第二章 系统总线

2.1  总线的基本概念

1、总线概念：

　　　　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、串行、并行、并发、分布式概念及图示

（1）串行

A和B两个任务运行在一个CPU线程上，在A任务执行完之前不可以执行B。即，在整个程序的运行过程中，仅存在一个运行上下文，即一个调用栈一个堆。程序会按顺序执行每个指令。

 

（2）并行

并行性指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生。在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。比如，A和B两个任务可以同时运行在不同的CPU线程上，效率较高，但受限于CPU线程数，如果任务数量超过了CPU线程数，那么每个线程上的任务仍然是顺序执行的。

 

（3）并发

并发指多个线程在宏观(相对于较长的时间区间而言)上表现为同时执行，而实际上是轮流穿插着执行，并发的实质是一个物理CPU在若干道程序之间多路复用，其目的是提高有限物理资源的运行效率。 并发与并行串行并不是互斥的概念，如果是在一个CPU线程上启用并发，那么自然就还是串行的，而如果在多个线程上启用并发，那么程序的执行就可以是既并发又并行的。

 

（4）分布式

分布式在并行处理的基础上，强调任务正在执行的物理设备，如处理器、内存等等硬件，在物理上是分开的。而并行计算是指在一台计算机上的计算，在物理上不分开。

注：上文转自：https://www.jianshu.com/p/deae44fcc6b3    感谢作者！

 

3、总线的计算机举例

（1）面向CPU的双线总线结构（了解）

 

 

（2）单总线结构

注：CPU先访问主存后访问外设

 

（3）以存储器为中心的双总线结构

 

2.2  总线的分类

1、片内总线：芯片内部的总线

2、系统总线：计算机各部件之间的信息传输线

（1）数据总线：双向与机器字长、存储字长有关（MDR）

（2）地址总线：与存储地址、I/O地址有关（MAR）

（3）控制总线：有入（中断请求、总线请求）；有出（存储器读写，总线允许、中断确认）

 

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）--外部总线

根据传输方式分为：

• 串行通信总线

• 并行通信总线

 

2.3  总线特性及性能指标

1、总线的物理实现

 

2、总线的特性（408不考，自主不一定）

（1）机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序

（2）电气特性：传输方向和有效的电平范围

（3）功能特性：每根传输线的功能----->地址、数据、控制

（4）时间特性：信号的时序关系

 

3、总线的性能指标

（1）总线宽度：数据线的根数（单位bit）

（2）总线宽带：每秒传输的最大字节数（MBps）

（3）时钟同步/异步：同步、不同步

（4）总线复用：地址线与数据线复用----->目的减少显得总数

（5）信号线数：地址线、数据线和控制线总和

（6）总线控制方式：突发(传一个地址把剩下数据读取出来)、自动、仲裁、逻辑、计数

（7）其他指标：负载能力

总线带宽 = 总线频率 * 总线宽度 / 8 （MBps）

 

4、总线标准

总线标准：PCI、USB、PCI-E------->经常考

 

（1）PCI---集中式

 

 

（2）USB：串行接口，共四根线----->2根电源，2根传数据

 

2.4  总线结构

1、单总线结构--->见3.1

2、多总线结构

（1）双总线结构

 

通道：I/O设备的处理器（数的一个中转）------>408不考，自主看看

 

（2）三总线结构

 

 

（3）三总线结构的又一形式

 

 

（4）四总线结构

 

 

3、PCI总线

 

4、多层PCI-E总线结构

 

 

2.5  总线控制

1、总线的判优控制（总线仲裁）

1.1  基本概念

（1）主设备（模板）：对总线有控制权

（2）从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令

（3）总线判优控制：

• 集中式：链式查询（菊花链）、计数器定时查询、独立请求方式

• 分布式

 

1.2  链式查询方式-----2根线

 

注：有一个优先级的问题，优先级高的排在首处；对电路极其敏感

 

1.3  计数器定时查询------log2N根总线

注：相对于链式总线少了BG,增加了设备地址,比链式查询方式公平

 

1.4  独立请求方式------2N根总线

 

2、总线通信的控制---总线定时（时序）

目的：解决通信双方协调配合的问题

2.1  总线传输周期---一次总线操作的时间

（1）申请分配阶段：主模板申请，总线仲裁决定

（2）寻址阶段：主模板向从模板给出地址和命令

（3）传数阶段：主模板和从模板交换数据

（4）结束阶段：主模板撤销有关消息

 

2.2  总线通信的四种方式

（1）同步通信：由统一时标控制数据传送----考虑设备的影响

（2）异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准

（3）半同步通信：同步、异步结合

（4）半离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

 

2.2.1  同步数据输入--读入CPU

 

2.2.2  同步式数据输出--写入存储器

 

 

 注：总的来说，读的操作比写的操作更容易一些

 

2.2.3  异步通信机制（握手机制）

（1）不互锁：可靠性比较差，但效率比较高；在单机环境可靠性较高。

（2）半互锁：提高可靠性

（3）全互锁：效率降低，可靠性很好；（与计算机网络中TCP类似）

 

2.2.4  半同步通信（异步、同步结合）

（1）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

（2）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----->

 

 

 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）

• 主模板发地址、命令--------占用总线

• 从模板准备数据--------------不占用总线，总线空闲

• 从模板向主模板发数据-----占用总线

 

 2.2.5  分离式通信

在一个总线传输周期，充分挖掘纵总线每个瞬间的潜力

（1）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

（2）子周期2 ：从模块准备好数据申请占用总线，将各种信息送至总线上

 

分离式通信特点：

• 各模块有权申请占用总线

• 采用同步方式通信，不等对方回答

• 各模块准备数据时，不占用总线

• 总线被占用时，无空闲，充分提高总线的有限占用