系统总线知识点概括

总线是计算机系统各部件之间的互连机构，是计算机系统的重要组成部分。

一.概述

1.1总线的基本概念

计算机各功能部件需要进行信息的传递，信息的传递需要有信息传输的线路。

构成信息传输线路的方式：

①在需要传递信息的部件之间建立专用的信息传输线路——专用线路方式

②建立公共的信息传输线路（总线）——总线方式

总线方式是将多个功能部件连接在总线上，任意两个功能部件之间的信息传送，都要通过总线进行。

注意：总线方式一次只能满足一对功能部件之间的信息传送，各功能部件采用分时使用的方式占用总线进行信息传送；如果出现多个功能部件同时争用总线的情况，还需按一定的规则排队使用总线。

总线方式简化了功能部件之间的连接线路，各功能部件只需与总线连接，无需分别设计与其他功能部件连接的接口。

采用总线结构的计算机，便于进行系统功能部件的扩充和更换；

①扩充一个功能部件时，只需将该部件通过其接口与总线连接即成为系统的有效组成部分；

②更换一个功能部件时，也只需将旧部件及其接口从总线上卸下，再将新部件通过其接口与总线连接即可。

总线概念：总线（Bus）是计算机系统中多个功能部件之间进行信息传送的公共通路。通
过总线传送的信息包括地址信息、控制信息和数据信息，因此，总线中包含地址信号线、控制
信号线和数据信号线三类信号线；各类信号线的数量，与总线的信息传送方式和传送的信
息位数有关。此外，总线中还有为各种部件提供电支持的电源线和接地线。

1.2总线的分类

按总线的作用范围和连接对象的不同，总线可分为片内总线、系统总线和通信总线

按数据线的多少分类：①并行总线：传输率高，适合短距离

                                    ②串行总线：适合远距离

1.片内总线：是指某些结构比较复杂的芯片内部的总线，用于连接芯片内部的各个部件。

 （在DMA控制器，中断控制器以及一些常用的接口芯片内都有片内总线）

2.系统总线：指连接主要的计算机部件（处理器，主存，I/O设备接口）的总线。

 （系统总线中，①用于传送数据信息的一组信号线称为数据总线；

                          ②用于传送地址信息的一组信号线称为地址总线；

                          ③用于传送控制与状态信息的一组信号线称为控制总线；

        数据总线是双向信息传输线，可在各部件之间互相传送数据信息。

        地址总线是单向信息传输线，用于将CPU或其他总线控制者（如DMA控制器等）发出的访问                          主存或I/O端口的地址传送到主存或I/O接口。

        控制总线包括控制信号线和状态信号线，每根信号线都是单向传输的。

（①控制信号包括cpu向其他部件发出的各种操作控制信号（如存储器读/写,I/O端口读/写等控制信         号），以及其他部件向cpu发出的操作请求信号(如中断请求信号,总线请求信号)等

   ②状态信号是反映其他部件工作状态的信号（如是否就绪等），通过状态信号线反馈给cpu，以便cpu了解其他部件的工作状态。

）     

）

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智能仪器仪表移动通信系统等之间的通信，通信方式有创行通信与并行通信两种。

1.3总线的特性及性能指标

(1)机械特性
机械特性是指总线在机械连接上的特性，包括接口插件板的尺寸,插头与插座的形状及
尺寸,信号引脚的数量、排列次序、间距、接触方式等。

(2)功能特性
功能特性是指总线中每根信号线的功能描述。总线中的每根信号线都有具体的信息传输功能。按所传输的信息种类来分,有地址信号线，数据信号线，控制或状态信号线，以及电源与接地信号线等;对地址和数据信号线,还要明确每根信号线传输的是地址或数据中的哪一位信息。

(3)电气特性
电气特性描述总线上每根信号线的信息传输方向,有效电平及电平范围。如地址，控制及状态信号线定义为单向传输的,数据信号线定义为双向传输的;

以高电平表示1,低电平表示0,或反之；某控制信号以高电平为有效状态,低电平为无效状态，或反之；电平范围定义为0~5V，或者0~3.3v，或者-10~+10v，等等。

(4)时间特性
时间特性体现总线上各信号的时序关系。在通过总线进行信息传送的过程中,相关的各条信号线何时开始传送有效信息，有效信息在线上需要保持多长时间，都是由某种定时方式(如同步定时方式和异步定时方式等)决定的。

