就影响了系统工作效率的提高。

单总线的困境可以归结为以下两方面:

当总线上连接的设备增多时,传输延迟也会增大,而这个传输延迟又决定了设备支配总线使用所花费的时间。当控制频繁地由一个设备传递到另一个设备时,传输延迟明显地影响计算机性能。

当总线内的传输请求接近总线的传输量限制时,总线就成为了系统性能瓶颈。虽然尽量增加总线的带宽和提高总线的传输速度可以在一定程度上缓解这种矛盾,但随着计算机部件的性能提升,对总线的要求更高,如图形加速卡、网络传输接口等,其数据量大且传输速度要求相当高,单总线结构就满足不了系统工作的需要了。

2.系统总线:计算机各部件之间的信息传输线

  • 数据总线:双向与机器字长、存储字长有关
  • 地址总线:单向与存储地址、I/O地址有关
  • 控制总线:有出、有入

4.2 多总线结构

为了解决单总线面临的困境,现代大多数计算机的体系结构中采用的是多总线结构。多总线结构的形式多种多样,以下给出几种有代表性的总线结构。

由于CPU工作期间要不断地取指令、取操作数、传送结果,CPU与主存MM(Main Memory)之间的信息流通量特别大,一种多总线结构是在这两个最繁忙的部件之间增设一组总线。这组总线通常被称为存储总线,如下图是带存储总线的双总线结构。

在具有众多I/O设备的计算机系统中,为了进一步提高主CPU与I/O系统的并行性,往往由输入输出处理机(IOP)来组织管理I/O设备。IOP一方面通过I/O总线与众多外部设备相连,另一方面又与连接CPU和MM的系统总线相连,如下图是带IOP的双总线结构。

由于磁盘的信息传输速率很高,在采用虚拟存储的存储系统中,磁盘与主存之间存在着频繁的信息交换,因此多总线的另一种考虑是在主存与辅存之间增设一组总线。由于磁盘等高速外设采用直接存储器存取(Direct Memory Access 简称DMA)方式,因此这种总线被称为DMA总线,而连接CPU与其他外设接口的总线被称为I/O总线。如下图所示。

在多总线结构里有一个局部总线的概念。局部总线是解决系统总线拥挤问题的一个有效办法,就是在处理模块中配置专供其CPU使用的局部总线,在局部总线上挂有局部存储器和局部I/O接口,而系统总线上挂有公共存储器(共享存储器)和公共I/O接口。共享存储器主要目的是用于模块间的通信,而大部分数据传输都可以通过局部总线来完成。

如在具有Cache的系统中,可以在处理器与高速缓存Cache之间设一组局部总线,从而形成三总线结构的又一形式,Cache的控制机构不仅将Cache连到局部总线上,而且还直接连到系统总线上,这样Cache就可以通过系统总线与主存传输信息。而且I/O与主存之间的传输也不必通过CPU。

还有一条扩展总线,它将局域网、小型计算机接口(SCSI)、调制解调器(Modem)以及串行接口等都连接起来,并且通过这些接口又可与各类I/O设备相连,因此它可以支持相当多的I/O设备。与此同时,扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连,实现这两种总线之间的信息传递,系统的工作效率可明显提高。

3.通信总线:

用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如控制仪表、移动通信等)之间的通信

  • 串行通信总线
  • 并行通信总线

5 总线特性

从物理角度看,总线就是一组电导线。为了保证总线所连接的各个部件间能正确的连接及通信,总线需具有以下四个特性:

1 物理特性:物理特性指的是总线的物理连接方式。包括总线的条数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等。

2 功能特性:功能特性描写的是这一组总线中每一根线的功能是什么。从功能上看,总线分成地址总线、数据总线和控制总线3组。地址总线用来指出地址编码;数据总线传递数据信息;控制总线传送控制信号。它们既有CPU发出的,如存储器读/写、IO读/写信号;也有IO向CPU发来的,如中断请求、DMA请求信号等,可见各条线功能不一。

3 电器特性:电器特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。一般规定送入CPU的信号叫IN(输入信号),从CPU送出的信号叫OUT(输出信号)。控制总线的每一根都是单向的,但从整体看,控制总线中即有输入,也有输出。同时对于信号的电平,有的定义为高电平有效,有的定义为低电平有效。

