計(jì)算機(jī)組成原理第三章總線(xiàn)

計(jì)算機(jī)組成原理第三章總線(xiàn)總線(xiàn)概述總線(xiàn)結(jié)構(gòu)與傳輸方式總線(xiàn)仲裁與通信協(xié)議常見(jiàn)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)與接口電路總線(xiàn)性能分析與優(yōu)化方法總結(jié)與展望總線(xiàn)概述01總線(xiàn)定義總線(xiàn)（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線(xiàn)，它是由導(dǎo)線(xiàn)組成的傳輸線(xiàn)束，按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類(lèi)，計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)可以劃分為數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)，分別用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)?？偩€(xiàn)功能總線(xiàn)在微機(jī)系統(tǒng)中的作用類(lèi)似于城市中的交通及通訊聯(lián)絡(luò)網(wǎng)。通過(guò)總線(xiàn)，各部件可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信，有控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行部件接收命令后產(chǎn)生相應(yīng)的操作?？偩€(xiàn)定義與功能片內(nèi)總線(xiàn)芯片內(nèi)部的總線(xiàn)，如在CPU芯片內(nèi)部，寄存器與寄存器之間、寄存器與算邏單元ALU之間都由片內(nèi)總線(xiàn)連接。系統(tǒng)總線(xiàn)又稱(chēng)內(nèi)總線(xiàn)或板級(jí)總線(xiàn)。因?yàn)樵摽偩€(xiàn)是用來(lái)連接微機(jī)各功能部件而構(gòu)成一個(gè)完整微機(jī)系統(tǒng)的，所以稱(chēng)之為系統(tǒng)總線(xiàn)。系統(tǒng)總線(xiàn)是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的總線(xiàn)，人們平常所說(shuō)的微機(jī)總線(xiàn)就是指系統(tǒng)總線(xiàn)，如PC總線(xiàn)、AT總線(xiàn)（ISA總線(xiàn)）、PCI總線(xiàn)等。通信總線(xiàn)又稱(chēng)外總線(xiàn)或通信線(xiàn)路。用于微機(jī)系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的連接。在微機(jī)系統(tǒng)中常用的通信總線(xiàn)有EIA-232-C、EIA-422、EIA-423、EIA-485、V.35、RS-449等。總線(xiàn)分類(lèi)及特點(diǎn)總線(xiàn)帶寬總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率，即單位時(shí)間內(nèi)總線(xiàn)上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用每秒傳送信息的字節(jié)數(shù)來(lái)衡量，單位可用MBps（兆字節(jié)每秒）表示。總線(xiàn)寬度通常指數(shù)據(jù)總線(xiàn)的根數(shù)，用bit（位）表示。時(shí)鐘同步/異步同步通信的通信雙方由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送稱(chēng)為同步通信。在異步通信中，通信雙方?jīng)]有統(tǒng)一時(shí)鐘，通常是采用應(yīng)答方式通信?？偩€(xiàn)性能指標(biāo)總線(xiàn)復(fù)用一條信號(hào)線(xiàn)上分時(shí)傳送兩種信號(hào)。信號(hào)線(xiàn)數(shù)指總線(xiàn)中各類(lèi)信號(hào)線(xiàn)的總和。總線(xiàn)控制方式包括突發(fā)工作、自動(dòng)配置、仲裁方式、邏輯方式、計(jì)數(shù)方式等。其他指標(biāo)如負(fù)載能力、電源電壓、總線(xiàn)寬度能否擴(kuò)展等?？偩€(xiàn)性能指標(biāo)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)與傳輸方式02單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)是將CPU、主存、I/O設(shè)備（通過(guò)I/O接口）都掛在一組總線(xiàn)上。定義優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)線(xiàn)路簡(jiǎn)單、使用方便，且易于擴(kuò)充。所有的傳輸都發(fā)生在一條共享的總線(xiàn)上，易引起總線(xiàn)爭(zhēng)用，從而影響系統(tǒng)性能。030201單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)03缺點(diǎn)需要更多的硬件支持，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。01定義雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)是在單總線(xiàn)的基礎(chǔ)上增加一條CPU與主存之間的總線(xiàn)，稱(chēng)為存儲(chǔ)總線(xiàn)。02優(yōu)點(diǎn)提高了CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，因?yàn)檫@兩條總線(xiàn)的負(fù)載被分開(kāi)了。雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)是在雙總線(xiàn)的基礎(chǔ)上又增設(shè)了多條總線(xiàn)，如PCI總線(xiàn)、EISA總線(xiàn)等。定義大大減輕了總線(xiàn)的負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。優(yōu)點(diǎn)硬件的數(shù)量增加，成本提高，且不同的總線(xiàn)之間需要轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)通信雙方由統(tǒng)一時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)傳送稱(chēng)為同步傳輸。