nightmorning的博客

一、概述

组成：逻辑电路，摆阔管理信息传输规则的电路，连接各功能部件，所以，总线 ≠ 连接线

特性：在任何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，但是可以有多个部件同时从总线上接收信息

总线标准：为了使不同厂家生产的各类模块化产品具有较好的 兼容性和互换性 ，计算机行业制定了总线标准

• 机械特性：总线机械连接的指标，包括总线使用的插座和插头
• 电气特性：每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围等
• 功能特性：总线上所传信号的功能，可分为地址总线、数据总线、控制总线
• 时间特性：总线中任一根线上的信号在什么时间有效，一般用信号的时序关系图来说明

性能指标

• 总线宽度：总线的根数，单位 bit
• 总线工作频率：用于协调总线上各种操作的时钟信号频率
• 总线带宽：每个时钟周期在总线上可以传输的数据量
• 数据传输率：每个系统周期在总线上传输的数据量

分类

• 片内总线

  

• 系统总线

  

总线周期：一次完整的总线传送操作所需要的时间

• 正常总线周期：一次地址传送时间 + 一次数据传送时间
• BURST 总线周期：一次地址传送时间 + 多次数据传送时间
• 总线的等待状态：在正常总线周期中，若由于被读写的部件速度慢，一次数据时间内不能完成读写，需要增加一个或多个数据时间

总线通信过程

• 申请分配：主线 -> 控制总线，控制总线判优
• 寻址：总线 -> 主模块，发送地址、读写命令，启动从模块
• 传送：主从模块通过总线进行数据交换
• 结束：主模块撤出占用信号

二、总线结构

单总线结构

多总线结构

• 以 CPU 为中心的双总线结构：IO 不能直接访存

  

• 以 主存 为中心的双总线结构：IO 可以直接访存（但是不能和 CPU 同时访存）

  

• 三总线结构

  

三、总线管理

整个计算机系统中，各个模块根据是否对总线具备控制能力划分为：

• 主模块：具有申请、启动总线操作的部件，比如 CPU、DMA 控制器、I/O 接口等
• 从模块：被动响应主模块发来的总线操作命令，一般是一些具备存储能力的部件

一次总线操作只能由一个主模块，但可以有多个从模块。如何响应这些主模块的使用总线的请求就是这一部分的重点，即总线管理。有两种思路：

• 集中式：逻辑电路集中在一起，比如集中放在 CPU 中，或者设置总线控制器
• 分布式：总线控制所需的逻辑电路分散在与总线连接的 各个功能部件或设备接口中，不专设总线控制器

总线仲裁

总线的管理中首先需要解决的，是多个主模块同时申请总线时的分配问题。

链式查询：从离总线控制器最近的主模块开始查起，离总线控制器物理连接最近的部件优先权最高

• BR：Bus Request，主模块 -> 总线控制部件 发出使用请求的信号
• BG：Bus Grant，总线控制部件 -> 主模块 发出同意使用的信号
• BS：Bus Busy，总线控制部件 -> 主模块 发出“忙”的信号

计数器定时查询：计数器每计一次数，将计数值作为模块地址发往各个主模块。符合地址的主模块获得总线控制权，停止计数，若没有相应主模块没有请求，则计数器 +1。也就是说计数初值决定最高优先级，可以通过设置该值更改优先级

独立请求：每个主模块独立设置 BR、BG 线，通过总线控制器中的排队电路进行控制

通信方式

这部分主要解决主从模块间通信的问题，有以下四种常见的通信方式：

同步通信

完全通过时钟信号控制通信，每个总线周期中时钟个数固定，计时必须按最慢的模块、最长的举例来安排公共时钟周期时间，控制简单但灵活性差。

异步通信

主/从部件间有两条应答信号线，应答（握手）建立联系，个部件按照约定的信号或绝对时间使用总线：

• 不互锁方式：主模块自动撤销请求信号，从模块自动撤销应答信号

  

• 半互锁方式：主模块等待应答信号，从模块自动撤销应答信号

  

• 全互锁方式：主模块等待应答信号，从模块等到请求信号消失后撤销应答信号

  

半同步通信

同步 + 异步，以同步通信为基础，但是针对一些特别慢的部件，增加等待信号，插入等待时钟进行通信

分离式通信

取消了主模块、从模块的概念，所有数据要使用总线必须申请，这样将一次总线周期分为两个子周期：

• 第一个子周期：模块 A 向模块 B 发送数据地址、命令、数据等信息，一旦 B 模块接收，立刻释放总线。
• 第二个子周期：模块 B，通过总线向模块 A 反馈数据，一旦 A 接收，立刻释放总线

可以看出，这个设计方式的好处是直接将等待过程删除掉了，模块 B 接收数据后什么时候处理好什么时候使用总线，期间总线是可以被其他模块使用的，增强了异步性