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系统总线

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总线的特性及其应用

总线的概念：是计算机体系结构的重要组成部分，通过它可以将计算机系统中各个功能部件连接起来，构成一个完整的系统。

总线的作用：

  • 是各功能部件间传递各类信息的通道；
  • 是系统中各部件间的物理接口，能够减少各部件通信的复杂程度；
  • 提供信息交换时所需的数据、地址、时序和控制信息；
  • 提供一个共同遵循的协议或标准；
  • 不应成为整个计算机性能的瓶颈；
  • 方便计算机系统的集成、扩展和进化。

总线的分类：总线分类的方式有很多，如被分为外部总线和内部 总线、系统总线和非系统总线、片内总线和PCB板级总线、串行总线 和并行总线、高速总线和低速总线、同步总线和异步总线，专用总线 和通用总线等等。

按用途分

  • 存储总线：短距离、 高速总线，与存储器 的特性相匹配，尽最 大可能提高处理器与 存储器之间的数据带 宽，针对Cache块数 据传输进行性能优化；
  • 系统总线：又称内 部总线或板级总线， 是计算机系统中最 重要的总线，也是 连接存储总线和I/O 总线的中间总线；
  • I/O总线：通常连 接距离较远、速度 相对较慢，用于连 接多种外部设备， 同时与系统总线或 存储总线连接。

按位置分

按照总线所在的位置，总线可以分为：

  • 外部总线：USB、火线（IEEE-1394）等
  • 内部总线：PCI、AGP等
  • 片内总线：AMBA

总线的组成

  • 数据总线：用于传送数据信息，通常是双向三态形式的总线；
  • 地址总线：专门用来传送地址，地址总线总是单向三态的;
  • 控制总线：用来传送控制信号和时序信号。
  • 电源线和地

总线性能和总线事物

总线性能参数：

总线性能参数：

  • 总线频率：反映总线工作的速率（f），通常单位是MHz；
  • 总线宽度：数据总线的位数（w），单位是b（位）， 是微型计算机的一个重要指标，通常与处理器的字长相一致；
  • 总线传输速率：总线上可传输的数据总量（BW），单位是MB/s； 总线传输速率＝（总线宽度÷8位）×总线频率 BW = （w÷8）× f
  • 同步方式：同步、异步
  • 多路复用：地址线和数据线能否共用一条物理线；
  • 信号线数量：数据线、控制线和地址线的总和；
  • 总线控制方式：传输方式、配置方式、中断分配和仲裁方式等。

总线事物

  • 总线事务：从请求总线到完成总线使用的操作序列称 为总线事务（Bus Transaction），它是在一个总线周 期中发生的一系列活动。
  • 典型的总线事务包括：请求操作、裁决操作、地址传 输、数据传输和总线释放。

主设备（master）：能够提出申请并获得总线控制权的设备；
从设备（slave） ：只能被动接受总线控制传送数据的设备。

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总线传输过程

  • 总线传输：在主设备（如CPU、DMA控制器等）控制 下通过总线进行的信息传送（数据读写）操作。
  • 总线完成一次数据传输操作，一般经过如下四个阶段：
    • 申请与仲裁阶段
    • 寻址阶段
    • 传输阶段
    • 结束阶段

常见总线操作：

  • 读操作（Read）
  • 写操作（Write）
  • 读修改写操作（Read-modify-Write）
  • 写后读操作（Read-after-Write）
  • 块操作（Block）等

总线连接方式

单总线结构

  • 访问存储器和访问外设指令相同，由地址来区分；
  • 总线简单，使用灵活，易于扩展；
  • 任意两设备之间理论上都可以直接交换信息；
  • 所有设备分时工作，仅适用于慢速的计算机系统中。

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双级总线结构

  • 由于外设和内存分处于不同的总线，需要增加I/O指令；
  • 存储总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性；
  • 仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。

