计算机组成原理---第 六 章总线系统
一、总线的概念和结构形态
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总线的基本概念
⑴概述
总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。
⑵ 分类
总线的分类方式有很多：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。
如以用途分类：一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：
①CPU 内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线；
②CPU 同存储器、通道等计算机系统的其他高速功能部件互相连接的总线，称为系统总线；
③中、低速 I/O 设备之间互相连接的总线，称为 I/O 总线。
⑶ 特性
①物理特性
②功能特性
③电气特性
④时间特性
⑷ 性能指标
衡量总线性能的重要指标是总线带宽，即总线本身所能达到的最高传输速率，单位是兆字节每秒（MB/s）。设总线的总线周期为 T，其在一个总线周期中共传输 D 个字节，则总线带宽为 D/T。
⑸ 
2. 总线的连接方式
外围设备通过适配器与计算机连接，从而实现高速 CPU 与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制，适配器通常简称为接口。
⑴ 单总线结构
在许多单处理器的计算机中，使用单一的系统总线来连接 CPU、主存和 I/O 设备，称为单总线结构，如图8.22 所示。
单总线结构有以下特点：
①连接到总线上的逻辑部件必须高速，从而避免不必要的时间延迟；
②当 CPU 读取指令时会将程序计数器中的地址同控制信息送至总线，而只有地址与总线传输的地址相对应的设备才会执行数据传送操作；
③在单总线系统中，对输入/输出设备的操作，完全与对主存的操作方法一样；
④在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址；（访问存储器和访问外设指令相同，由地址来区分）
⑤单总线结构容易扩展成多 CPU 系统。
⑥总线简单，使用灵活、易于扩展
⑦任意两设备之间理论上都可以直接交换信息。
⑧所有设备分时工作，仅适用于低速的计算机系统中。
⑵多总线结构
由于单总线系统的信息传送效率和吞吐量都受到极大限制，因此产生了多总线结构，如图 所示。
多总线结构有如下几个特点：
①CPU 和 cache 之间采用高速的 CPU 总线，主存连在系统总线上，通过桥，CPU 总线、系统总线和高速总线彼此相连；
②高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线可以连接串行工作方式的 I/O 设备；
③多总线结构中，高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，提高了总线的效率和吞吐量。
④存储总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性；
⑤由于外设和内存处于不同的总线，需要增加I/O指令。
3. 总线的内部结构
⑴ 早期总线的内部结构
早期总线的内部结构如图 6-3 所示。
其中地址线是单向的，而数据线和控制线是双向的，早期总线的不足有两个地方：
①CPU 是唯一主控者，从而无法满足多 CPU 的环境要求；
②由于总线信号是 CPU 引脚信号的延伸，故总线结构与 CPU 紧密相关，通用性较差。
⑵当代总线的内部结构
当代流行的总线内部结构如图 6-4 所示。
其中总线分为四个部分：
图 6-4 当代总线的内部结构
其中总线分为四个部分：
①数据传送总线：主要由地址线、数据线、控制线组成，一般是 32 位或 64 位；
②仲裁总线：主要包括总线请求线以及总线授权线；
③中断与同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线；
④公用线：主要包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。当代总线的结构是标准总线，并且满足包括多个 CPU 在内的主控者环境需求。
二、总线接口
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信息传送方式
计算机系统中，传输信息可采用串行传送、并行传送和分时传送三种方式，但是出于速度和效率上的考虑， 系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。
⑴ 串行传送
串行传送只有一条传输线，且通过脉冲传送，因此特别适合长距离传输，但是传输效率低。
⑵ 并行传送
并行传送，对每个数据位都需要单独一条传输线。并行传送一般采用电位传送，由于所有的位同时被传送， 所以并行数据传送比串行数据传送快得多。
⑶ 分时传送
①采用总线复用方式，即传送地址和传送数据在不同的时间片内完成；
②共享总线的部件分时使用总线。
2.总线接口的基本概念
⑴ 概述
I/O 功能模块通常简称为 I/O 接口，也叫适配器。广义地讲，I/O 接口是指 CPU、主存和外围设备之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件。
⑵ 外围设备
CPU、I/O 接口和外围设备之间的连接关系如图 6-5 所示。
⑶I/O 接口
一个标准 I/O 接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。I/O 接口模块的一般结构框图如图 6-6 所示。
三、总线的仲裁
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概述
为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。主方持续控制总线的时间称为总线占用期，按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。
2.集中式仲裁
集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到总线控制器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线 BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG。
