总线基础概念

总线基础概念

1. 总线的基本概念

总线定义

总线：

• 多部件共享的传输通路
• 实现数据、地址、控制信息的传递
• 计算机系统的重要组成部分

总线特点：

• 共享性：多个部件共享同一总线
• 分时性：同一时刻只能有一个部件使用总线
• 标准化：遵循统一的标准和协议

总线功能

数据传输：

• 在 CPU、内存、I/O 设备间传输数据
• 支持不同数据宽度
• 保证数据传输的可靠性

地址传输：

• 传输内存地址和 I/O 地址
• 确定数据传输的目标位置
• 支持地址扩展

控制信号传输：

• 传输读写控制信号
• 传输时序控制信号
• 传输中断和 DMA 信号

2. 总线的分类

按功能分类

数据总线：

• 传输数据信息
• 双向传输
• 宽度决定数据传输效率

地址总线：

• 传输地址信息
• 单向传输（CPU→ 外设）
• 宽度决定寻址范围

控制总线：

• 传输控制信号
• 包括读写、中断、DMA 等信号
• 协调各部件工作

按连接范围分类

系统总线：

• 连接 CPU、内存、I/O 控制器
• 高速总线
• 如：前端总线（FSB）

I/O 总线：

• 连接 I/O 设备和 I/O 控制器
• 中速总线
• 如：PCI、PCIe

通信总线：

• 连接通信设备
• 低速总线
• 如：USB、串口

存储器总线：

• 连接 CPU 和内存
• 专用高速总线
• 如：内存总线

3. 总线的组成及性能指标

总线组成

传输线：

• 数据线：传输数据信息
• 地址线：传输地址信息
• 控制线：传输控制信号
• 电源线：提供电源
• 地线：提供参考地

接口电路：

• 发送器：将信号发送到总线
• 接收器：从总线接收信号
• 驱动器：增强信号强度
• 缓冲器：隔离和缓冲信号

仲裁逻辑：

• 总线仲裁器：决定总线使用权
• 优先级逻辑：确定设备优先级
• 冲突检测：检测总线冲突

性能指标

带宽（数据传输速率）：

• 单位时间内传输的数据量
• 单位：MB/s、GB/s
• 影响：系统整体性能

总线宽度：

• 数据总线的位数
• 8 位、16 位、32 位、64 位等
• 影响：单次传输的数据量

总线频率：

• 总线的工作频率
• 单位：MHz、GHz
• 影响：数据传输速度

负载能力：

• 总线能连接的设备数量
• 受驱动能力限制
• 影响：系统扩展性

4. 总线操作和定时

同步定时方式

基本概念：

• 有统一的时钟信号
• 所有操作在时钟边沿同步进行
• 时序关系简单明确

特点：

• 优点：时序简单，控制简单
• 缺点：受时钟频率限制
• 应用：高速总线

时序控制：

• 时钟上升沿：数据有效
• 时钟下降沿：数据稳定
• 建立时间和保持时间要求

异步定时方式

基本概念：

• 无统一时钟信号
• 通过握手信号协调操作
• 设备间直接通信

特点：

• 优点：适应不同速度的设备
• 缺点：控制复杂，速度较慢
• 应用：低速设备连接

握手协议：

• 请求信号：请求方发出请求
• 应答信号：响应方发出应答
• 完成信号：操作完成确认

5. 常见总线标准

系统总线

前端总线（FSB）：

• 连接 CPU 和北桥芯片
• 高速同步总线
• 频率可达数 GHz

内存总线：

• 连接 CPU 和内存
• 专用高速总线
• 支持双通道、四通道

I/O 总线

PCI 总线：

• 并行总线标准
• 32 位/64 位数据宽度
• 频率 33MHz/66MHz

PCIe 总线：

• 串行总线标准
• 点对点连接
• 高速、低延迟

USB 总线：

• 通用串行总线
• 支持热插拔
• 多版本兼容

通信总线

串行总线：

• RS-232、RS-485
• 点对点通信
• 长距离传输

并行总线：

• IEEE-488
• 多设备连接
• 高速数据传输

6. 总线仲裁

仲裁方式

集中式仲裁：

• 专门的仲裁器
• 统一的优先级规则
• 控制简单

分布式仲裁：

• 各设备自主仲裁
• 基于优先级或时间片
• 控制复杂

优先级策略

固定优先级：

• 设备优先级固定
• 简单但可能不公平
• 适用于实时系统

轮转优先级：

• 优先级轮流分配
• 公平但效率较低
• 适用于分时系统

动态优先级：

• 根据等待时间调整优先级
• 平衡效率和公平性
• 适用于多任务系统

练习题

练习 1

简述总线的基本概念和主要功能。

练习 2

数据总线、地址总线和控制总线有何区别？