文章目錄

• • • 1 總線的概念與分類
    • • 1.1總線的定義
      • 1.2 總線的特點
      • 1.3 總線的特性
      • 1.4 總線的分類
      • • 1.4.1 串行總線與并行總線
        • 1.4.2 按總線功能分類
      • 1.5 系統總線的結構
      • 1.6 總線概念與分類小結
    • 2 總線的性能指標
    • • 2.1 性能指標分析
      • 2.2 總線性能指標小結
    • 3 總線仲裁
    • • 3.1 總線仲裁的基本概念
      • 3.2 集中仲裁方式
      • • 3.2.1 鏈式查詢方式
        • 3.2.2 計數器查詢方式
        • 3.2.3 獨立請求方式
      • 3.3 集中仲裁方式小結
      • 3.4 分布式仲裁
    • 4 總線操作和定時
    • • 4.1 總線傳輸的四個階段
      • 4.2 同步定時方式
      • 4.3 異步定時方式
      • 4.4 半同步通信
      • 4.5 分離式通信
    • 5 總線標準
    • • 5.1 總線標準的基本概念
      • 5.2 總線標準
      • • 5.2.1 系統總線標準
        • 5.2.2 局部總線標準
        • 5.2.3 設備總線標準

總線框架：

1 總線的概念與分類

1.1總線的定義

總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。

為什么要用總線？

早期計算機外部設備少時大多采用分散連接方式，不易實現隨時增減外部設備。
為了更好地解決I/O設備和主機之間連接的靈活性問題，計算機的結構從分散連接發展為總線連接。

1.2 總線的特點

• 共享是指總線上可以掛接多個部件，各個部件之間互相交換的信息都可以通過這組線路分時共享。
• 分時是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，如果系統中有多個部件，則它們只能分時地向總線發送信息。

1.3 總線的特性

機械特性：尺寸、形狀、管腳數、排列順序

電氣特性：傳輸方向和有效的電平范圍

功能特性：每根傳輸線的功能（地址、數據、控制）

時間特性：信號的時序關系

1.4 總線的分類

1.4.1 串行總線與并行總線

• 設備A一位一位的發，經過總線，設備B一位一位的接收
• 優點：只需要一條傳輸線，成本低廉，廣泛應用于長距離傳輸；應用于計算機內部時，可以節省布線空間。
• 缺點：在數據發送和接收的時候要進行拆卸和裝配，要考慮串行-并行轉換的問題。

• 數據同時放到總線，同時向B傳輸，B同時接收
• 優點：總線的邏輯時序比較簡單，電路實現起來比較容易。
• 缺點：信號線數量多，占用更多的布線空間；遠距離依輸成本高昂；由于工作頻率較高時，并行的信號線之間會產生嚴重干擾，對每條線等長的要求也越高，所以無法持續提升工作頻率。

1.4.2 按總線功能分類

片內總線

• 片內總線是芯片內部的總線。
• 它是CPU芯片內部寄存器與寄存器之間、寄存器與ALU之間的公共連接線。

系統總線
系統總線是計算機系統內各功能部件（CPU、主存、l/O接口）之間相互連接的總線。
按系統總線傳輸信息內容的不同，又可分為3類：數據總線、地址總線和控制總線。

數據總線用來傳輸各功能部件之間的數據信息，它是雙向傳輸總線，其位數與機器字長、存儲字長有關。

數據通路表示的是數據流經的路徑
數據總線是承載的媒介

地址總線用來指出數據總線上的源數據或目的數據所在的主存單元或I/O端口的地址，它是單向傳輸總線，地址總線的位數與主存地址空間的大小有關。

控制總線傳輸的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外設）返回CPU的反饋信。

通信總線

通信總線是用于計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如遠程通信設備、測試設備）之間信息傳送的總線，通信總線也稱為外部總線。

1.5 系統總線的結構

單總線結構

• 結構：CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都連接在一組總線上，允許I/O設備之間、I/O設備和CPU之間或I/O設備與主存之間直接交換信息。