⑴链式查询方式
为减少总线授权线数量，采用菊花链查询方式，其中 A 表示地址线，D 表示数据线。BS 线为 1 表示总线正被某外设使用，如图 6-7 所示。
①工作过程
链式查询中，总线授权信号 BG 串行地从一个 I/O 接口传送到下一个 I/O 接口。假如 BG 到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如 BG 到达的接口有总线请求，BG 信号便不再往下查询，这意味着该 I/O 接口就获得了总线控制权。由此可见，离总线仲裁器越远，优先级越低。
②优缺点
优点：结构简单，只需较少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁；
缺点：对电路故障很敏感，并且高优先级的设备频繁请求时，低优先级的设备可能长期不能使用总线。
⑵计数器定时查询方式
计数器定时查询方式原理如图 6-8 所示。
其工作过程为：
总线上的任一设备要求使用总线时，通过 BR 线发出总线请求。总线仲裁器接到请求信号以后，在 BS 线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备将 BS 线置“1”，获得了总线使用权，此时中止计数查询。
当释放总线后，有两种方法：
①重新开始从 0 开始计数，这样和链式查询法相同，离总线仲裁器越近，优先级越高；
②从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。
⑶独立请求方式
独立请求方式原理如图 6-9 所示。
①工作过程
在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 BR 和总线授权线 BG。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号 BG。
②优缺点
独立请求方式的优点是响应时间快，并且控制优先级也相当灵活，但是电路结构复杂，所需线路多。
3.分布式仲裁
分布式仲裁每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器，不需要集中的总线仲裁器。当有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号，最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。
分布式仲裁器的逻辑结构示意图如图 6-10 所示。
四、总线的定时和数据传送模式
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总线的定时
总线的一次信息传送过程，大致可分为五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）。
⑴ 同步定时
在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。一次 I/O 传送被称为时钟周期或总线周期，如图 6-11 所示为读写数据的同步时序。
①工作过程
以读周期为例，CPU 首先将存储器地址放到地址线上，并发出地址允许信号，在第二个时钟周期发出一个读命令，再经过一个周期的存取时间，将数据和认可信息放到总线上，被 CPU 读取。
②优缺点
优点：同步定时具有较高的传输频率；同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。缺点：同步总线必须按最慢的模块来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会大大损失总线效率。
⑵ 异步定时
在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制的基础上。这种系统不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度是可变的。
①读周期的过程。
系统总线读周期时序图如图 6-12 所示。
CPU 将地址信号和读状态信号发送到总线上，待这些信号稳定后，它发出读命令，指示有效地址和控制信号的出现。存储器模块进行地址译码并将数据放到数据线上。一旦数据线上的信号稳定，存储器模块使确认线有效，通知 CPU 数据可用。CPU 从数据线上读取数据后，立即撤销读状态信号，从而引起存储器模块撤销数据和确认信号。最后，确认信号的撤销又使 CPU 撤销地址信息。
②写周期的过程
系统总线写周期时序图如图 6-13 所示。
2.总线数据传送模式
当代的总线标准大都能支持的数据传送模式如图 6-14 所示。
五、HOST 总线和 PCI 总线
典型的多总线结构框图如图 6-15 所示。
整个系统有如下三种不同的总线：
⑴HOST 总线
HOST 总线不仅连接主存，还可以连接多个 CPU。HOST 总线是连接“北桥”芯片与 CPU 之间的信息通路， 它是一个 64 位数据线和 32 位地址线的同步总线。
⑵PCI 总线
PCI 总线连接各种高速的 PCI 设备，是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI 设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。在 PCI 设备中不存在 DMA（直接存储器访问）的概念，这是因为 PCI 总线支持无限的猝发式传送。系统中允许有多条 PCI 总线，它们可以使用 HOST 桥与 HOST 总线相连，也可使用 PCI/PCI 桥与已和HOST 总线相连的 PCI 总线相连，从而得以扩充整个系统的 PCI 总线负载能力。
PCI 总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。同时 PCI 总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多条总线并行工作。PCI 适合于低成本的小系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。
⑶LAGACY 总线
该总线可以是 ISA，EISA，MCA 等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速 I/O 设备。