在同步傳輸通信模式中，數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，發(fā)送端和接收端要保持完全同步。因此，要求接收端和發(fā)送端不僅時(shí)鐘要同頻同相，而且每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)頭和結(jié)尾還要設(shè)立一些特殊的字符或比特組合作為標(biāo)識(shí)，以便雙方正確劃分出一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)塊。同步傳輸異步傳輸是指數(shù)據(jù)傳送以字符為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的。異步傳輸不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步，發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可經(jīng)過(guò)任意長(zhǎng)的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。異步傳輸同步傳輸與異步傳總線(xiàn)仲裁與通信協(xié)議03鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式通過(guò)鏈?zhǔn)竭B接各個(gè)設(shè)備，按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行仲裁，優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備優(yōu)先獲得總線(xiàn)使用權(quán)。計(jì)時(shí)器定時(shí)查詢(xún)方式通過(guò)計(jì)時(shí)器設(shè)定時(shí)間片，每個(gè)設(shè)備輪流獲得總線(xiàn)使用權(quán)，時(shí)間片到則自動(dòng)切換到下一個(gè)設(shè)備。獨(dú)立請(qǐng)求方式每個(gè)設(shè)備都有獨(dú)立的請(qǐng)求線(xiàn)和授權(quán)線(xiàn)，可以獨(dú)立地向總線(xiàn)控制器發(fā)出請(qǐng)求和接收授權(quán)，實(shí)現(xiàn)并行操作。集中式仲裁方式多主設(shè)備方式允許多個(gè)主設(shè)備同時(shí)存在于總線(xiàn)上，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)商方式獲得總線(xiàn)使用權(quán)。分布式仲裁芯片方式采用專(zhuān)門(mén)的分布式仲裁芯片，根據(jù)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)和請(qǐng)求情況，動(dòng)態(tài)分配總線(xiàn)使用權(quán)。菊花鏈方式設(shè)備之間通過(guò)菊花鏈形式連接，每個(gè)設(shè)備都可以作為主設(shè)備或從設(shè)備，通過(guò)令牌傳遞方式實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)仲裁。分布式仲裁方式同步通信協(xié)議01通信雙方采用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下按位傳輸。異步通信協(xié)議02通信雙方?jīng)]有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，采用特定的起始位和停止位來(lái)表示字符的開(kāi)始和結(jié)束，數(shù)據(jù)在字符之間異步傳輸。數(shù)據(jù)格式03包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等部分，起始位用于標(biāo)識(shí)字符的開(kāi)始，數(shù)據(jù)位用于傳輸實(shí)際的數(shù)據(jù)信息，校驗(yàn)位用于進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，停止位用于標(biāo)識(shí)字符的結(jié)束。通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式常見(jiàn)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)與接口電路04ISA總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)ISA（IndustryStandardArchitecture）總線(xiàn)是早期計(jì)算機(jī)中廣泛使用的一種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，用于連接CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等。ISA總線(xiàn)特點(diǎn)采用并行傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低；使用獨(dú)立的I/O地址空間，與內(nèi)存地址空間分開(kāi)。ISA總線(xiàn)應(yīng)用在一些老舊計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)中仍然可以看到ISA總線(xiàn)的身影，用于連接一些低速或特定的I/O設(shè)備。ISA總線(xiàn)概述PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線(xiàn)是一種高性能、高集成度的計(jì)算機(jī)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中。PCI總線(xiàn)概述采用并行傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速率高；支持即插即用和自動(dòng)配置，方便設(shè)備擴(kuò)展和維護(hù)。PCI總線(xiàn)特點(diǎn)PCI總線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于連接高速、大數(shù)據(jù)量的I/O設(shè)備，如顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等。PCI總線(xiàn)應(yīng)用PCI總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB（UniversalSerialBus）總線(xiàn)是一種通用串行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，用于連接計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備。