注：單總線并不是指只有一根信號線，系統總線按傳送信息的不同可以細分為地址總線、數據總線和控制總線。

• 優點：結構簡單，成本低，易于接入新的設備。
• 缺點：帶寬低、負載重，多個部件只能爭用唯一的總線，且不支持并發傳送操作。

雙總線結構

• 主存總線：支持突發（猝發）傳送：送出一個地址，收到多個地址連續的數據。
• 通道是具有特殊功能的處理器，能對I/O設備進行統一管理。通道程序放在主存中。

• 結構：雙總線結構有兩條總線，一條是主存總線 ，用于CPU、主存和通道之間進行數據傳送；另一條是I/O總線 ，用于多個外部設備與通道之間進行數據傳送。
• 優點：將較低速的I/O設備從單總線上分離出來，實現存儲器總線和I/O總線分離。
• 缺點：需要增加通道等硬件設備。

三總線結構

• 結構：三總線結構是在計算機系統各部件之間采用3條各自獨立的總線來構成信息通路，這3條總線分別為主存總線、I/O總線 和直接內存訪問DMA總線。
• 優點：提高了I/O設備的性能，使其更快地響應命令，提高系統吞吐量。
• 缺點：系統工作效率較低。

四總線結構簡介

• 1.橋接器：用于連接不同的總線，具有數據緩沖、轉換和控制功能。
• 2.靠近CPU的總線速度較快。
• 3.每級總線的設計遵循總線標準。

1.6 總線概念與分類小結

2 總線的性能指標

總線的性能指標

（1）總線的傳輸周期（總線周期）
（2）總線時鐘周期
（3）總線的工作頻率
（4）總線的時鐘頻率
（5）總線寬度
（6）總線帶寬
（7）總線復用
（8）信號線數

2.1 性能指標分析

總線的傳輸周期（總線周期）

總線的工作通過時鐘控制

一次總線操作所需的時間（包括申請階段、尋址階段、傳輸階段和結束階段對應T1~T4），通常由若干個總線時鐘周期構成。

總線時鐘周期

即機器的時鐘周期。計算機有一個統一的時鐘，以控制整個計算機的各個部件，總線也要受此時鐘的控制。

總線的工作頻率

總線上各種操作的頻率，為總線周期的倒數。
若總線周期=N個時鐘周期，則總線的工作頻率=時鐘頻率/N。
實際上指一秒內傳送幾次數據。

總線的時鐘頻率

即機器的時鐘頻率，為時鐘周期的倒數。若時鐘周期為T，則時鐘頻率為1/T。
實際上指一秒內有多少個時鐘周期。

總線寬度

又稱為總線位寬，它是總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常是指數據總線的根數，如32根稱為32位（bit）總線。

總線帶寬

可理解為總線的數據傳輸率，即單位時間內總線上可傳輸數據的位數，通常用每秒鐘傳送信息的字節數來衡量，單位可用字節/秒（B/s）表示。

總線帶寬=總線工作頻率×總線寬度（bit/s）=總線工作頻率×（總線寬度/8）（B/s）

注：總線帶寬是指總線本身所能達到的最高傳輸速率。
在計算實際的有效數據傳輸率時，要用實際傳輸的數據量除以耗時。

例題：某同步總線采用數據線和地址線復用方式，其中地址/數據線有32根，總線時鐘頻率為66MHz，每個時鐘周期傳送兩次數據（上升沿和下降沿各傳送一次數據）。

該總線的最大數據傳輸率（總線帶寬）是多少？

若該總線支持突發（猝發）傳輸方式，傳輸一個地址占用一個時鐘周期，則一次“主存寫”總線事務傳輸128位數據所需要的時間至少是多少？

解答：

每個時鐘周期傳送兩次數據→總線工作頻率是時鐘頻率的兩倍
總線工作頻率=2×66MHz=132MHz
總線寬度=32bit=4B
總線帶寬=總線工作頻率×總線寬度=132×4MB/s=528MB/s

突發（猝發）傳輸方式：一次總線事務中，主設備只需給出一個首地址，從設備就能從首地址開始的若干連續單元讀出或寫入多個數據。
發送首地址占用1個時鐘周期，128位數據需傳輸4次，占用2個時鐘周期
一個時鐘周期=1/66MHz=15ns
總耗時=（1+2）×15ns=45ns

