計算機組成原理第三章總線

計算機組成原理第三章總線總線概述總線結構與傳輸方式總線仲裁與通信協(xié)議常見總線標準與接口電路總線性能分析與優(yōu)化方法總結與展望總線概述01總線定義總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導線組成的傳輸線束，按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號?？偩€功能總線在微機系統(tǒng)中的作用類似于城市中的交通及通訊聯(lián)絡網(wǎng)。通過總線，各部件可進行數(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)生相應的操作?？偩€定義與功能片內(nèi)總線芯片內(nèi)部的總線，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)總線連接。系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線或板級總線。因為該總線是用來連接微機各功能部件而構成一個完整微機系統(tǒng)的，所以稱之為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是微機系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的微機總線就是指系統(tǒng)總線，如PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等。通信總線又稱外總線或通信線路。用于微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與外部設備之間的連接。在微機系統(tǒng)中常用的通信總線有EIA-232-C、EIA-422、EIA-423、EIA-485、V.35、RS-449等。總線分類及特點總線帶寬總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，即單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用每秒傳送信息的字節(jié)數(shù)來衡量，單位可用MBps（兆字節(jié)每秒）表示?？偩€寬度通常指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，用bit（位）表示。時鐘同步/異步同步通信的通信雙方由統(tǒng)一時標控制數(shù)據(jù)傳送稱為同步通信。在異步通信中，通信雙方?jīng)]有統(tǒng)一時鐘，通常是采用應答方式通信?？偩€性能指標總線復用一條信號線上分時傳送兩種信號。信號線數(shù)指總線中各類信號線的總和?？偩€控制方式包括突發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數(shù)方式等。其他指標如負載能力、電源電壓、總線寬度能否擴展等?？偩€性能指標總線結構與傳輸方式02單總線結構是將CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都掛在一組總線上。定義優(yōu)點缺點線路簡單、使用方便，且易于擴充。所有的傳輸都發(fā)生在一條共享的總線上，易引起總線爭用，從而影響系統(tǒng)性能。030201單總線結構03缺點需要更多的硬件支持，增加了系統(tǒng)的復雜性。01定義雙總線結構是在單總線的基礎上增加一條CPU與主存之間的總線，稱為存儲總線。02優(yōu)點提高了CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，因為這兩條總線的負載被分開了。雙總線結構多總線結構是在雙總線的基礎上又增設了多條總線，如PCI總線、EISA總線等。定義大大減輕了總線的負載，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。優(yōu)點硬件的數(shù)量增加，成本提高，且不同的總線之間需要轉換。缺點多總線結構通信雙方由統(tǒng)一時鐘控制數(shù)據(jù)傳送稱為同步傳輸。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)送端不僅時鐘要同頻同相，而且每個數(shù)據(jù)塊的開頭和結尾還要設立一些特殊的字符或比特組合作為標識，以便雙方正確劃分出一個個數(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鐘和發(fā)送端時鐘同步，發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。異步傳輸同步傳輸與異步傳總線仲裁與通信協(xié)議03鏈式查詢方式通過鏈式連接各個設備，按照優(yōu)先級順序進行仲裁，優(yōu)先級高的設備優(yōu)先獲得總線使用權。計時器定時查詢方式通過計時器設定時間片，每個設備輪流獲得總線使用權，時間片到則自動切換到下一個設備。獨立請求方式每個設備都有獨立的請求線和授權線，可以獨立地向總線控制器發(fā)出請求和接收授權，實現(xiàn)并行操作。集中式仲裁方式多主設備方式允許多個主設備同時存在于總線上，通過競爭或協(xié)商方式獲得總線使用權。分布式仲裁芯片方式采用專門的分布式仲裁芯片，根據(jù)設備的優(yōu)先級和請求情況，動態(tài)分配總線使用權。菊花鏈方式設備之間通過菊花鏈形式連接，每個設備都可以作為主設備或從設備，通過令牌傳遞方式實現(xiàn)總線仲裁。分布式仲裁方式同步通信協(xié)議01通信雙方采用統(tǒng)一的時鐘信號進行同步，數(shù)據(jù)在時鐘信號的驅動下按位傳輸。