第三章 系統(tǒng)總線

3.1、總線的基本概念

一、為什么要用總線

二、什么是總線

總線是連接各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質

三、總線上信息的傳送

四、總線結構的計算機舉例

1、單總線結構框圖

單總線會出現(xiàn)多個部件的掙用

2、面向CPU的雙總線結構框圖

采用雙總走線，相比單總線結構，實際上是在CPU和主存上專門連接了一條總線，CPU運行程序的時候，指令來自于主存，所以CPU和主存之間的交換是非常繁忙的，在CPU和主存上專門連接了一條總線是一個非常好的思路，但這樣的走線也存在著問題，假設在外部設備和主存之間進行傳輸?shù)脑?#xff0c;它們之間沒有信息通路，只能以中央處理CPU作為媒介，而這種信息傳輸頻繁的話中央處理器CPU計算的任務、執(zhí)行程序的任務還是會被打斷。把這種結構再進行改造如下。

3、以存儲器為中心的雙總線結構圖

CPU和主存之間有一條存儲總線，主存和外部設背進行交換信息的話，可以通過系統(tǒng)總線，CPU也可以通過系統(tǒng)總線，和雙總線相比就更進了一步，但是面向現(xiàn)代技術，通過情況下這兩條總線不能同時工作。雖然有雙口存儲器，但是雙口存儲器送信息的時候還是分時來做的。隨著將來的發(fā)展，系統(tǒng)的效率會進一步得到提高。

3.2、總線的分類

1、片內總線

芯片內部的總線

2、系統(tǒng)總線

計算機個部件之間的信息傳輸線

數(shù)據(jù)總線：如果這條走線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，那么我們把這樣的走線叫做數(shù)據(jù)走線，一般來說，數(shù)據(jù)走線是雙向的，與機器字長、存儲字長有關，但我們不能說數(shù)據(jù)走線的寬度一定和機器字長、存儲字長是相等的，通常情況下，走線的寬度是小于等于機器字長或者是存儲字長，比如說，一臺64位的計算機，它的數(shù)據(jù)走線的寬度你可以把它做成8位，要想完成一次64位的運算，傳輸一個64位的數(shù)據(jù)，傳到CPU當中去的話，那我們要進行8次，雙向是因為有些是需要把數(shù)據(jù)送到CPU當中，有時候我們是需要數(shù)據(jù)信息送到外部設備當中，存儲器當中，一般來說數(shù)據(jù)線都是雙向的。
地址總線：只要有地址才能找到相應的存儲單元或者是相應的設備，通常情況下地址走線是單向的，由CPU發(fā)出，主設備發(fā)出，地址走線的條數(shù)一般情況下是和IO,存儲地址是有關系的，要對IO尋址，存儲地址尋址，通常情況下地址走線條數(shù)和地址單元的個數(shù)是相關的，在這個模型當中，地址總線的寬度和MAR寄存器的寬度是一樣的。
控制總線：向系統(tǒng)的各個部件傳輸控制信號，或者系統(tǒng)的各個部件把它們自己的狀態(tài)信號向外進行傳輸，告訴主設備，這個方向有出有入，比如說發(fā)存儲器的讀操作，寫控制，這個就有CPU發(fā)出的，告訴設備是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)。還有些信號是輸入的，比如中斷信號，IO端口送給CPU,總線請求，也外部設備送給CPU。
這是CPU內部的走線，計算機內部的走線，范圍擴大，就是通信走線。

3、通信走線

用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（比如控制儀表、移動通信等）之間的通信。

3.3、總線特性及性能指標

一、總線物理實現(xiàn)

為了CPU、主存和IO插板與主板連接，總線需要一些特性

二、總線特性

1、機械特性

尺寸、形狀、管腳數(shù)以及排列順序

2、電氣特性

傳輸方向和有效的電平范圍

3、功能特性

每根傳輸線的功能
● 地址
● 數(shù)據(jù)
● 控制
4、時間特性
信號的時序關系。

三、總線的性能指標

1、總線寬度 數(shù)據(jù)線的根數(shù)
2、標準傳輸率 每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）
3、時鐘同步/異步 同步、不同步
4、總線復用 地址線與數(shù)據(jù)線復用
5、信號線數(shù) 地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和
6、總線控制方式 突發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)
7、其他指標 負載能力