4 时间特性:时间特性定义了每根线上的信号在什么时间有效。每条总线上的各种信号,互相存在着一种有效时序的关系,一般可用信号时序图来描述。

3、总线特性及性能指标

6 总线性能指标

1 总线宽度:总线进行一次操作所能传输的数据位数称为总线宽度,即数据传输线的条数,用bit表示。通常微机系统的总线宽度不会超过其CPU的外部数据总线宽度。例如ISA总线为16位,PCI总线为32位等。

2 总线工作频率:总线通常都有一个基本时钟,这个时钟是总线工作的最高频率时钟。通常,时钟的频率越高,单位时间内通过总线传送的数据量也越大。

3 单个数据传输周期数:由于传输方式的不同,使得每个数据传输所用的时钟周期数也不同。慢的需要几个周期才能传送一个数据,快的每个周期可传送1个、2个或4个数据。如ISA最快为2个时钟周期传送一个数据,PCI为1个时钟周期传送一个数据。

4 标准传输率(总线带宽):即在总线上每秒能传输的最大字节量,用MB/s(每秒多少兆字节)表示。如PCI总线宽度为4字节,总线工作频率为33.3MHz,单个数据传输所需的时钟周期数为1,则PCI总线的传输率为133.2MB/s。

5 时钟同步/异步:总线上的数据传送与时钟同步工作的称为同步总线;总线上的数据传送与时钟不同步工作的称为异步总线。

6 总线复用:通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种总线。但早期为提高总线的利用率,优化设计,也将地址线和数据线共用一组物理线路,这叫总线的多路复用。此时总线上某一时刻传输的是地址信号,而另一时刻传输的是数据信号或总线命令,即总线是分时复用的。

7 信号线数:表明总线所需信号线数的多少,是地址总线数、数据总线数、控制总线数及电源线数和接地信号线数的总和。信号线数的多少与总线性能的好坏不成正比,但与总线的复杂程度成正比。

8 其他指标:如总线的控制方式,负载能力等。

1.总线物理实现

7 总线仲裁

由于总线上连接着许多部件,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;如何规定接受信息的部件等等一系列问题,都需要由总线控制器进行管理。它主要包括总线仲裁(或称为总线判优控制)和通信控制两个方面。

总线上所连接的各类设备,按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备两种。主设备对总线有控制权,从设备只能响应从主设备发来的总线命令。总线上信息的传送是由主设备启动的。

如某个主设备欲与另一个设备进行通信时,首先由主设备发出总线请求信号,若多个主设备同时要使用总线时,就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序,确定哪个主设备能先使用总线。只有获得总线使用权的主设备才能开始传送数据。

总线仲裁方式可分集中式和分布式两种,前者有一个称为总线控制器或仲裁器的硬件设备负责分配总线使用权,这个设备可以是独立的模块,也可以是CPU的一部分。后者没有明确的总线控制器,而是将控制逻辑功能分散在与总线连接的各个部件或设备中。

常见的集中仲裁有三种优先权管理方式。

链式查询方式

为减少总线授权线数量,采用下图所示的菊花链查询方式(BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意)。

链式查询方式的主要特点是:总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口,假如BG到达的接口无总线请求,则继续往下查询,假如BG到达的接口有总线请求,BG信号便不再往下查询。这意味着该I/O接口就获得了总线控制权。

可见,在查询链中离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级,离中央仲裁器越远,优先级越低。因此,链式查询是通过接口的优先级排队电路来实现的。

链式查询方式的优点是,只用很少几根线就能按一定优先级实现总线仲裁,并且这种链式结构很容易扩充设备。

链式查询方式的缺点是,对询问链的电路故障很敏感,如果第i个设备的接口中有关的电路有故障,那么第i个以后的设备都不能进行工作。另外查询链的优先级是固定的,如果优先级高的设备频繁出现请求时,那么优先级较低的设备可能长期不能使用总线。

计数器定时查询方式

计数器定时查询方式如下图所示。与链式查询方式相比,多了一组设备地址线,少了一根总线同意线BG。总线控制部件接到由BR送来的总线请求信号后,在总线未被使用(BS=0)的情况下,由计数器开始计数,按计数值向各设备发出一组地址信号。当某个有总线请求的设备地址与计数值一致时,便获得总线使用权,此时终止计数查询。