USB總線(xiàn)概述采用串行傳輸方式，支持熱插拔和即插即用；具有高速、低速和全速三種傳輸速率；使用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，方便設(shè)備連接和擴(kuò)展。USB總線(xiàn)特點(diǎn)USB總線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于連接各種外部設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)、手機(jī)等。USB總線(xiàn)應(yīng)用USB總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口電路概述接口電路是連接計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制。接口電路設(shè)計(jì)原則根據(jù)外部設(shè)備的特性和要求，選擇合適的接口芯片和電路設(shè)計(jì)方案；確保接口電路與計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的電氣特性和時(shí)序要求相匹配。接口電路實(shí)現(xiàn)方法使用硬件描述語(yǔ)言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行接口電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；利用EDA工具進(jìn)行電路仿真和驗(yàn)證；最終將設(shè)計(jì)好的接口電路制作成PCB板并進(jìn)行測(cè)試。接口電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)性能分析與優(yōu)化方法05總線(xiàn)時(shí)鐘頻率總線(xiàn)時(shí)鐘頻率決定了總線(xiàn)操作的速率，頻率越高，總線(xiàn)操作速率越快?？偩€(xiàn)協(xié)議不同的總線(xiàn)協(xié)議具有不同的傳輸效率和復(fù)雜性，對(duì)總線(xiàn)性能產(chǎn)生影響?？偩€(xiàn)負(fù)載總線(xiàn)上連接的設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸量會(huì)影響總線(xiàn)的負(fù)載，負(fù)載過(guò)重會(huì)導(dǎo)致總線(xiàn)性能下降。總線(xiàn)帶寬總線(xiàn)帶寬決定了數(shù)據(jù)傳輸速率的上限，帶寬越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越快。影響總線(xiàn)性能因素增加總線(xiàn)帶寬通過(guò)提高總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)或采用更高速的傳輸技術(shù)來(lái)增加總線(xiàn)帶寬。提高總線(xiàn)時(shí)鐘頻率在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率。減少總線(xiàn)負(fù)載通過(guò)優(yōu)化設(shè)備連接方式和數(shù)據(jù)傳輸策略，減少總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸量和設(shè)備數(shù)量。優(yōu)化總線(xiàn)協(xié)議采用更高效的傳輸協(xié)議和編碼方式，減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的冗余和等待時(shí)間。提高總線(xiàn)性能措施通過(guò)時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用等技術(shù)，在同一總線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的同時(shí)傳輸。采用多路復(fù)用技術(shù)采用高速緩存技術(shù)采用分布式仲裁機(jī)制引入流量控制機(jī)制在總線(xiàn)上引入高速緩存，減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。通過(guò)分布式仲裁機(jī)制，避免單一仲裁器造成的性能瓶頸，提高總線(xiàn)的并發(fā)處理能力。通過(guò)流量控制機(jī)制，避免數(shù)據(jù)擁塞和沖突，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和總線(xiàn)的穩(wěn)定性。優(yōu)化方法探討總結(jié)與展望06介紹了總線(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的定義、作用以及不同類(lèi)型總線(xiàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景?？偩€(xiàn)的概念和分類(lèi)詳細(xì)講解了總線(xiàn)通信協(xié)議的基本要素，包括傳輸方式、同步方式、數(shù)據(jù)格式和錯(cuò)誤處理等?？偩€(xiàn)通信協(xié)議深入探討了總線(xiàn)仲裁的方法和定時(shí)策略，如集中式仲裁、分布式仲裁以及同步定時(shí)和異步定時(shí)等。總線(xiàn)仲裁和定時(shí)介紹了常見(jiàn)的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例，如PCI總線(xiàn)、USB總線(xiàn)和IEEE1394總線(xiàn)等，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例回顧本次課程重點(diǎn)內(nèi)容第二季度第一季度第四季度第三季度高速總線(xiàn)技術(shù)無(wú)線(xiàn)總線(xiàn)技術(shù)智能總線(xiàn)技術(shù)總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的融合展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，未來(lái)總線(xiàn)技術(shù)將更加注重傳輸速度和效率，如PCIe、Thunderbolt等高速總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)將得到更廣泛的應(yīng)用。隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)可能出現(xiàn)更