由總線帶寬=總線工作頻率×總線寬度（bit/s）可知：

工作頻率相同時，串行總線傳輸速度比并行總線慢。

并行總線的工作頻率無法持續提高，而串行總線可以通過不斷提高工作頻率來提高傳輸速度，最終超過并行總線。

總線復用

總線復用是指一種信號線在不同的時間傳輸不同的息。
可以使用較少的線傳輸更多的信息，從而節省了空間和成本。

AD₀ ~AD₁₅ 數據線和地址線復用，不同時刻傳遞不同類型數據

信號線數

地址總線、數據總線和控制總線3種總線數的總和稱為信號線數。

2.2 總線性能指標小結

總線的傳輸周期（總線周期）

一次總線操作所需的時間（包括申請階段、尋址階段、傳輸階段和結束階段），通常由若干個總線時鐘周期構成。

總線時鐘周期

即機器的時鐘周期。計算機有一個統一的時鐘，以控制整個計算機的各個部件，總線也要受此時鐘的控制。

總線的工作頻率

總線上各種操作的頻率，為總線周期的倒數。實際上指一秒內傳送幾次數據。

總線的時鐘頻率

即機器的時鐘頻率，為時鐘周期的倒數。實際上指一秒內有多少個時鐘周期。

總線寬度

又稱為總線位寬，它是總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常是指數據總線的根數，如32根稱為32位（bit）總線。

總線帶寬

可理解為總線的數據傳輸率，即單位時間內總線上可傳輸數據的位數，通常用每秒鐘傳送信息的字節數來衡量，單位可用字節/秒（B/s）表示。
總線帶寬=總線工作頻率×總線寬度（bit/s）=總線工作頻率×（總線寬度/8）（B/s）

總線復用

總線復用是指一種信號線在不同的時間傳輸不同的信息?？梢允褂幂^少的線傳輸更多的信息，從而節省了空間和成本。

信號線數

地址總線、數據總線和控制總線3種總線數的總和稱為信號線數。

3 總線仲裁

3.1 總線仲裁的基本概念

同一時刻只能有一個設備控制總線傳輸操作，可以有一個或多個設備從總線接收數據。

將總線上所連接的各類設備按其對總線有無控制功能分為：

• 主設備：獲得總線控制權的設備。
• 從設備：被主設備訪問的設備，只能響應從主設備發來的各種總線命令。

為什么要仲裁？

總線作為一種共享設備，不可避免地會出現同一時刻有多個主設備競爭總線控制權的問題。

總線仲裁的定義：

多個主設備同時競爭主線控制權時，以某種方式選擇一個主設備優先獲得總線控制權稱為總線仲裁。

總線仲裁分類：

• 集中仲裁方式：鏈式查詢方式、計數器定時查詢方式、獨立請求方式
• 分布仲裁方式：自舉分布、沖突檢測、并行競爭

3.2 集中仲裁方式

工作流程：

主設備發出請求信號；

若多個主設備同時要使用總線，則由總線控制器的判優、仲裁邏輯按一定的優先等級順序確定哪個主設備能使用總線；

獲得總線使用權的主設備開始傳送數據。

3.2.1 鏈式查詢方式

設備1和設備n同時申請總線，先把總線分配給設備1，待設備1完成后再分配給設備n

“總線忙”信號的建立者是獲得總線控制權的設備

優先級：

離總線控制器越近的部件，其優先級越高；
離總線控制器越遠的部件，其優先級越低。

優點：

鏈式查詢方式優先級固定。
只需很少幾根控制線就能按一定優先次序實現總線控制，結構簡單，擴充容易。

缺點：

對硬件電路的故障敏感，并且優先級不能改變。
當優先級高的部件頻繁請求使用總線時，會使優先級較低的部件長期不能使用總線。

3.2.2 計數器查詢方式

結構特點：用一個計數器控制總線使用權，相對鏈式查詢方式多了一組設備地址線，少了一根總線響應線BG；它仍共用一根總線請求線BR。

工作方式：

• 當總線控制器收到總線請求信號，判斷總線空閑時，計數器開始計數，計數值通過設備地址線發向各個部件。
• 當地址線上的計數值與請求使用總線設備的地址一致時，該設備獲得總線控制權。同時，中止計數器的計數及查詢。