異步通信協(xié)議02通信雙方?jīng)]有統(tǒng)一的時鐘信號，采用特定的起始位和停止位來表示字符的開始和結束，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、校驗位和停止位等部分，起始位用于標識字符的開始，數(shù)據(jù)位用于傳輸實際的數(shù)據(jù)信息，校驗位用于進行錯誤檢測，停止位用于標識字符的結束。通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式常見總線標準與接口電路04ISA總線標準ISA（IndustryStandardArchitecture）總線是早期計算機中廣泛使用的一種總線標準，用于連接CPU、內(nèi)存、I/O設備等。ISA總線特點采用并行傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低；使用獨立的I/O地址空間，與內(nèi)存地址空間分開。ISA總線應用在一些老舊計算機和嵌入式系統(tǒng)中仍然可以看到ISA總線的身影，用于連接一些低速或特定的I/O設備。ISA總線概述PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線是一種高性能、高集成度的計算機總線標準，廣泛應用于現(xiàn)代計算機中。PCI總線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配置，方便設備擴展和維護。PCI總線特點PCI總線被廣泛應用于連接高速、大數(shù)據(jù)量的I/O設備，如顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等。PCI總線應用PCI總線標準USB（UniversalSerialBus）總線是一種通用串行總線標準，用于連接計算機與外部設備。USB總線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)一的接口標準，方便設備連接和擴展。USB總線特點USB總線被廣泛應用于連接各種外部設備，如鼠標、鍵盤、打印機、手機等。USB總線應用USB總線標準接口電路概述接口電路是連接計算機與外部設備的橋梁，負責實現(xiàn)計算機與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制。接口電路設計原則根據(jù)外部設備的特性和要求，選擇合適的接口芯片和電路設計方案；確保接口電路與計算機總線的電氣特性和時序要求相匹配。接口電路實現(xiàn)方法使用硬件描述語言（如VHDL或Verilog）進行接口電路的設計和實現(xiàn)；利用EDA工具進行電路仿真和驗證；最終將設計好的接口電路制作成PCB板并進行測試。接口電路設計與實現(xiàn)總線性能分析與優(yōu)化方法05總線時鐘頻率總線時鐘頻率決定了總線操作的速率，頻率越高，總線操作速率越快?？偩€協(xié)議不同的總線協(xié)議具有不同的傳輸效率和復雜性，對總線性能產(chǎn)生影響?？偩€負載總線上連接的設備數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸量會影響總線的負載，負載過重會導致總線性能下降?？偩€帶寬總線帶寬決定了數(shù)據(jù)傳輸速率的上限，帶寬越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越快。影響總線性能因素增加總線帶寬通過提高總線的數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)或采用更高速的傳輸技術來增加總線帶寬。提高總線時鐘頻率在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高總線的時鐘頻率。減少總線負載通過優(yōu)化設備連接方式和數(shù)據(jù)傳輸策略，減少總線上的數(shù)據(jù)傳輸量和設備數(shù)量。優(yōu)化總線協(xié)議采用更高效的傳輸協(xié)議和編碼方式，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的冗余和等待時間。提高總線性能措施通過時分復用或頻分復用等技術，在同一總線上實現(xiàn)多個設備的同時傳輸。采用多路復用技術采用高速緩存技術采用分布式仲裁機制引入流量控制機制在總線上引入高速緩存，減少對主存儲器的訪問次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。通過分布式仲裁機制，避免單一仲裁器造成的性能瓶頸，提高總線的并發(fā)處理能力。通過流量控制機制，避免數(shù)據(jù)擁塞和沖突，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和總線的穩(wěn)定性。優(yōu)化方法探討總結與展望06介紹了總線在計算機系統(tǒng)中的定義、作用以及不同類型總線的特點和應用場景?？偩€的概念和分類詳細講解了總線通信協(xié)議的基本要素，包括傳輸方式、同步方式、數(shù)據(jù)格式和錯誤處理等?？偩€通信協(xié)議深入探討了總線仲裁的方法和定時策略，如集中式仲裁、分布式仲裁以及同步定時和異步定時等。總線仲裁和定時介紹了常見的總線標準和實例，如PCI總線、USB總線和IEEE1394總線等，并分析了它們的優(yōu)缺點和應用范圍?？偩€標準和實例回顧本次課程重點內(nèi)容第二季度第一季度第四季度第三季度高速總線技術無線總線技術智能總線技術總線與網(wǎng)絡的融合展望未來發(fā)展趨勢隨著計算機性能的不斷提升，未來總線技術將更加注重傳輸速度和效率，如PCIe、Thunderbolt等高速總線標準將得到更廣泛的應用。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，未來可能出現(xiàn)更