601 总线概述

总线概述

总线的基本概念

总线的定义

• 总线：一组能够为多个部件分时和共享的公共信息传送线路
• 目的：I/O 设备的种类和数量越来越多，设计总线来解决 I/O 设备与主机之间连接的灵活性、模块化和可扩展性，简化系统结构，便于系统升级。
• 优点：便于增减外设，减少信息传输线的条数，实现各部件之间的数据共享，结构清晰。
• 缺点：由于共享性，多个部件争用总线会降低信息传输的并行性；总线带宽有限，可能成为系统性能的瓶颈，从而限制了信息传输速度。

总线的特点

• 分时性：同一时刻只允许有一个部件向总线发送消息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送消息
• 共享性：指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可通过这组线路分时共享，多个部件可同时从总线上接收相同的信息

总线设备

• 按其对总线有无控制能力可分为主设备和从设备
  • 主设备：获得总线控制权的设备，通常是 CPU、DMA 控制器或某些 I/O 接口。
  • 从设备：被主设备访问的设备，它只能响应从主设备发来的各种总线命令，如存储器、I/O 接口（作为从设备时）。

总线特性

• 机械特性：尺寸，形状，引脚数目和排列方式，连接器的规格。
• 电气特性：传输方向和有效电平范围，信号线的驱动能力和负载能力，传输线的阻抗匹配。
• 功能特性：每根传输线的功能（如数据线、地址线、控制线），以及信号的含义（如读/写、中断请求、总线请求）。
• 时间特性：信号和时序的关系，规定了总线上各种操作（如数据传输、总线仲裁）的开始、持续和结束时间，以及信号之间的时序配合。

总线的分类

按功能

• 片内总线：
  • 芯片内部的总线
  • 是 CPU 芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与 ALU 之间的公共连接线
• 系统总线：
  • 计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O 接口）之间相互连接的总线
  • 按系统总线传输内容的不同又可分为 3 类
    • 数据总线：
      • 传输各功能部件之间的数据信息
      • 是双向传输线
      • 位数反映一次能传送的数据的位数【与机器字长、存储字长有关】
    • 地址总线：
      • 指出主存和 I/O 设备接口电路的地址
      • 是单向传输线
      • 位数反映最大的寻址空间【与主存地址空间大小及设备数量有关】
    • 控制总线：
      • 一根控制线传输一个信号
      • 有出：CPU 送出的控制命令
      • 有入：主存（或外设）返回 CPU 的控制信号
• I/O 总线：
  • 主要用于连接中低速的 I/O 设备
  • 通过 I/O 接口与系统总线相连接
  • 目的是将低速设备和高速总线分离，以提升总线的系统性能
  • 常见的有 USB、PCI 总线
• 通信总线：
  • 计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信服务、测试设备）之间传送信息的总线
  • 也称外部总线

按时序控制方式

• 同步总线：总线上连接的部件或设备通过统一的时钟进行同步
• 异步总线：以信号握手的方式来协调各部件或设备之间的信息传输，总线操作时序不是固定的

按数据传输方式

• 串行传输：只有一条双向传输或两条单向传输的数据线，数据按比特位串行顺序传输
  • 优点：
    • 成本低廉，广泛应用于长距离传输
    • 应用于计算机内部时，可以节省布线空间
    • 可通过不断提高工作频率来提高传输速度，使其速度最终超越并行总线
  • 缺点：
    • 在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行 - 并行转换的问题
• 并行传输：有多条双向传输的数据线，可以实现多比特位的同时传输
  • 优点：
    • 总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易
  • 缺点：
    • 信号线数量多，占用更多的布线空间
    • 数据线之间相互干扰会造成传输错误，因此适合近距离传输
• 总线复用方式：不同信号在同一条信号线上分时传输

系统总线的结构

单总线结构

• 结构：CPU、主存、I/O 设备（通过 I/O 接口）都连接在一组系统总线上，允许 I/O 设备之间、I/O 设备和 CPU 之间或 I/O 设备与主存之间直接交换信息。所有信息传输都通过这一条总线。
• 优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备。
• 缺点：带宽低，负载重，多个部件只能征用唯一的总线，且不支持并发传送操作，限制了系统整体性能。

双总线结构

• 结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于 CPU、主存和通道之间进行数据传送；另一条是 I/O 总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。引用通道统一管理 IO 设备，通道是一种独立于 CPU 的 I/O 控制器，负责执行 I/O 指令，管理 I/O 操作，减轻 CPU 的 I/O 负担。
• 优点：将较低速的 I/O 设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和 I/O 总线分离，允许 CPU 与主存通信的同时，通道与 I/O 设备进行数据传输，提高了系统的并行度。 - 支持突发传送：送出一个地址，收到多个连续的数据。
• 缺点：需要增加通道等硬件设备，系统成本有所增加；I/O 设备的传输仍需经过通道。