四、總線標準

已經被淘汰。

3.4、總線結構

一、單總線結構

二、多總線結構

1、雙總線結構

2、三總線結構

3、三總線結構的又一形式

4、四總線結構

高速設備用高速線，地速設備用低速線。

三、總線結構舉例

1、傳統(tǒng)微型機總線結構

IO走線和系統(tǒng)走線分離

2、VL-BUS局部總線結構

分離出VL-BUS高速走線，在標準總線控制器上又接了ISA、EISA低速走線，做到了高低速分離。

3、PCI總線結構

4、多層PCI總線結構

3.5、總線控制

一、總線判優(yōu)控制

1、基本概念

● 主設備（模塊）對總線有控制權
● 從設備（模塊）響應從主設備發(fā)來的總線命令
● 總線判優(yōu)控制
○ 集中式：
■ 鏈式查詢
■ 計數(shù)器定時查詢
■ 獨立請求方式
○ 分布式

2、鏈式查詢方式

設備的連接方式（IO先后）已經確認，如果某一個IO設備的，優(yōu)先級比較低的話，排得比較靠后，它提出得總線占用請求一直不會得到響應，這是它的優(yōu)先級特點。速度比較慢，一直要向下查詢。另為有一個缺陷，就是電路故障比較敏感，尤其是BG總線同意的這條線，在向下傳送的過程當中，如果某一個接口出現(xiàn)了故障，這些信號無法向下傳送的話，那么后面這些設備再也無法獲得總線同意的使用權。這種電路方式的優(yōu)點是結構比較簡單，優(yōu)先級和總線仲裁就這3條；還有增加設備比較容易，要增加一個設備，直接放上去就可以了；優(yōu)先級的算法很簡單；另一點是進行可靠性設計的時候比較容易實現(xiàn)，比如把BS這條線換成2條線。用于微型計算機或者簡單的嵌入式系統(tǒng)當中。

3、計數(shù)器定時查詢方式

計數(shù)器定時查詢，和前面鏈式查詢相似和不同的地方，首先它還是有地址線和數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線用于數(shù)據(jù)的傳輸，地址線用于從設備的查找，另為它還有一條線，叫做設備地址，這種方式名稱的來源，叫做計數(shù)器定時查詢。這上面?zhèn)鬏數(shù)牡刂穼嶋H上是一個地址給出的，通過這個設備來查找某個設備是否發(fā)出請求，另為兩個是BR總線忙、BR總線請求?？偩€的控制過程，總線的控制里面有一個計數(shù)器，它的初始值可以是0也可以是1。如果說一個主設備要占用總線，和某一個從設備進行數(shù)據(jù)傳輸，它通過BR這條線，提出總線占用請求，總線控制器呢接受總線請求以后，在能夠響應的情況下可以讓出總線使用權的情況下就會啟用這個計數(shù)器，這個計數(shù)器的值是通過設備地址這條線輸出，設備地址線輸出以后，比如這個IO的接口是0,就判斷它是不是提出了請求，如果它沒有提出占用請求的話，就會進行加1，如果IO1提出了占用請求的話，就會通過設備地址相應。它的優(yōu)點是什么？它的優(yōu)先級確定非常靈活，你可以確認每次查詢計數(shù)器都是從0開始，從0~n,這個就確認優(yōu)先級的順序，那么我們計數(shù)器的不是從0開始啟動，從上次停止計數(shù)的地方啟動，那優(yōu)先級就變成了循環(huán)優(yōu)先級。如果計數(shù)器可以通過軟件確認初值的話，比如說設置一個數(shù)值k,IO和接口k就變成了優(yōu)先級最高，與鏈式相比，少了BG,多了設備地址這條，設備地址多少呢，和設備數(shù)有關，它是一個計時，把所有的設備都進行編碼，比如n個設備，用二進制編碼的話，那這個編碼至少需要以log2為底向上的這4條線。