总线的主要性能指标有：

（1）总线宽度

总线宽度通常是指数据总线一次所能传输的最大数据位数，即数据总线所包含的信号线条数.总线宽度用位（bit）数表示，如8位，16位，32位，64位等。

（2）总线时钟频率

总线时钟是总线上各种信号定时的基础，总线时钟频率是影响总线传输数率的重要因素之一。

（3）总线带宽

总线带宽定义为单位时间内总线上所能传输的最大信息量，单位是MB/s。

(4)负载能力

总线的负载能力一般用总线上所能连接的扩充电路插件板(即接口电路插件板）的数量来表示，这虽然不太严格，但基本上也可以反映总线的负载能力。

二，总线结构

1.单总线结构

计算机系统中只有一套系统总线，系统中的各种功能部件，如CPU，主存，I/O设备接口等，都连接在这一套总线中。

 在单总线系统中，CPU与主存、CPU与I/O设备以及I/O设备与主存之间的数据传送，都要通过这套单一的系统总线进行。由于只有一套总线，因此，系统中每次只能有一个部件有权使用总线进行数据传送，其他需要传送数据的部件只能处于等待状态。此外，各种工作速度不同的部件都连接在同一套总线上，经常使高速部件处于等待低速部件的状态，而且，为了兼顾总线上的低速部件，总线时钟频率通常较低、无法发挥出高速部件的速度优势。这些都会阻碍整个计算机系统工作效率的提高。

2.多总线结构

将原本单一的系统总线分为两个甚至多个层次，系统中的各种部件根据工作速度的不同，分别连接在不同层次的总线上，各个层次的总线之间再通过总线接口相互连接起来，就形成了多总线结构。

按传输速率由高到底，总线分成了局部总线，系统总线，高速总线和扩充总线4个层次；

连在各层总线上的部件的工作速度，是与对应层次的总线的速度相匹配的，按这种总线结构，工作速度越快的部件离cpu和主存越近，数据传输过程的延时越少。

高速总线与局部总线和系统总线之间的”桥“，以及扩充总线与高速总线之间的扩充总线接口，是用来将不同层次的总线相互连接的逻辑电路，其具有缓冲，转化控制等功能。有了桥或总线接口，各层总线就可以有不同的组成和传输速率，且某一层结构的改变不影响其他层的结构，如cpu结构改变会导致局部总线改变，但只要更换局部总线与高速总线之间的桥，就可重新与高速总线实现连接，不影响高速总线本身的结构。

由于主存移到了系统总线上，因此I/O设备与主存通过系统总线进行数据传送，不会影响cpu通过局部总线对cache的访问，也就是说这两种操作可以并行进行。

三,总线总裁

总线上所连接的各种功能部件或设备统称为功能模块

具有总线控制能力的功能模块称为主模块

没有总线控制能力的功能模块称为从模块

总线上通常有多个主模块，每个主模块在需要用总线传送数据时，都要先提出总线请求，在请求获准后，方能控制总线进行数据传送。总线一次只能由一个主模块控制。

当出现多个主模块同时提出总线请求时，就需要按一定规则确定这些主模块使用总线的次序，这项工作称为总线仲裁，用来完成总线仲裁的逻辑电路称为总线仲裁器。

总线仲裁方式：①集中式仲裁

                                1.1链式查询方式

                                1.2计数器定时查询方式

                                1.3独立请求方式

                         ②分布式仲裁

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1.1链式查询方式

采用链式查询方式时,总线上各主模块与总线仲裁器之间的连接方式如图所示, 

图中,BR为总线请求信号线，BG为总线授权信号线，BS为总线状态信号线；这三根信号线由所有主模块共用。当某个(或某几个)主模块需要使用总线传送数时,就通过某总线接口向BR发出总线请求信号，总线总裁器通过BR线接收到总线请求信号后，在总线处于空闲状态(BS=0)时,通过BG线发出总线授权信号；获得总线使用权的主模块通过BS线向总线仲裁器发出总线忙碌信号(BS=1)，阻止总线仲裁器响应其他主模块的总线请求；总线操作完成后，本次的主模块还要使BS=0，释放总线。
链式查询方式的特点体现在总线授权环节。从图中可见,各主模块是串联在BG 线上的，总线仲裁器发出的总线授权信号顺序传送到各主模块的接口。如果总线授权信号到达的主模块未请求总线，则总线授权信号继续向下传送，否则该主模块获得总线使用权，并不再向下传送总线授权信号。因此，串联在BG线上的各主模块，在获取总线使用权上有不同的优先级；离总线仲裁器越近的主模块优先级越高，反之则越低。
链式查询方式的优点是仲裁电路简单，容易扩充设备；缺点是响应速度慢，对授权线路的故障很敏感，一旦线路上某个节点发生故障，则其后的各个主模块就不能获得总线使用权了。此外，固定的优先级关系可能使优先级低的主模块长时间无法使用总线。