三总线结构

• 结构：三总线结构是在计算机系统各部件之间采用 3 条各自独立的总线来构成信息通路，这 3 条总线分别为主存总线、I/O 总线和直接内存访问 DMA 总线。
  • 主存总线：连接 CPU、主存和高速缓存（Cache）。
  • I/O 总线：连接 CPU、I/O 接口（控制低速 I/O 设备）。
  • DMA 总线：连接高速 I/O 设备和主存，允许高速 I/O 设备直接与主存进行数据交换，无需 CPU 干预。
• 优点：显著提高了 I/O 设备的性能，使其更快地响应命令，通过允许并发的主存访问、低速 I/O 操作和高速 DMA 传输，大幅提高系统吞吐量。
• 缺点：结构复杂，成本较高；总线仲裁和控制逻辑更为复杂。

四总线介绍

现代计算机系统通常采用分层总线结构（Hierarchical Bus Architecture），而非严格的“四条”独立总线。这种设计旨在解决 CPU 与各类 I/O 设备之间巨大的速度差异，通过不同速度的总线层次，实现高效的数据传输和系统扩展。典型的分层总线结构包括：

• CPU 总线（处理器总线）: 直接连接 CPU 与高速缓存、内存控制器，速度最快。
• 系统总线（或高速总线）: 连接 CPU、主存储器以及高速 I/O 设备（如显卡、网络适配器等），通过桥接器与 CPU 总线相连。
• I/O 总线（或扩展总线）: 连接各类中低速 I/O 设备（如硬盘、USB 设备、声卡等），通过桥接器与系统总线相连。

1. 桥接器 (Bridge)

   • 定义与功能: 桥接器是一种连接不同总线段的硬件设备，它能够实现不同总线之间的数据传输、协议转换和总线隔离。
   • 主要作用:
     • 总线隔离: 将不同总线上的数据流量隔离开来，避免低速总线上的活动影响高速总线，从而减少总线负载，提高各总线的并发工作能力。
     • 协议转换: 转换不同总线之间的信号、时序、数据格式和控制协议，使连接在不同总线上的设备能够相互通信。
     • 扩展能力: 允许连接更多设备，突破单一总线的连接数量限制，提高系统可扩展性。
     • 速度匹配: 协同不同速度的总线进行数据交换，例如在高速 CPU 总线和相对低速的 I/O 总线之间建立连接。
   • 应用示例: 在早期的计算机体系结构中，北桥芯片通常作为连接 CPU 总线、内存总线和高速 PCIe 总线（或 AGP 总线）的桥接器；南桥芯片则作为连接高速总线（如 PCI）与低速 I/O 总线（如 USB、SATA、ISA）的桥接器。

2. 越靠近 CPU，速度越快

   • 核心思想: 这是分层总线结构设计的根本原则，旨在匹配 CPU 的高速处理能力与外部设备多样化的速度需求。
   • 具体体现:
     • CPU 内部总线: 速度最快，用于 CPU 内部各功能部件（如 ALU、寄存器组、控制器）之间的数据传输。
     • CPU 总线（或前端总线 FSB）: 直接与 CPU 相连，用于 CPU 与高速缓存、内存控制器之间的数据交换，速度极高。
     • 系统总线（或高速 I/O 总线，如 PCIe）: 连接主存储器和高速外设，速度次之，需通过桥接器与 CPU 总线连接。
     • I/O 总线（或扩展总线，如 USB、SATA、PCI）: 连接各类中低速外设，速度相对较慢，通过桥接器与系统总线连接。
   • 设计目的: 通过这种分层和速度匹配，有效缓解 CPU 与 I/O 设备之间的“速度瓶颈”问题，确保 CPU 能够持续高效地工作，同时兼顾低速设备的连接需求，提高系统整体性能。