这种方式的特点是:计数可以从“0”开始,此时设备的优先次序是固定的;计数也可以从中止点开始,既是一种循环方法,此时设备使用总线的优先级相等;计数器的初始值还可由程序设置,故优先次序可以改变。此外对电路故障不如链式查询方式敏感,但增加了主控制线数,控制也较复杂。

独立请求方式

独立请求方式如下图所示。其中每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号BRi。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设备的请求,给设备发相应的授权信号BGi。独立请求方式的优点是响应时间快,优先级次序控制灵活。但其缺点是控制线数量多。

分布仲裁方式

分布式仲裁不需要中央仲裁器,每个潜在的主控功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,把它们惟一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大,则就撤销自己向仲裁总线发送的仲裁号。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上,获得总线控制权。

2.总线特性

  • 机械特性:尺寸、形状、管脚数及排列顺序
  • 电器特性:传输方向和有效电平范围
  • 功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制)
  • 时间特性:信号的时序关系

8 总线的操作和定时

获得了总线使用权的设备或部件可以在总线上进行数据通信操作。当前的总线标准中大都能支持以下4种模式的数据传输。

1 单个字的读、写操作

即一次总线操作完成一个字的读或写操作,字的宽度通常与总线宽度一致。读/写操作都是由主设备发起,读操作是由从设备到主设备的数据传送;写操作是由主设备到从设备的数据传送。每次的字传输操作都是首先由主设备给出字单元地址,然后给出数据读/写控制信号。一次字的读/写操作一般在一个总线周期内完成。

2 块传送操作

块传送又称为猝发式传送。每次完成一个数据块的传输,每次传输主设备只需给出数据块的起始地址,然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入,直到一个数据块全部传输完成。

3 写后读、读后写操作

每次操作只给出地址一次,然后对同一地址单元的内容或进行“先写后读”操作,或进行“先读后写”操作。“先写后读”操作主要用于对数据的校验,即先将一个数据写入某一地址单元,然后读出比较,来判断存储单元是否存在故障。“先读后写”操作用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。

4 广播操作

总线传送通常是在一个主设备和一个从设备之间进行,但有些总线允许一个主设备同时对多个从设备进行写操作,这种操作称为广播。

总线定时方式是实现总线控制和数据通信的重要手段。信息在总线上的操作方式通常有同步和异步两种定时方式。

3.总线的性能指标

  • 总线宽度:数据线的根数
  • 标准传输率:每秒传输的最大字节数(MBps)
  • 时钟同步/异步:同步、不同步
  • 总线复用:地址线与数据线复用
  • 信号线数:地址线、数据线和控制线的总和
  • 总线控制方式:突发、自动、仲裁、逻辑、计数
  • 其他指标:负载能力

8.1 同步定时通信

总线上的部件通过总线进行信息传送时,用一个公共的时钟信号进行同步,这种方式称为同步定时通信。

这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备,也可以每个部件有自己的时钟发生器。但是,它们都必须由CPU发出的时钟信号进行同步。由于采用统一的时钟,每个部件或设备发送信息或接收信息都在固定的总线传送周期中,一个总线传送周期结束,开始下一个总线传送周期。

同步通信的优点是具有较高的传输速率,数据传输速度快,总线控制逻辑也比较简单。同步通信适用于总线长度较短,各部件存取时间比较接近的情况。相应的缺点是由于总线长度较短,不能及时进行数据通信的有效性检验。但假如总线长度太长,势必降低数据的传输速率。

4.总线标准

总线标准

数据线

总线时钟

带宽

ISA

16

8MHz(独立)

16MBps

EISA

32

8MHz(独立)

33MBps

VESA(VL-BUS)

32

32MHz(CPU)

132MBps

PCI

32
64

33MHz(独立)
66MHz(独立)

132MBps
528MBps

AGP

32

66.7MHz(独立)
13MHz(独立)

266MBps
533MBps

RS-232

串行通信
总线标准

数据终端设备(计算机)和数据通信设备(调制解调器)之间的标准接口

USB

串行接口
总线标准

普通无屏蔽双绞线
带屏蔽双绞线
最高

1.5Mbps(USB1.0)
12Mbps(USB2.0)
480Mbps(USB3.0)

8.2 异步定时通信

9159金沙官网,利用数据发送部件和数据接收部件之间的相互“握手”信号来实现总线数据传送的方式称为异步通信。它克服了同步通信的缺点,允许各模块速度的不一致性,给设计者充分的灵活性和选择余地。