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多级总线结构

  • 在双级总线结构的基础上增加I/O总线构成；
  • 并行性进一步提高，并可以通过增加通道或IO处理机来分担部分CPU 的I/O功能，但是总线结构得越来越复杂。

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总线示例

多级总线示例

总线桥：是不同速率总线 之间的连接器件，起信号 速度缓冲、电平转换、控 制协议转换等作用。

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单级总线示例

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总线结构对计算机系统性能的影响

  • 对最大存储容量的影响：单总线结构有影响，双总线和多总线结构没有；
  • 对指令系统的影响：双总线和多总线结构需要增加IO指令；
  • 吞吐量：单总线结构的吞吐量小，多总线结构的吞吐量大，双总线结 构的吞吐量居中

总线仲裁和数据传输方式

菊花链式串行总线仲裁

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集中式并行总线仲裁

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常见总线仲裁策略

  • 固定优先级总线仲裁
  • 轮叫式总线仲裁（Round Robin）
  • LRG总线仲裁（Least Recently Granted）
  • 混合式总线仲裁

总线时序

同步定时

同步定时：信息传送由公共时钟控制，总线中包含时钟线。

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  • 优点：时序关系简单，实现简单。
  • 缺点：在设备速度不一致时按最坏情况确定， 传输线不能太长（时钟相移）。

异步定时

异步定时：信息传送的每一个操作都是由主设备或从设备特定信号的 跳变所确定，总线上每一个事件的发生取决于前一个事件的发生。

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  • 优点：数据传输可靠，适用于传输周期不同的设备， 对通讯线的长度没有严格的要求。
  • 缺点：速度较慢。