3. 每级总线都需要遵循总线标准

   • 重要性: 总线标准是确保计算机系统内外部设备能够正确互联和通信的基

总线的性能指标

• 总线传输周期【总线周期】：
  • 一次总线操作所需的时间，由若干总线时钟周期构成
  • 包括申请阶段（主设备请求总线使用权）、寻址阶段（主设备指定从设备和地址）、传输阶段（数据在主设备和从设备之间传输）和结束阶段（总线释放）
• 总线时钟周期：
  • 机器的时钟周期，是 CPU 或其他设备进行一次基本操作的时间单位
  • 计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制
  • 其频率通常由 CPU 提供，在现代计算机中，也可能由**桥接器（如北桥或南桥）**提供。
• 总线工作频率：
  • 总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数
  • $\text{工作频率}=\frac{1}{总线周期}$
  • 若总线周期 = N 个时钟周期，则总线的 $\text{工作频率}=\frac{\text{时钟频率}}{N}$
  • 实际上指一秒内总线能够完成的总线操作次数（例如一秒内传送几次数据）
• 总线时钟频率：
  • 机器的时钟频率，为时钟周期的倒数
  • $\text{时钟频率}=\frac{1}{\text{时钟周期}}$
  • 实际上指一秒内有多少个时钟周期
• 总线宽度【总线位宽】：
  • 总线上同时能传输的数据位数
  • 通常指数据总线的根数，如 32 根称为 32 位（bit）总线
• 总线带宽：
  • 总线的最大数据传输率，即单位时间内总线上最多可传输数据的位数
  • 计算公式：
    • $\text{总线带宽}=\text{总线工作频率}\times \text{总线宽度}$ (单位：bit/s)
    • 或 $\text{总线带宽}=\text{总线工作频率}\times (\text{总线宽度}/8)$ (单位：B/s)
    • 等效地：$\text{总线带宽}=\frac{\text{总线宽度}}{\text{总线周期}}（\text{bit/s}）=\frac{\text{总线宽度}/8}{\text{总线周期}}（\text{B/s}）$
  • 在计算实际的有效数据传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时，这通常低于理论最大带宽，尤其是在非猝发（Burst）模式下。
• 总线复用：
  • 一种信号线在不同的时间传输不同的信息（例如，地址线和数据线分时复用）
  • 可以使用较少的线传输更多的信息，从而节约空间和成本，但会增加控制的复杂性和数据传输的延时。
• 信号线数：
  • 指地址总线、数据总线和控制总线这三类总线中所有信号线的总和。
  • 例如，若数据总线有 32 根线，地址总线有 32 根线，控制总线有若干根线，则信号线数为三者之和。

常见的总线标准

TIP

已从考纲移除，仅学习

• 总线标准是国际上公布的互连各个模块的标准，是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范
• PCI，EISA，ISA 是并行总线
• USB，PCI-Express 是串行总线
• 高速设备通常采用局部总线连接，可以节省系统的总带宽，提高系统性能

1. ISA：
   • 工业标准体系结构（Industry Standard Architecture）
   • 非局部总线，属于系统总线
   • 最早出现的微型计算机的系统总线，应用在 IBM 的 AT 机上
   • 特点：16 位数据宽度，速度较低，已基本被淘汰
2. EISA：扩展的 ISA（Extended Industry Standard Architecture）
   • 特点：32 位数据宽度，向下兼容 ISA，但性能提升有限
3. VESA：视频电子标准协会（Video Electronics Standards Association）
   • 特指 VESA 局部总线（VL-Bus），专为图形加速卡设计，直接连接到 CPU 总线，速度较快
4. PCI：
   • 外部设备互连（Peripheral Component Interconnect）
   • 一种高性能的局部总线，取代了 ISA 和 EISA
   • 支持即插即用（Plug and Play），支持突发传送
   • 特点：32 位或 64 位数据宽度，与处理器独立，广泛应用于 PC 和服务器
5. AGP：加速图形接口（Accelerated Graphics Port）
   • 一种专用的视频接口标准，基于 PCI 总线，但为图形卡提供了更快的点对点连接，提高显卡数据传输效率
6. PCI-E：PCI Express
   • 最新的总线接口标准，采用串行点对点连接，通过“通道”（lane）实现更高的带宽，具有可伸缩性（如 x1, x4, x8, x16）
   • 它将全面取代线性的并行 PCI 和 AGP 总线，成为主流的系统扩展总线
7. RS-232C：
   • 由美国电子工业协会（EIA）推荐的一种串行通信总线标准
   • 适用于串行二进制交换的数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的标准接口
   • 特点：传输距离短，速度慢，主要用于早期计算机与外设的连接
8. USB：
   • 通用串行总线（Universal Serial Bus）
   • 特点：即插即用，热插拔，有很强的连接能力和可扩展性（通过 Hub 连接多个设备）；高速传输（不同版本有不同速度，如 USB 2.0, USB 3.x, USB 4）
   • 广泛应用于连接各种外部设备，如鼠标、键盘、打印机、U 盘等
9. PCMCIA：
   • 个人电脑存储卡国际协会（Personal Computer Memory Card International Association）
   • 广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准，通常指 PC Card 插槽
   • 是一个用于扩展功能的小型插槽，支持即插即用
   • 可用于扩展内存卡、调制解调器、网卡等功能，后续发展为 CardBus 和 ExpressCard
10. IDE：
    • 集成设备电路（Integrated Drive Electronics）
    • 更准确地称为 ATA（Advanced Technology Attachment），通常指并行 ATA (PATA)
    • 硬盘和光驱通过 IDE 接口与主板连接，将控制器集成到驱动器本身
    • 特点：采用并行数据传输，线缆较粗，限制了传输速度和连接设备的数量
11. SCSI：
    • 小型计算机系统接口（Small Computer System Interface）
    • 是一种用于计算机和智能设备之间（如硬盘、磁带机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准
    • 特点：支持多设备连接（链式连接），数据传输率高，智能性强，主要用于服务器和高端工作站
12. SATA：
    • 串行高级技术附件（Serial Advanced Technology Attachment）
    • 是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，是 PATA（IDE）的后续替代标准
    • 特点：采用串行数据传输，传输速度更快，线缆更细，支持热插拔，更适合现代硬盘和固态硬盘连接