总线概念与分类

定义

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

共享是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以通过这组线路分时共享。

分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

 特性

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2. 电气特性：传输方向和有效的电平范围
3. 功能特性：每根传输线的功能(地址、数据、控制)
4. 时间特性：信号的时序关系

分类(重点)

按数据传输格式

1.串行总线

 优点：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输；应用于激素那几内部时，可以节省布线空间。

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。

2.并行总线

 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；远近距离传输成本高昂；由于工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重干扰，对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率。

并行总线的速度不一定比串行总线的速度块。

按总线的功能分类

1.片内总线

片内总线是芯片内部的总线。

它是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。

2.系统总线

系统总线是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。

按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。

• 数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关。
• 地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是单向传输总线，地址总线上的位数与主存地址空间的大小有关。
• 控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存(或外设)返回CPU的反馈信息。

 3.通信总线

通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。

按时序控制方式分类

1.同步总线

2.异步总线

总线结构

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。
• 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，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并行发送操作

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。
• 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
• 缺点：需要增加通道等硬件设备

三总线结构

• 结构：三总线结构是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。
• 优点：提高了I/O设备的性能，是其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
• 缺点：系统工作效率低。

四总线结构简介

• 桥接器：用于连接不通过的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能。
• 靠近CPU的总线速度较快。
• 每级总线的设计遵循总线标准。 

总线的性能指标

1.总线的传输周期(总线周期)

一次总线操作所需的时间（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。

2.总线时钟周期

即机器的时钟周期。计算机有一个同一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。

总线周期与总线时钟周期的关系比较魔幻，

大多数情况下，一个总线周期包含多个总线时钟周期。有的时候，一个总线周期就是一个总线时钟周期。有的时候，一个总线时钟周期可包含多个总线周期。

3.总线的工作效率

总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。

若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。

实际上指一秒内传送几次数据。

4.总线的时钟频率

即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。

若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。

实际上指一秒内有多少个时钟周期。

5.总线宽度

又称总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位(bit)总线。

6.总线带宽

可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。

例题

 

 7.总线复用

总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。

8.信号线数

地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。