2.计数器定时查询方式 

采用计数器定时查询方式时，总线上各主模块与总线仲裁器之间的连接方式如下：

计数器定时查询方式与链式查询方式的不同之处，是在总线授权的方式上。当总线仲裁器接收到总线请求信号后，在BS=0时,其内部的一个地址计数器开始计数,并将计数值通过模块地址线发送到各个主模块接口，该计数值将与模块接口中设置的模块地址相比较，如果计数值对应的主模块没有请求总线，则继续计数查询，否则该主模块获得总线使用权, 将BS线置1,并中止计数查询。
计数器定时查询方式可以通过改变计数策略，来改变各主模块的优先级。如果计数器每次都从0开始计数，则为固定优先级；如果计数器总是从上一次的计数终值加1开始新的计数，则实现的是循环优先级，即每个主模块都有均等的机会成为优先级最高的模块；如果由程序来设置计数初值，则可以实现指定优先级。
与链式查询方式相比，在扩充设备方面，计数器定时查询方式受到模块地址的位数限制，不如前者方便，且硬件电路及控制也较前者复杂。

3，独立请求方式
采用独立请求方式时,总线上各主模块与总线仲裁器之间的连接方式如图所示。
在独立请求方式中,总线仲裁器为每个主模块独立设置了总线请求信号线和总线授权信号线，且每条总线请求信号线有着不同的优先级。当总线仲裁器接收到总线请求信号后, 由内部的优先级判别电路在提出总线请求的各主模块中选出优先级最高的主模块，并通过对应的总线授权信号线，向该主模块发送总线授权信号。
 

独立请求方式的最大优点是总线授权无须查询，响应速度快。此外，独立请求方式可以通过软件设置，实现非常灵活的优先级控制，如固定优先级、循环优先级、指定优先级等；也可以通过软件设置，屏蔽某个(或某几个)主模块的总线请求。
相对前两种方式而言，独立请求方式的总线仲裁器较为复杂，且受BR和BG端数的限制，扩充设备也比较困难。

 ②分布式仲裁

分布式仲裁方式不设置统一的总线总裁器，而是在各主模块的接口中都设计了总线仲裁逻辑，由各主模块自主判断是否有权使用总线。

分布式仲裁方式采用多根总线请求线来传送各主模块的总线请求信号，每根总线请求线都预先设定了优先级，因此，连接在各条总线请求线上的主模块都有自己的优先级。各主模块的仲裁逻辑在向自己的总线请求线发总线请求之前,还要先检测比自己优先级高的其他总线请求线上是否有请求信号，如果没有比本模块优先级更高的总线请求，则本模块发出总线请求，获得总线使用权，并将BS线置为1，否则本模块不能发出总线请求信号。下图所示为分布式仲裁的一种设计方案。

设图中总线请求线的优先级由高到低依次为BR0-BR1-BR2-BR3。主模块0只有在所有总线请求线上均无请求信号，且BS=0时，才能将其总线请求发到BR0线上，并获得总线使用权；主模块1要在BR0、BR1和BR2线上均无总线请求，且BS=0时，才能将自己的总线请求发到BR3线上，并获得总线使用权；主模块2和主模块3分别将自己的总线请求信号发到BR2和BR1线上，在发出请求信号之前，同样要检测比自己优先级高的总线请求线及BS线，以决定自己是否能发出总线请求线和获取总线使用权。获得总线使用权的主模块要将BS线置1，以阻止其他主模块的总线请求；在用完总线后，当前主模块必须撤销自己的总线请求，并将BS线复位(BS=0)。各主模块在需要连续占用总线时，也将请求发到BR0线上。

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