優點：

計數初始值可以改變優先次序

計數每次從“0”開始，設備的優先級就按順序排列，固定不變；
計數從上一次的終點開始，此時設備使用總線的優先級相等；
計數器的初值還可以由程序設置

對電路的故障沒有鏈式敏感

缺點：

增加了控制線數

若設備有n個，則需 log2_n+2條控制線

控制相對比鏈式查詢相對復雜

3.2.3 獨立請求方式

結構特點：每一個設備均有一對總線請求線BRi和總線允許線BGi。
當總線控制器按一定的優先次序決定批準某個部件的請求時，則給該部件發送總線響應信號。

優點：

響應速度快，總線允許信號BG直接從控制器發送到有關設備，不必在設備間傳遞或者查詢。

對優先次序的控制相當靈活。

缺點：

控制線數量多

若設備有n個，則需要2n+1條控制線。其中+1為BS線，其用處為，用于設備向總線控制部件反饋已經使用完畢總線。

總線的控制邏輯更加復雜。

3.3 集中仲裁方式小結

注：“總線忙”信號的建立者是獲得總線控制權的設備，不是總線控制器！

3.4 分布式仲裁

特點：不需要中央仲裁器，每個潛在的主模塊都有自己的仲裁器和仲裁號，多個仲裁器競爭使用總線。

（1）當設備有總線請求時，它們就把各自唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線上；
（2）每個仲裁器將從仲裁總線上得到的仲裁號與自己的仲裁號進行比較；
（3）如果仲裁總線上的號優先級高，則它的總線請求不予響應，并撤銷它的仲裁號；
（4）最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。

4 總線操作和定時

4.1 總線傳輸的四個階段

總線周期的四個階段

申請分配階段：由需要使用總線的主模塊（或主設備）提出申請，經總線仲裁機構決定將下一傳輸周期的總線使用權授予某一申請者。也可將此階段細分為傳輸請求和總線仲裁兩個階段。

尋址階段：獲得使用權的主模塊通過總線發出本次要訪問的從模塊的地址及有關命令，啟動參與本次傳輸的從模塊。

傳輸階段：主模塊和從模塊進行數據交換，可單向或雙向進行數據傳送。

結束階段：主模塊的有關信息均從系統總線上撤除，讓出總線使用權。

總線定時是指總線在雙方交換數據的過程中需要時間上配合關系的控制，這種控制稱為總線定時，它的實質是一種協議或規則

同步通信（同步定時方式）由統一時鐘控制數據傳送

異步通信（異步定時方式） 采用應答方式，沒有公共時鐘標準

半同步通信 同步、異步結合

分離式通信 充分挖掘系統總線每瞬間的潛力

4.2 同步定時方式

系統采用一個統一的時鐘信號來協調發送和接收雙方的傳送定時關系。

一個讀命令執行過程：

CPU在T1時刻的上升沿給出地址信息

在T2的上升沿給出讀命令（低電平有效），與地址信息相符合的輸入設備按命令進行一系列的內部操作，且必須在T3的上升沿來之前將CPU所需的數據送到數據總線上。

CPU在T3時鐘周期內，將數據線上的信息傳送到其內部寄存器中。

CPU在T4的上升沿撤銷讀命令，輸入設備不再向數據總線上傳送數據，撤銷它對數據總線的驅動。

• 同步定時方式是指系統采用一個統一的時鐘信號來協調發送和接收雙方的傳送定時關系。
• 時鐘產生相等的時間間隔，每個間隔構成一個總線周期。
• 在一個總線周期中，發送方和接收方可進行一次數據傳送。
• 因為采用統一的時鐘，每個部件或設備發送或接收信息都在固定的總線傳送周期中，一個總線的傳送周期結束，下一個總線傳送周期開始。