4、獨立請求方式

上面方式都是查找那一個設備提出了占用請求，實際上都是按照順序查找的，這個速度比較慢，獨立請求方式就改變了這種方式，它的速度更快，確立那個設備請求占用速度快。

優(yōu)先級：那個設備比較重要，就在排隊器當中設置。不過需要的線更多，每增加一個設備就需要應引出一個BG和BR。

二、總線通信控制

1、目的

解決通信雙方（主設備和從設備之間）協(xié)調配合問題。

2、總線傳輸周期

是指主設備和從設備之間完成一次完整的并且可靠的通訊需要的時間。這個過程當中主要解決以下幾個問題
申請分配階段 主模塊申請，總線仲裁決定
尋址階段 主模塊向從模塊給出地址和命令
傳數(shù)階段 主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)
結束階段 主模塊撤銷有關信息

3、總線通信的四種方式

● 同步通信 由統(tǒng)一時標控制數(shù)據(jù)傳送
● 異步通信 采用應答方式，沒有公共時鐘標準
● 半同步通信 同步、異步結合
● 分離式通信 充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力。

（1）同步式數(shù)據(jù)輸入

首先，給出來時鐘、地址、讀命令和數(shù)據(jù)4個信號，在來到第一個時鐘周期的上升沿，必須要給出地址信號，這個信號是主設備出的，在我這個例子當中是CPU給出的，在第二個時鐘周期的上升沿，必須給出讀命令信號，告訴主設備或者CPU要從從模塊或者從設備讀入出去，在第三個時鐘周期上升沿，從模塊或者從設備必須要給出數(shù)據(jù)信號，第四個周期的上升沿,數(shù)據(jù)信號和控制信號（讀命令）就可以撤銷了。注意：讀命令在低電平發(fā)揮作用，高電平不起作用。地址和數(shù)據(jù)在中間空白地方起作用，陰影部分不起作用。

（2）同步式數(shù)據(jù)輸出

和同步式數(shù)據(jù)輸入一樣，要有一個定寬定長的時鐘周期，由它控制整個數(shù)據(jù)輸出和輸入的過程。我們假設CPU或者主模塊要把一個數(shù)據(jù)要把它輸出到某個從設備或者從模塊當中去。除了時鐘外，還有一個地址信號，才知道要與哪一個從模塊傳輸。要把數(shù)據(jù)輸出到從模塊當中去，必須要有一個數(shù)據(jù)。另外還要進行寫操作。在規(guī)定的時間做規(guī)定的動作：在第一個時鐘上升沿，主模塊或者CPU要給出地址信號（給出從設備的地址信號），在時鐘的下向沿給出數(shù)據(jù)。在第二個時鐘的上升沿，給出寫命令，向從設備進行寫入。在第三個時鐘的上升沿，做寫入操作。在第四個時鐘的上升沿，CPU可以撤銷數(shù)據(jù)和寫命令，結束的時候撤銷地址信號。