在异步通信方式下,允许总线上的各部件有各自的时钟,部件之间的通信不依靠公共的时间标准,而是利用应答方式的“握手”信号来实现。

发送部件将数据放到总线上后,经过一定的时间延迟,便在控制线上发出“数据准备好”信号,而接收部件则应发送“数据接收”信号来响应该次操作,把此信号送到源部件上,并接收数据。发送部件接收到接收方的响应信号后,撤去原数据,结束本次传送。

异步通信方式的优点是,便于实现不同传输速率部件之间的数据传送,而且对总线长度也没有严格的要求,还能实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方式高,而且总线控制逻辑也相对复杂一些。

异步通信方式可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型,如图所示。

4、总线结构

8.3 总线控制通信时序图

下面举例说明总线控制的时序关系。下图给出了计算机系统的4条控制线——总线请求线、总线同意线、设备回答线和总线忙线的控制信号时序。

从图中可见,操作没有同步时钟信号,而有总线请求、总线同意和设备回答信号,所以这是一种异步双向全互锁的总线控制方式,其控制过程如下:

1 当某个设备请求使用总线时,在该设备所属的请求线上发出总线请求信号BRi。

2 CPU根据优先原则同意后发出总线同意信号BGi。

3 设备收到BGi有效信号后,下降自己的BRi,使之无效,并上升设备回答信号SACK,证实已收到总线同意信号BGi。

4 CPU接到SACK信号后,下降BGi作为回答。

5 在总线忙为“0”的情况下,该设备上升BSi,表示设备获得了总线的控制权,成为控制总线的主设备。

6 在设备使用完总线后,下降BSi和SACK,即释放总线。

7 在上述选择主设备的过程中,现行的主从设备可能正在进行数据传送,在此情况下,一定要等到现行传送结束,现行主设备下降BS信号后,新的主设备才能上升BSi信号,获得总线控制权。

1.单总线结构

9 总线标准

总线标准指的是系统与各模块之间以及模块与模块之间互连的标准界面要求。这个界面对于连接在总线上的设备是透明的,各设备只需按照总线的标准要求完成自己与总线的连接接口的功能要求即可使用,而不必知道其他设备与总线的连接接口要求。这个按照总线标准设计的接口则为通用的接口。

一般情况下总线有两类标准,即正式公布的标准和实际存在的工业标准。正式公布的标准由IEEE(电气电子工程师协会)或CCITT(国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认,并有严格的定义。

实际的工业标准通常是首先由某一厂家提出,而后又得到其他厂家广泛使用,这种标准可能还没有经过正式、严格的定义,也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。

2.多总线结构

双总线结构 三总线结构 I/O总线、 四总线结构

5、总线控制

1.总线判优控制

基本概念

主设备(模块):对总线有控制权

从设备(模块):响应从主设备发来的总线命令

总线判优控制

集中式:

  • 链式查询
  • 计数器定时查询
  • 独立请求方式

分布式

2.总线通信控制

目的:解决通信双方协调配合问题

总线传输周期:

  • 申请分配阶段:主模块申请,总线仲裁决定
  • 寻址阶段:主模块向从模块给出地址和命令
  • 传输阶段:主模块和从模块交换数据
  • 结束阶段:主模块撤销有关消息

总线通信的四种方式

  • 同步通信:由统一时标控制数据
  • 异步通信
  • 半同步通信
  • 分离式通信

(1)同步式数据输入

(4)半同步通信(同步、异步结合)

同步 发送方用系统时钟前沿发信号
  接收方用系统时钟后沿判断、识别

异步 允许不同速度的模块和谐工作
  增加一条“等待”响应信号 WAIT

上述三种通信的共同点:

一个总线传输周期(以输入数据为例)

  • 主模块发地址、命令(占用总线)
  • 从模块准备数据(不占用总线)
  • 从模块向主模块发数据(占用总线)

(5)分离式通信

充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

一个总线传输周期:

  • 子周期1:主模块申请占用总线,使用完后即放弃总线的使用权
  • 子周期2:从模块申请占用总线,将各种信息送至总线上

特点

  1. 各模块有权申请占用总线
  2. 采用同步方式通信,不等对方回答
  3. 各模块准备数据时,不占用总线
  4. 总线被占用时,无空闲

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