半同步定时

半同步定时：总线上各操作之间的时间间隔可以变化，但仅允许为公 共时钟周期的整数倍。信号的出现、采样和结束仍以公共时钟为基准。

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数据传输

并行传送

  • 同时并行传送的二进位数就是数据宽度；
  • 通常采用应答式的联络信号来协调双方的数据传送操作。

串行传送

  • 只使用一根传输线，采用脉冲方式传送信息；
  • 每次传送1位信息；
  • 一次新的传送，一定是以一个电平的跳变开始。

串并传送

  • 一次传送多个二进制位，但是同时传送的二进制位数小于数据宽度；
  • 按照串行的方式将整个数据宽度传送完。

总线标准

总线标准：计算机系统的各部件之间利用总线进行信 息传输时应遵守的协议和规范，包括硬件 和软件两个方面。

常见总线标准

  • ISA（Industrial Standard Architecture）：最早制定的总线技术标 准，总线宽度8/16位，总线频率5~8MHz，总线带宽5~8MB/s。
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  • EISA（Extended Industry Standard Architecture）总线：在ISA总 线的基础上为32位微机开发。
  • VESA（Video Electronics Standard Association)总线：1992年推， 它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础，该总线系统考 虑到CPU与主存和Cache的直接相连。标准定义了32位数据线，且可 通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率为 128MB/s~132MB/s。
  • PCI（Peripheral Component Interconnect）总线：PCI是由Intel 公司1991年推出的总线规范，用于取代ISA；不同于ISA总线，PCI总 线的地址总线与数据总线是分时复用的，支持插即用。
    • PCI总线支持10台外设，总线宽度32/64位，总线时钟 频率33.3MHz/66MHz，最大数据传输速率 133/264 MB/s，时钟同步方式，且与CPU的时钟频率无关。
    • 插即用：是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分 配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序；而不象旧的 ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。
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  • AGP（Accelerated Graphics Port）总线：是Intel公司1997年推出 的一种3D标准图像接口， 基于PCI2.1版规范并进 行扩充修改而成，它采 用点对点通道方式，能 够提供四倍于PCI的传输 速度。
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  • PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）总线：是 Intel公司2001年推出的一种高速串行计算机扩展总线标准，用于替 代PCI、PCI-X和AGP总线。
    • PCIe相比以前的标准，有许多改进之外，包括：更高的最大 系统总线吞吐量，更低的I/O引脚数量和更小的物理尺寸，更 好的总线设备性能缩放，更详细的错误检测和报告机制； PCIe标准的更新版本为I/O虚拟化提供了硬件支持。
    • PCIe有多种不同速度的接口模式，包括：1X、2X、4X、8X、 16X 以及更高速的32X；PCIe 1X 模式的传输速率可以达到 250MB/s，PCIe 2.0 X16 接口能够提供8GB/s的总线带宽。
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  • USB（Universal Serial Bus）总线：是由Intel、Compaq、IBM、 Microsoft等多家公司1994年联合提出的一种通用串行总线。
    • 采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根 为下游设备提供电源
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    • 采用级联星型拓扑，由三个基本部分组成：主机（Host），集 线器（Hub）和功能设备
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    • USB 1.1 总线带宽为12Mbps（1.5MB/s），可接入多达127 个设备。
    • USB 3.1 Gen2 最大传输速率可达10Gbps（1280MB/s）。
    • USB自推出后，已成功替代串口和并口，并成为个人电脑和大 量智能设备的必配的接口之一。
  • AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）总线：是 ARM公司推出的片上总线；AMBA提供了一种特殊的机制，可将RISC 处理器集成在其它IP核和外设中。
    AMBA 2.0 标准定义了三组总线
    • AHB（Advanced High-Performance Bus）：AMBA高性能总线
      AHB总线：属于高性能、高时钟频率的系统总线，主要特点包括流水 线操作、数据突发传输（Burst Transfer）、可支持多个总线主设备 （最多16个）、单时钟沿触发操作、总线宽度32、64、128位（最高 可达1024位，但推荐不要超过256位)。
    • ASB（Advanced System Bus）：AMBA系统总线
      ASB总线：与AHB相比数据宽度要小一些，支持8、16、32位，且为三 态、双向总线。
    • APB（Advanced Peripheral Bus）：AMBA外设总线
      APB总线：是本地二级总线，通过桥和AHB/ASB相连。它主要是为了满 足不需要高性能流水线接口或不需要高带宽接口的设备的互连。
      AMBA总线结构：
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  • AMBA 4.0 是最新增添到AMBA系列中的规范，增加了三个新接口 协议（Advanced eXtensible Interface）：AXI4有助于最大化性 能和能效、AXI4-Lite和AXI4-Stream是 FPGA中实现的理想选择。image-20191226181323636

特点：

  • 独立的读地址、写地址、读数据、写数据和写确认5个通道
  • 支持乱序传输
  • 支持固定模式突发传输， 主要用于I/O接口
  • 支持系统高速缓存
  • 持增强保护功能
  • 互斥访问（用于semaphore操作
  • 寄存器分片以便于高频操
    AXI4总线结构：
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    • InfiniBand总线：是由InfiniBand行业协会推出的，该协会的主要成员 包括Compaq、Dell、HP、IBM、Intel、Microsoft和Sun等公司。
  • InfiniBand是PCI总线的替代品，采用了与PCI完全不同的架构， 具有极高带宽和灵活的扩展能力，理论带宽分别可以达到 500MB/s、2GB/s和6GB/s。
  • InfiniBand解决了PCI总线中设备的距离问题，外部设备可以放 到距离服务器很远的地方工作（如果使用的是光缆，最远距离 可以达到0.3~10千米）。

习题

系统总线地址的功能是（指定主存和I / O设备接口电路的地址）。

异步控制常用于（在单总线结构计算机中访问主存与外围设备时 ）作为其主要控制方式。

描述PCI总线中基本概念正确的句子是（BCD）。
A.PCI设备一定是主设备
B.PCI总线的基本传输机制是猝发式（Burst）传送
C.PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线
D.系统中可以有多条PCI总线

下面叙述中，不正确的是（ABD）。
A.总线一定要和接口相连
B.总线始终由CPU控制和管理
C.接口一定要和总线相连
D.通道可以替代接口

计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化，同时（减少了信息传输线的条数）