優點：傳送速度快，具有較高的傳輸速率；總線控制邏輯簡單。
缺點：主從設備屬于強制性同步；不能及時進行數據通信的有效性檢驗，可靠性較差。

同步通信適用于總線長度較短及總線所接部件的存取時間比較接近的系統。

4.3 異步定時方式

• 在異步定時方式中，沒有統一的時鐘，也沒有固定的時間間隔，完全依靠傳送雙方相互制約的“握手”信號來實現定時控制。

• 主設備提出交換信息的“請求”信號，經接口傳送到從設備；
• 從設備接到主設備的請求后，通過接口向主設備發出“回答”信號。

根據“請求”和“回答”信號的撤銷是否互鎖，分為以下3種類型。

（1）不互鎖方式
（2）半互鎖方式
（3）全互鎖方式

不互鎖方式

• 主設備發出“請求”信號后，不必等到接到從設備的“回答”信號，而是經過一段時間，便撤銷“請求”信號。
• 而從設備在接到“請求”信號后，發出“回答”信號，并經過一段時間，自動撤銷“回答”信號。雙方不存在互鎖關系。
  

半互鎖方式

• 主設備發出“請求”信號后，必須待接到從設備的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號，有互鎖的關系。
• 而從設備在接到“請求”信號后，發出“回答”信號，但不必等待獲知主設備的“請求”信號已經撤銷，而是隔一段時間后自動撤銷“回答”信號，不存在互鎖關系。
  

全互鎖方式

• 主設備發出“請求”信號后，必須待從設備“回答”后，才撤銷“請求”信號；
• 從設備發出“回答”信號，必須待獲知主設備“請求”信號已撤銷后，再撤銷其“回答”信號。雙方存在互鎖關系。
  

不互鎖方式速度最快可靠性最差；全互鎖方式最可靠速度最慢

優點：總線周期長度可變，能保證兩個工作速度相差很大的部件或設備之間可靠地進行信息交換，自動適應時間的配合。
缺點：比同步控制方式稍復雜一些，速度比同步定時方式慢。

異步定時方式-數據傳輸率例題：

在異步串行傳輸方式下，起始位為1位，數據位為7位，偶校驗位為1位，停止位為1位，如果波特率為1200bit/s，求這時的有效數據傳輸率為多少？

補充：

波特率：單位時間內傳送的二進制數據的位數，單位用bps（位/秒）表示，記作波特
比特率：單位時間內傳送二進制有效數據的位數，單位用bps表示，bps即bit/s

有效數據傳輸率即比特率

解答：每傳送（1+1+7+1）=10個二進制位，就傳送了7個有效數據位
故有效數據傳輸率為1200×7/（1+7+1+1）=840bit/s

4.4 半同步通信

同步

發送方用系統時鐘前沿發信號
接收方用系統時鐘后沿判斷、識別

異步

允許不同速度的模塊和諧工作

半同步通信：同步通信和異步通信的結合

4.5 分離式通信

上述三種通信的共同點：

一個總線傳輸周期（以輸入數據為例）：

• 主模塊發地址、命令 使用總線
• 從模塊準備數據 不使用總線總線空閑
• 從模塊向主模塊發數據 使用總線

分離式通信的一個總線傳輸周期

• 子周期1：主模塊申請占用總線，使用完后放棄總線的使用權
• 子周期2：從模塊申請占用總線，將各種信息送至總線上

特點：

各模塊均有權申請占用總線

采用同步方式通信，不等對方回答

各模塊準備數據時，不占用總線

總線利用率提高

5 總線標準

5.1 總線標準的基本概念

• 總線標準是國際上公布或推薦的互連各個模塊的標準，它是把各種不同的模塊組成計算機系統時必須遵守的規范。
• 按總線標準設計的接口可視為通用接口，在接口的兩端，任何一方只需根據總線標準的要求完成自身方面的功能要求，而無須了解對方接口的要求。

• 系統總線標準：ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express等。
• 設備總線標準：IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA等。
• 局部總線標準：在ISA總線和CPU總線之間增加的一級總線或管理層，如PCI、PCI-E、VESA、AGP等，可以節省系統的總帶寬。

