计算机组成原理第三章总线

计算机组成原理第三章总线总线概述总线结构与传输方式总线仲裁与通信协议常见总线标准与接口电路总线性能分析与优化方法总结与展望总线概述01总线定义总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线功能总线在微机系统中的作用类似于城市中的交通及通讯联络网。通过总线，各部件可进行数据传送和通信，有控制部件向执行部件发出各种控制命令，执行部件接收命令后产生相应的操作。总线定义与功能片内总线芯片内部的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻单元ALU之间都由片内总线连接。系统总线又称内总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如PC总线、AT总线（ISA总线）、PCI总线等。通信总线又称外总线或通信线路。用于微机系统之间或微机系统与外部设备之间的连接。在微机系统中常用的通信总线有EIA-232-C、EIA-422、EIA-423、EIA-485、V.35、RS-449等。总线分类及特点总线带宽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，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可用MBps（兆字节每秒）表示。总线宽度通常指数据总线的根数，用bit（位）表示。时钟同步/异步同步通信的通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。在异步通信中，通信双方没有统一时钟，通常是采用应答方式通信。总线性能指标总线复用一条信号线上分时传送两种信号。信号线数指总线中各类信号线的总和。总线控制方式包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。其他指标如负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等。总线性能指标总线结构与传输方式02单总线结构是将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上。定义优点缺点线路简单、使用方便，且易于扩充。所有的传输都发生在一条共享的总线上，易引起总线争用，从而影响系统性能。030201单总线结构03缺点需要更多的硬件支持，增加了系统的复杂性。01定义双总线结构是在单总线的基础上增加一条CPU与主存之间的总线，称为存储总线。02优点提高了CPU与主存之间的数据传输速率，因为这两条总线的负载被分开了。双总线结构多总线结构是在双总线的基础上又增设了多条总线，如PCI总线、EISA总线等。定义大大减轻了总线的负载，提高了数据传输速率。优点硬件的数量增加，成本提高，且不同的总线之间需要转换。缺点多总线结构通信双方由统一时钟控制数据传送称为同步传输。在同步传输通信模式中，数据以固定的数据块为单位进行传输，发送端和接收端要保持完全同步。因此，要求接收端和发送端不仅时钟要同频同相，而且每个数据块的开头和结尾还要设立一些特殊的字符或比特组合作为标识，以便双方正确划分出一个个数据块。同步传输异步传输是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。异步传输不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。异步传输同步传输与异步传总线仲裁与通信协议03链式查询方式通过链式连接各个设备，按照优先级顺序进行仲裁，优先级高的设备优先获得总线使用权。计时器定时查询方式通过计时器设定时间片，每个设备轮流获得总线使用权，时间片到则自动切换到下一个设备。独立请求方式每个设备都有独立的请求线和授权线，可以独立地向总线控制器发出请求和接收授权，实现并行操作。集中式仲裁方式多主设备方式允许多个主设备同时存在于总线上，通过竞争或协商方式获得总线使用权。分布式仲裁芯片方式采用专门的分布式仲裁芯片，根据设备的优先级和请求情况，动态分配总线使用权。菊花链方式设备之间通过菊花链形式连接，每个设备都可以作为主设备或从设备，通过令牌传递方式实现总线仲裁。