（3）異步通信

異步通信：設備有主、從設備兩種，主設備發(fā)起總線通訊，從設備接受總線通訊，受主設備控制。和同步相比，沒有定寬定距的時鐘，但要增加兩條線，一條式請求線，由主設備發(fā)出請求設備用，另為一條是應答線，對主設備發(fā)出的請求應答。第一種方式叫做不互鎖，主設備發(fā)出通信請求，從設備接受到請求以后，開始應答，之后主設備撤銷請求信號，從設備也撤銷應答信號。那么在這個過程當中，不管主設備是否接受到了應答信號，經過一段的延時以后，都會撤銷請求信號，從設備也不管主設備是否接受到了應答信號，過段時間也會撤銷應答信號。（相當于一個老師提出一個問題，他不管學生聽見了沒，同學也回答了這個問題，他也不管老師聽到沒）這樣通信的可靠性是有問題的，這便是不互鎖方式。第二種方式叫做半互鎖，主設備發(fā)出請求信號，從設備接受請求信號后，發(fā)出應答信號，主設備接受到應答信號后撤銷請求，如果主設備沒有接受到應答信號，那么這個請求信號會保持，這種方式叫做半互鎖方式，（接飛盤方沒有接到飛盤的話，會一直喊，讓對方把飛盤扔過來，）但是從設備發(fā)出應答信號以后，經過一段時間以后它都會撤銷應答信號，半互鎖有什么問題，有可能主設備的請求信號一直保持高電平（保持請求狀態(tài)）第三種方式叫做全互鎖方式，可以解決半互鎖的問題，同樣的，主設備或者CPU發(fā)出請求，從設備發(fā)出請求以后發(fā)出應答信號，主設備接受到應答信號后會撤銷請求信號，同樣的，只有主設備的請求信號撤銷以后，從設備才會撤銷應答信號，這種方式會完成可靠的數(shù)據(jù)傳輸，如果傳輸過程當中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不互鎖、半互鎖、全互鎖可以讓主設備發(fā)重新發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，這是異步通訊，利用請求和回答來完成通信。

（4）半同步通信（同步、異步結合）

同步：發(fā)送方用系統(tǒng)時鐘前沿發(fā)信號
接受方用系統(tǒng)時鐘后沿判斷、識別
異步： 允許不同速度的模塊和諧工作
增加一個“等待”響應信號
以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時序。

、
假設這個通信過程或走線周期依然是4使用周期。T1上升沿的時候由主模塊發(fā)出地址，T2上升沿的時候主模塊發(fā)出命令（讀信號），，在正常的情況下，在T3上升沿到來之前，從模塊要提供數(shù)據(jù)放到總線上，T3上升沿主模塊開始在總線上接受數(shù)據(jù)，在T4從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令。
那么如果說主模塊和從模塊之間的速度不一致，比如主模塊是CPU,從模塊是存儲器，CPU可能工作得比存儲器工作得要快，在T3上升沿到來之前，從模塊無法向主模塊提供數(shù)據(jù)，如果在同步通信過程當中，這樣就會出錯，那么在T3到來之前，這個從模塊要發(fā)出wait信號，主模塊檢測wait信號線，如果檢測到wait是一個低電平，主模塊就會插入一個T這樣一個周期，等待數(shù)據(jù)得到來，在下一個時鐘周期到來之前，主模塊還會檢測這個wait信號是否位低電平，如果是它還會等待一個周期T,直到一個在某一個周期到來之前，主模塊檢測wait信號為高電平，從模塊準備好了，它可以發(fā)送信號，這個時候我們進入T3周期。

半同步通信是同步與異步得結合，首先呢，我們要有一個時鐘信號定寬定距的時鐘控制了數(shù)據(jù)的整個過程，這是同步通信的特征。下面了我們假設某一個外部設備或者某一個內存單元當中我們要讀數(shù)據(jù)。CPU呢要先給出一個地址，既然是讀數(shù)據(jù)的話就要給出一個讀信號（讀命令的信號），外部設備或者內存單元和CPU之間有速度差異，在時間點上可能無法提供給CPU需要的數(shù)據(jù)，外部設備有一條線，給出一個wait信號讓CPU等待數(shù)據(jù)的到來，另外就是數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線有了之后由外部設備或者由內存發(fā)出，傳送給CPU。
第一個時鐘信號上升沿，CPU通過地址走線要給出地址信號，在第二個周期到來的時候，是讀操作，CPU給出讀信號，在第三個周期開始之前，如果從設備不能把數(shù)據(jù)準備好，那么它要通過wait信號給出一個低電平，告訴CPU讓它等待，CPU對wait信號一直檢測，wait是低電平說明外部設備是沒有準備好數(shù)據(jù)，那么插入一個周期Tw等待，在下一個周期開始之前Tw依然要檢測整個wait信號，wait信號是低電平依然要插入一個周期Tw進行等待，在下一個周期前，我們發(fā)現(xiàn)wait已經變成了高電平，著說明外部設備已經準備好了CPU需要的數(shù)據(jù)，就可以進入到T3周期，在T4周期開始的時候，讀命令信號和讀命令信號從總線上撤銷，T4個使用周期結束地址信號也撤銷，那么這次半同步通信就結束了，這就是半同步通信傳輸，這種方式允許不同頻率的主從設備進行信息交換。
上述三種通信的共同點
一個總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）
● 主模塊發(fā)地址、命令 占用總線
● 從模塊準備數(shù)據(jù) 不占用總線 總線空閑
● 從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù) 占用總線
總線在傳輸過程當中空閑對總線來說是一種浪費資源，有沒有辦法把空閑時間用上，這就是下面這個辦法——分離式通信。