• 即插即用（Plug-and-Play）的作用是自動配置（低層）計算機中的板卡和其他設備，然后告訴對應的設備都做了什么。把物理設備和軟件（設備驅動程序）相配合，并操作設備，在每個設備和它的驅動程序之間建立通信信道。
• 熱插拔（hot-plugging或Hot Swap）即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關閉系統，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的硬盤、電源或板卡等部件，從而提高了系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性等，例如一些面向高端應用的磁盤鏡像系統都可以提供磁盤的熱插拔功能。

5.2 總線標準

5.2.1 系統總線標準

最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦采用的系統總線，它基于8bit的8088處理器，被稱為PC總線或者PC/XT總線。

1984年，IBM推出基于16-bit Intel80286處理器的PC/AT電腦，系統總線也相應地擴展為16bit，并被稱呼為PC/AT總線。而為了開發與IBMPC兼容的外圍設備，行業內便逐漸確立了以IBMPC總線規范為基礎的ISA（工業標準架構：Industry Standard Architecture）總線。

ISA總線最大傳輸速率僅為8MB/s，數據傳送需要CPU或DMA接口來管理，傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等，很快使ISA總線在飛速發展的計算機技術中成為瓶頸。不支持總線仲裁。

因此在1988年，康柏、惠普等9個廠商協同把ISA擴展到32-bit，這就是著名的EISA（Extended ISA，擴展ISA）總線。EISA總線的工作頻率仍舊僅有8MHz，并且與8/16bit的ISA總線完全兼容，帶寬提高了一倍，達到了32MB/s。從CPU中分離出了總線控制權，支持多個總線主控器和突發傳送?？上У氖?#xff0c;EISA仍舊由于速度有限，并且成本過高，在還沒成為標準總線之前，在20世紀90年代初的時候，就給PCI總線給取代了。

5.2.2 局部總線標準

由于ISA/EISA總線速度緩慢，造成硬盤、顯示卡還有其它的外圍設備只能通過慢速并且狹窄的瓶頸來發送和接受數據，使得整機的性能受到嚴重的影響。為了解決這個問題，1992年Intel在發布486處理器的時候，也同時提出了32-bit的PCI（周邊組件互連）總線。

最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到了133MB/s（33MHzX32bit/8），比ISA總線有了極大的改善，基本上滿足了當時處理器的發展需要。
目前計算機上廣泛采用的是這種32-bit、33MHz的PCI總線，可擴展到64bit。

特點：

高性能：不依附于某個具體的處理器，支持突發傳送。

良好的兼容性。

支持即插即用。

支持多主設備。

具有與處理器和存儲器子系統完全并行操作的能力。

提供數據和地址奇偶校驗的能力。

可擴充性好，可采用多層結構提高驅動能力。

采用多路復用技術，減少了總線引腳個數。

5.2.3 設備總線標準

• USB是在1994年底由英特爾等多家公司聯合在1996年推出后，已成功替代串口和并口，已成為當今電腦與大量智能設備的必配接口。USB屬于設備總線，是設備和設備控制器之間的接口。
• USB所有新版本都向下兼容，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、充電器、閃存盤、MP3機、手機、數碼相機、移動硬盤、外置光軟驅、USB網卡、ADSL Modem、Cable Modem等幾乎所有的外部設備。

特點：

可以熱插拔、即插即用。

具有很強的連接能力和很好的可擴充性。采用菊花鏈形式將眾多外設連接起來，可使用USB集線器鏈式連接127個外設。

標準統一。以前大家常見的是IDE接口的硬盤，串口的鼠標鍵盤，并口的打印機掃描儀，可是有了USB之后，這些應用外設統統可以用同樣的標準與個人電腦連接，這時就有了USB硬盤、USB鼠標、USB打印機等等。

高速傳輸。

連接電纜輕巧，可為低壓（5V）外設供電。

計算機內部總線連接情況如下：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的10 计算机组成原理第六章 总线 总线的概念与分类 总线性能指标 总线仲裁 总线操作和定时 总线标准的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。