分布式仲裁方式同步通信协议01通信双方采用统一的时钟信号进行同步，数据在时钟信号的驱动下按位传输。异步通信协议02通信双方没有统一的时钟信号，采用特定的起始位和停止位来表示字符的开始和结束，数据在字符之间异步传输。数据格式03包括起始位、数据位、校验位和停止位等部分，起始位用于标识字符的开始，数据位用于传输实际的数据信息，校验位用于进行错误检测，停止位用于标识字符的结束。通信协议及数据格式常见总线标准与接口电路04ISA总线标准ISA（IndustryStandardArchitecture）总线是早期计算机中广泛使用的一种总线标准，用于连接CPU、内存、I/O设备等。ISA总线特点采用并行传输方式，数据传输速率相对较低；使用独立的I/O地址空间，与内存地址空间分开。ISA总线应用在一些老旧计算机和嵌入式系统中仍然可以看到ISA总线的身影，用于连接一些低速或特定的I/O设备。ISA总线概述PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是一种高性能、高集成度的计算机总线标准，广泛应用于现代计算机中。PCI总线概述采用并行传输方式，数据传输速率高；支持即插即用和自动配置，方便设备扩展和维护。PCI总线特点PCI总线被广泛应用于连接高速、大数据量的I/O设备，如显卡、声卡、网卡等。PCI总线应用PCI总线标准USB（UniversalSerialBus）总线是一种通用串行总线标准，用于连接计算机与外部设备。USB总线概述采用串行传输方式，支持热插拔和即插即用；具有高速、低速和全速三种传输速率；使用统一的接口标准，方便设备连接和扩展。USB总线特点USB总线被广泛应用于连接各种外部设备，如鼠标、键盘、打印机、手机等。USB总线应用USB总线标准接口电路概述接口电路是连接计算机与外部设备的桥梁，负责实现计算机与外部设备之间的数据传输和控制。接口电路设计原则根据外部设备的特性和要求，选择合适的接口芯片和电路设计方案；确保接口电路与计算机总线的电气特性和时序要求相匹配。接口电路实现方法使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行接口电路的设计和实现；利用EDA工具进行电路仿真和验证；最终将设计好的接口电路制作成PCB板并进行测试。接口电路设计与实现总线性能分析与优化方法05总线时钟频率总线时钟频率决定了总线操作的速率，频率越高，总线操作速率越快。总线协议不同的总线协议具有不同的传输效率和复杂性，对总线性能产生影响。总线负载总线上连接的设备数量和数据传输量会影响总线的负载，负载过重会导致总线性能下降。总线带宽总线带宽决定了数据传输速率的上限，带宽越高，数据传输速率越快。影响总线性能因素增加总线带宽通过提高总线的数据传输位数或采用更高速的传输技术来增加总线带宽。提高总线时钟频率在保证系统稳定性的前提下，尽可能提高总线的时钟频率。减少总线负载通过优化设备连接方式和数据传输策略，减少总线上的数据传输量和设备数量。优化总线协议采用更高效的传输协议和编码方式，减少数据传输过程中的冗余和等待时间。提高总线性能措施通过时分复用或频分复用等技术，在同一总线上实现多个设备的同时传输。采用多路复用技术采用高速缓存技术采用分布式仲裁机制引入流量控制机制在总线上引入高速缓存，减少对主存储器的访问次数，提高数据传输效率。通过分布式仲裁机制，避免单一仲裁器造成的性能瓶颈，提高总线的并发处理能力。通过流量控制机制，避免数据拥塞和冲突，保证数据的可靠传输和总线的稳定性。优化方法探讨总结与展望06介绍了总线在计算机系统中的定义、作用以及不同类型总线的特点和应用场景。总线的概念和分类详细讲解了总线通信协议的基本要素，包括传输方式、同步方式、数据格式和错误处理等。总线通信协议深入探讨了总线仲裁的方法和定时策略，如集中式仲裁、分布式仲裁以及同步定时和异步定时等。总线仲裁和定时介绍了常见的总线标准和实例，如PCI总线、USB总线和IEEE1394总线等，并分析了它们的优缺点和应用范围。总线标准和实例回顾本次课程重点内容第二季度第一季度第四季度第三季度高速总线技术无线总线技术智能总线技术总线与网络的融合展望未来发展趋势随着计算机性能的不断提升，未来总线技术将更加注重传输速度和效率，如PCIe、Thunderbolt等高速总线标准将得到更广泛的应用。随着无线通信技术的不断发展，未来可能出现更