总线,bus,表示计算机内各元器件之间的共享的传输介质,如大脑中的神经系统
什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质,是计算机各种功能之间传送信息的公共通信干线,由导线组成。
总线是分位的,目前电脑的总线位数由16位、32位、64位等。位数越大,传输数据越多,越快。
总线上的信息传送
图0812-1 串行并行示意图
单总线结构
单总线结构 所有I/O设备都挂载在同一个系统总线上
优点:简单,易于扩展
缺点:总线共用,易阻塞
面向CPU的双总线结构
以CPU为中心,I/O总线连接所有外部输入输出设备,M总线连接系统主存
优点:实践表明,CPU与主存之间通信最为频繁,所以在CPU与主存之间加一条单独总线尤为重要,提高系统的效率
缺点:结构较为复杂,当I/O设备需要与主存通信时,需要进过CPU转发,加大了CPU的负载
以主存为中心的双总线结构
在以CPU为中心的双总线结构之上,将主存连接在系统总线之上
2.总线分类
以位置区分
片内总线: 芯片内部的总线
系统总线: 计算机内各部件之间的信息传输线
数据总线:双向,与机器字长、存储字长有关
地址总线:单向,与存储地址、I/O地址有关
控制总线
通信总线: 计算机之间或计算机系统与其他系统之间通信
传输方式: 串行通信总线、并行通信总线
以功能区分
数据总线
用以传输数据
地址总线
用以传输数据地址
控制总线
用以传输控制信号
3.总线特性及性能指标
图0811-2 总线物理结构示意图
从物理角度来看,总线由许多导线直接印在电路板上,延伸到各个部件
机械特性
总线在机械连接方式上的一些性能,如插头与插座使用的标准,几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序,接头处的可靠接触等。
电气特性
总线每一根传输线上的信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号,送入CPU的型号称为输入信号。
通常,由主设备(如CPU)发出的信号称为输出信号(OUT),送入主设备的信号称为输入信号(IN)。
通常数据信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0
控制信号则没有俗成的约定,如WE表示低电平有效、Ready表示高电平有效。
不同总线高电平、低电平的电平范围也无统一的规定,大多数总线的电平定义与TTL(TTL规定,+5V等价于逻辑"1",0V等价于逻辑"0")相符,例外情况,如RS-232C(串行总线接口标准)其电平特性规定低电平表示逻辑"1",并要求电平低于-3V;用高电平表示逻辑"0",还要求高电平需高于+3V,额定信号电平位-10V和+10V左右。
功能特性
传输线的功能:地址(地址码)/数据(数据)/控制(操作命令、状态)
地址总线-指出地址码
数据总线-传递数据
控制总线-发出控制信号
时间特性
信号的时序关系
时间特性又称为逻辑特性,指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效,通过这种信号有效的时序关系约定,确保了总线操作的正确进行。
总线宽度
数据线的根数,用bit(位)来表示
8位 - 8根
16位 - 16根
32位 - 32根
64位 - 64根
总线带宽:表示总线的数据传输速率,即单位时间内总线上传输数据的位数,用每秒传输信息的字节数来衡量,单位MBps(兆字节每秒)MHz × (W ÷ 8) = 1 MBps
时钟同步/异步
同步、不同步
总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线,与时钟不同步工作的总线称为异同步总线。
总线复用
地址线与数据线的公用,其目的是减少引脚数
信号线数
地址线/数据线和控制线的总和
总线控制方式
突发
自动
仲裁
逻辑
计数
其他指标
负载能力
总线的负载能力即驱动能力,是指当总线接上负载后,总线输入输出的逻辑电平是否能保持在正常的额定范围内
总线标准:系统与各模块、模块与模块之间的一个互联的标准界面
图0811-3 总线标准示意
图0811-4 总线标准
标准说明
图0811-3 串行通信系统
DTE(Data Terminal Equipment) 数据终端设备
DCE(Data Communication Equipment) 数据通信设备
Modem 调制解调器
单总线结构:是一种将CPU、主存、I/O设备(通过I/O接口)都挂在一组总线上,允许I/O设备间、I/O设备与CPU之间或者I/O设备与主存之间直接交换形式的总线结构。
这种结构简单便于扩充,但所有的传送都是通过这组共享总线,极易形成计算机的性能瓶颈,因为总线不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息,这必然会影响系统工作效率的提高。
为了根本解决数据传输速率、解决CPU、主存与I/O设备之间传输速率的不匹配,实现CPU与其他设备相对同步,不得不采用多总线结构。
双总线结构,将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来,形成主存总线与I/O总线分开的结构。
通道:指一个具有特殊功能的处理器,CPU将一部分功能下方给通道,使其对I/O设备具备统一管理的功能,完成内外部设备与主存储器之前的数据传送。
结构一
将速率不同的I/O设备进行分类,然后将他们连接在不同的通道上,那么计算机系统的工作效率将会更高,由此发展成多总线结构,需要注意的是,在三总线结构中,任意时刻只能使用一种线
DMA总线:由主存连接高速I/O接口的总线
结构二
在三总线的基础之上,增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。在高速总线上挂接了一些高速I/O设备
这种结构对高速设备而言,其自身的工作可很少依赖CPU,同时他们又比扩展总线上的设备更贴近CPU,可见对于高性能设备与CPU来说,各自的效率将获得更大的提高。
传统微型机总线结构
典型的双总线结构
VL-BUS局部总线结构
将高速设备挂载在局部总线VL-Bus上,再与系统总线相连。
局部总线就相当于在CPU与高速I/O设备之间架上了高速通道,使CPU与高性能外设得到充分发挥,满足图形界面软件的需求
PCI结构总线
PCI总线是通过PCI桥路(包括PCI控制器和PCI加速器)与CPU纵向相连接。
这种结构使CPU总线与CPI总线相互隔离,具有更高的灵活性,可以支持更多的高速运行设备,而且具有即插即用的特性
当PCI总线驱动能力不足时,可采用多层PCI结构
总线在同一时刻,只能由一对设备使用
数据线:用于数据传输
地址线:用于从设备地址查找
基本概念
目的
总线传输周期
通信方式