（5）分離式通信

充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力
一個總線傳輸周期
● 子周期1：主模塊申請占用總線，使用完后 即放棄總線的使用權
● 子周期2： 從模塊申請占用總線，將各種信息送至總線上。
解釋：我們把一個總線的傳輸周期分成兩個子周期。在第一個子周期，主設備發(fā)出地址，發(fā)出命令占用總線。地址和命令發(fā)送以后，主設備和總線之間的連接斷開，主設備放棄總線的使用權。這個周期結束以后，從設備準備數(shù)據(jù)接收或者是準備要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果從設備已經準備好了接收或者準備好了要發(fā)送的數(shù)據(jù)。那么從設備要再一次發(fā)出占用總線的請求，在這個時候，這個從模塊實際上已經從從模塊變成了主模塊，因為他發(fā)起了總線的占用請求。分成兩個周期實際上就把我們剛才的那個總線傳輸周期當中中間的一部分，即設備或者模塊準備數(shù)據(jù)的這個過程的總線使用權讓出，以提高總線資源利用率。
例子：比如一個硬盤它掛在通道上，在執(zhí)行程序過程當中，我們要從硬盤讀數(shù)據(jù)或者讀程序，讀數(shù)據(jù)或者讀程序對硬盤有三種操作。第一個操作稱為定位，尋找一個指定的磁道這個時間，要尋找磁道的話，這個磁頭要在硬盤的表面進行徑向地移動，移動到指定的磁道上去，這個時間是比較長的，一般來說需要幾十個ms。第二個操作就是磁頭找到了指定的磁道以后，還要找指定的扇區(qū)，磁頭停止在磁道表面，針圍繞一個在圍繞一個軸進行轉動，我們假設是一個500轉的一個磁盤，那么等待磁頭轉到一個指定的扇區(qū)，平均時間大概是6s左右，然后才能開始讀數(shù)據(jù)，假如33兆字節(jié)/s，大概是512個字節(jié)，我們只需要幾微秒就能把數(shù)讀出來。
在這個過程當中，我們采用半步式通信方式的話，通道發(fā)出這個磁盤的讀操作到一直讀完的時間，實際上大部分時間，幾十毫秒的時間，這個總線處于等待狀態(tài)，等待磁頭要找的磁道，等待磁頭要找到指定的磁道才能開始，那如果我們采用分離式方式的話，通道發(fā)出定位之后，通道和總線都斷開，那么硬盤的控制器由它控制磁盤完成定位操作，它完成定位操作以后，并從設備向通道發(fā)出清求，通道呢，再次給它發(fā)送找扇區(qū)的操作，找扇區(qū)的操作找到以后，硬盤控制器再次向通道發(fā)出請求，通道再去進行數(shù)據(jù)傳輸，這個過程我們可以看到充分利用總線的每一次的瞬間，主模塊可以變成從模塊。todo
分離式通信特點
● 1、各模塊有權申請占用總線（主模塊申請，從模塊可以變成主模塊，然后申請）
● 2、采用同步方式通信，不等對方回答。
● 3、各模塊準備數(shù)據(jù)式，不占用總線
● 4、總線被占用時，無空閑